Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

吴 东 江, 王 占 宏, 马 广 义, 杨 义 彬, 郭 玉 泉, 郭 东 明

( 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024 )



Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

吴 东 江*, 王 占 宏, 马 广 义, 杨 义 彬, 郭 玉 泉, 郭 东 明

( 大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024 )

根据传热学和流体力学基本原理建立瞬态Nd:YAG脉冲激光焊接熔池三维数值分析模型,研究Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接过程中熔池液态金属流动的基本规律．利用Fluent软件,采用有限容积法求解控制方程,用SIMPLE算法处理压力与速度耦合．引入Ma来评价焊接熔池的流动特性,并指出了焊接熔池中出现重熔轮廓线的原因．通过与实测温度场对比,验证了所建模型的准确性．模拟分析表明:脉冲激光焊接过程中存在较微弱的Marangoni对流现象；牛顿剪切应力的存在使熔池表层流体对流剧烈．此模型可为Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接熔池流体流动行为分析提供理论依据．

脉冲激光加工；Marangoni对流；数值模拟；温度场

0 引 言

近年来随着核电技术的发展,第三代核电技术以其安全性、经济性等受到全球核电用户的普遍关注．AP1000屏蔽式电动主泵作为第三代核电技术的核心部件,制造精度要求很高,而屏蔽套作为核主泵的关键零件,其制造质量的优劣直接影响核主泵的使用性能．Hastelloy C-276镍基耐蚀合金,由于其良好的抗蚀能力而被选为屏蔽套材料[1-4]．焊接成形是屏蔽套制造的重要手段,焊接熔池中液态流体的流动不仅影响焊接熔池形貌也影响屏蔽套的焊接质量,因此许多学者通过实验和数值模拟的方法对其进行了研究,由于实验研究手段的局限性,数值模拟成为研究焊接熔池流动的重要手段．国内外学者对焊接熔池的流动开展了许多研究工作．欧美学者应用数值模拟方法,将焊接熔池中的表面张力、浮力、电弧焊时的电磁力作为熔池流动的主要驱动力,并结合试验,研究了TIG焊接铝合金、GTA焊接镁合金、连续激光焊接不锈钢等加工过程,分析了熔池内部的对流对焊接熔池形貌的影响及熔池中的宏观孔隙变化,研究了二元金属中表面张力随温度和活性元素的变化,并指出表面张力随温度变化是焊接熔池流动的驱动力,计算了焊接熔池的形貌及焊接过程中的熔凝特性参数[5-11]．国内学者对TIG焊接不锈钢、连续激光焊接TC4时的熔池进行模拟和实验研究,得出熔池特征参数随时间变化特征,采用位置预置-修正法对深熔焊进行参数分析,通过对表层细化处理分析了表层的流场分布[12-15]．部分学者通过考虑表面张力温度系数随温度的变化,建立焊接熔池三维流动传热模型,研究了活性元素对焊接熔池形貌的影响[16-18]．上述研究大部分是基于连续热源焊接过程的模拟,而对脉冲热源加载方式下焊接温度场和流场的研究较少．与连续激光焊接相比,脉冲激光焊接在高温段停留时间短,流体的流动速度较小,且焊缝经历多次熔化,可以降低裂纹产生倾向,使焊接接头性能得到提高,因此脉冲激光焊接在工程实际中得到了广泛应用．本文结合脉冲激光的作用特点建立三维瞬态脉冲激光焊接模型,开展脉冲激光焊接熔池温度场和熔池内液态金属流动的模拟．

1 模型的建立

1.1 基本假设

脉冲激光焊接过程如图1所示,工件静止,激光以速度v沿x轴正向运动．根据焊接的实际物理过程对模型进行了简化并作如下假设:(1)忽略焊接熔池自由表面的变化,焊接熔池自由表面在焊接过程中为平面；(2)假设焊接过程中熔池中流体为不可压缩牛顿流体；(3)数值模拟采用的焊接热源符合高斯分布；(4)用Boussinesq假设处理焊接过程中材料密度的变化；(5)忽略焊接时引入活性元素对焊缝成型的影响．

图1 脉冲激光焊接过程示意图

1.2 控制方程

数值模拟的焊接模型主要考虑两种物理过程:液态金属在熔池中的流动和热量的扩散,根据流体力学和传热学基本定律表示如下:

(1)

式中:φ为通用变量；Γφ为广义扩散系数；U为速度矢量；Sφ为广义源项,包括动量守恒方程中糊状区的达西项、z轴方向的浮力项以及能量方程中的相变热项等；ρ为材料密度,采用Boussinesq假设．

1.3 边界条件处理

基于图1所示计算模型,每个表面的边界条件都可以分为热作用边界条件和速度边界条件．热作用边界条件包括热源对上表面的加热及工件向周围的散热．脉冲激光焊接热源符合高斯分布,其数学表达式为

(2)

其他表面热边界条件为对流和辐射损失Qloss,数学表达式为

(3)

速度边界条件、表面张力梯度与剪切应力平衡:

(4)

(5)

其他表面速度边界条件:u=0,v=0,w=0．

式(2)～(5)中:a为热源集中系数,η为激光吸收系数,P为激光功率,r为光斑半径,ε为材料发射率,σ为Stefan-Boltzmann常数,hc为对流换热系数,T为表面温度,T0为环境温度,u、v、w分别为3个方向上的速度,μ为黏度系数,γ为表面张力,∂γ/∂T为表面张力温度系数．结合脉冲激光焊接特点,选择脉冲激光焊接热源参数:a=2,η=0.63,r=0.3 mm．根据Nd:YAG脉冲激光的波长及焊接材料的吸收特性,选择激光吸收率为0.63[19],模型边界条件如图2所示,k为热扩散系数．

图2 边界条件示意图

2 结果与分析

2.1 温度场的实验验证

实验中采用波长为1 064 nm的Nd:YAG脉冲激光器,工件尺寸为25 mm×30 mm×0.5 mm．在侧吹氩气条件下,进行单道扫描实验,焊接工艺参数为功率P=45 W,脉冲宽度τ=6 ms,焊接速度v=100 mm/min,脉冲频率f=30 Hz．实验前用酒精擦洗焊接工件表面去除油污等杂质,焊接实验完成后,采用线切割方法沿垂直焊缝方向截取焊接接头界面制作金相试样,采用SEM观测焊缝形貌．

采用0.1 mm正方体网格进行数值模拟计算,用有限容积法(FVM)求解控制方程,用SIMPLE 算法处理速度与压力的耦合．图3为给定实验条件下(E=1.5 J,f=30 Hz,τ=6 ms,d=0 mm,v=100 mm/min)焊缝形貌数值计算结果(图3(a))与实验结果(图3(b))对比效果图．可以看出,计算得到的熔池形貌与实验结果基本一致,说明模型具有可靠性．

图3 计算结果与实验结果对比

2.2 熔池流动模拟结果与分析

分析认为熔池中的驱动力包括表面张力变化引起的剪切力以及浮力．剪切力引起的对流的大小和方向可用Marangoni数Ma来表征:

(6)

式中:L为特征长度,k为热扩散系数,dT/dx为温度梯度．大多数情况下液态金属的表面张力随着温度的增加而减小(∂γ/∂T<0),这种表面张力的变化使液态金属在熔池上表面由焊缝中心向焊缝边缘流动形成Marangoni对流；当∂γ/∂T>0时,液态金属在熔池的上表面由焊缝边缘向焊缝中心流动形成反向的Marangoni对流．对于浮力产生的对流,大多数情况下金属的密度随温度的增加而减小,这种变化使熔池中心区域较轻的液态金属向上流动,熔池边缘区域较重的液态金属向下流动,从而引起熔池内液态金属由焊缝下表面向上表面流动．

数值计算得到的焊接熔池流体流动如图4所示,熔池内的流体形成一个环流．由于采用脉冲激光焊接,脉宽τ=33.3 ms,每个周期内激光加载时间为6 ms,冷却作用时间约为27.3 ms,工件被加热熔化后迅速冷却到熔点以下,因此相对于连续热源加载方式[14],脉冲加载方式下熔池中的对流现象比较弱,熔池表面最大速度为0.14 m/s．仔细观察图4发现,熔池表层流速较大,但熔池次表层流速较小,这是由于熔池中流体假设为牛顿流体,表层流体和次表层流体之间存在剪切应力,剪切应力阻碍了次表层流体的流动．

图4 浮力和表面张力对流(∂γ/∂T<0)

图5所示为焊接过程达到准稳态时相邻3个周期内熔池的动态变化．任一周期内,激光光源加载6 ms,工件熔化形成熔池,熔池中的流体通过对流把热量由中心带到熔池边缘,此时熔深和熔宽达到最大值,激光作用结束后熔池凝固,凝固区域形成凝固轮廓线．由图5可知,由于表层的Marangoni 对流相对于次表层较剧烈,焊缝上表面的熔池宽度变化较明显,而焊缝的熔深变化不明显．当焊接速度v=100 mm/min时,相邻两个脉冲之间,激光向前移动距离=v×τ=(100/60)×1/30 mm≈0.056 mm

图5 相邻3个周期内熔池形貌变化

图6 多次熔凝轮廓线

3 结 论

(1)焊接温度场结果与实验结果趋势一致,验证了模型的准确性；

(2)脉冲激光焊接熔池中存在微弱的Marangoni 对流；

(3)牛顿剪切应力的存在使熔池表层的对流剧烈而次表层的对流较弱；

(4)脉冲作用的特点使焊缝区域多次熔凝,凝固后形成轮廓线．

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AnalysisoffluidflowbehaviorinpulsedlaserweldingpoolofHastelloyC-276alloy

WUDong-jiang*,WANGZhan-hong,MAGuang-yi,YANGYi-bin,GUOYu-quan,GUODong-ming

( Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

A transient three-dimensional model of pulsed laser welding is established based on the theories of fluid dynamics and heat transfer to investigate the fundamental rules of the fluid flow in thin Hastelloy C-276 alloy welding pool welded by the pulsed Nd:YAG laser. The algorithm of SIMPLE is adopted to deal with the coupling of velocity and pressure. Finite volume method is used to solute the control equation, andMais employed to analyze the characteristics of convection in the welding pool. Furthermore, the reason of forming the contours of multiple remelting and solidification is given. The calculated results are compared with the experimental ones, which testifies the accuracy of the model. The weak Marangoni convection occurs during the process of pulsed laser welding. The existence of Newton shear stress leads to the intensive convection on the top surface of the molten pool. The model can provide a theoretical basis for the analysis of the fluid flow in the weld pool during pulsed laser welding of thin Hastelloy C-276 alloy.

pulsed laser process; Marangoni convection; numerical simulation; temperature field

1000-8608(2014)01-0049-05

2013-01-09；

: 2013-11-27．

“九七三”国家重点基础研究发展计划资助项目(2009CB724307)；国家自然科学基金资助项目(51175061).

吴东江*(1964-)，男，教授，博士生导师，E-mail:djwudut@dlut.edu.cn.

TN249;TG456.7

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