铝合金激光焊气孔数值模拟

黄立进，刘 鹏，朱 苏，陈 强，华学明

(1.上海交通大学，上海 200240；2.上海船舶工艺研究所，上海 200032)

0 引 言

5083铝合金由于比强度高以及耐腐蚀性和低温性能优，在LNG运输船制造中得到了广泛应用[1]。为提高焊接效率和降低生产成本，具有较高的能量密度、较低的热输入和较大的熔深等优点的激光焊受到人们的青睐。在铝合金激光焊接过程中，铝合金散热快、熔点低，表面张力和黏度较低，易产生气孔缺陷，造成较大的应力集中，这将大幅削弱焊接接头强度[2]。在铝合金激光焊接过程中有冶金型和匙孔型两类气孔。冶金型气孔的产生机理是在激光焊接过程中，熔池发生冶金反应和温度变化，使气体的溶解度发生变化，析出H2、CO和N2等不溶于熔池的气体，此类气泡一般为小尺寸圆球状，其机理已为研究者们所熟知。匙孔型气孔是激光焊接中独特的缺陷，其产生机理与冶金型气孔不同，形成机理尚存在争议，目前普遍认为匙孔型气孔的形成过程与熔池中液态金属的流动和匙孔的不稳定性引起的匙孔坍塌有密切关系[3]。MATSUNAWA等[4]通过X射线高速摄影设备观察5083铝合金激光焊接过程中的匙孔型气孔的形成过程，提出匙孔前壁受到激光辐射后引起金属蒸气剧烈蒸发，导致后壁凹陷和失稳闭合。KAWAGUCHI等[5]采用X射线成像系统观察激光焊匙孔的变化，提出匙孔可被看作细长的圆柱形或圆锥形，当匙孔深度远大于匙孔的截面圆周长时，匙孔稳定性降低，易发生颈缩现象，颈缩处继续被激光作用，蒸发反作用力将使颈缩扩大，匙孔在径向位置处于不断振动的状态，随着激光继续辐射，匙孔底部则从颈缩处分离形成气泡。

激光焊试验观测手段存在较大的局限性，匙孔行为一直动态变化，匙孔和熔池本身尺寸小，焊接过程伴随着强光辐射和强热辐射，无法直接清晰地观测激光焊过程中匙孔行为的动态变化，同时与匙孔型气孔密切相关的温度场、流动模式和传热无法通过试验获得。为解决这个问题，国内外学者们越来越关注数值模拟方法[6]。PANG等[7]建立传热、流体流动和匙孔自由表面演化的耦合三维数值模型，研究匙孔稳定性机理，发现匙孔深度的变化可定性地反映气孔敏感性。然而，该模型没有模拟气孔的形成过程。LU等[8]耦合流体流动、气泡运动模型与凝固相变模型，提出用三维瞬态模型模拟4 mm厚钢激光焊匙孔型气孔形成，提出气孔数主要取决于匙孔坍塌的频率。目前来说，国内外在气孔模拟方面的研究与文献较少，而且主要集中于薄板模拟，厚度超过10 mm的铝合金模拟国内外鲜有文献记载，关于厚板气孔的问题及其所涉及的内在机理有待进一步研究。因此，通过模拟手段研究激光焊接中气孔产生的原因，进而达到优化焊接工艺以减少和避免气孔产生的目标，对于铝合金激光焊的推广应用具有十分重要的意义。

综合考虑激光焊接过程中激光、热、力和等离子体等，采用高斯分布的热源模型，引入FLOW-3D自带的气泡模型，考虑激光菲涅耳吸收和多重反射，建立三维数值模型，研究铝合金激光焊匙孔的形成、熔池流动和匙孔坍塌，阐明匙孔型气孔的形成机理。

1 试验材料和过程

所采用的试验焊接材料为10 mm的5083铝合金，材料的热物理性质如表1所示，试验装置如图1所示。试验使用的焊接机器人为KUKA KR60HA，激光器为IPG公司生产的YLS-10000光纤激光器，400 mm的透镜聚焦在半径为0.36 mm的光斑上。焊接前先用不锈钢钢丝刷打磨焊接位置去除氧化膜，后采用丙酮擦拭5083铝合金表面，去除切削液、油污和灰尘。在试验中，激光束沿焊接前进方向后倾8°，离焦量为0 mm，20 L/min的99.99%的氩气用作保护气体，喷嘴放置在垂直位置，典型倾斜度为45°。气孔机理分析所采用激光的功率为6.5 kW、焊接速度为3 m/min。高速摄像机用于观察熔匙孔形成，将带有808 nm的带通滤波片放置在摄像机镜头前方，使用波长为640 nm的低功率激光辅助光作为背光源照射焊接区域，获得清晰的图像。焊接过程以5 000 fps的频率记录。

表1 5083铝合金的热物理材料特性

图1 试验装置图

在焊接完毕后，首先使用金相切割机进行横截面和纵截面切割取样，依次用砂纸从180倍磨至2 000倍，然后使用研磨膏进行粗抛光和精抛光，在超声波中用丙酮清洗20 min，再用蘸有无水乙醇的棉球对试样表面进行擦拭，使用体积分数为10%的氢氟酸对其进行腐蚀，最后使用Zeiss Stemi 2000体式显微镜观察其横断面和纵截面。

2 数学模型

建模过程假设如下：

(1) 假设液态金属为牛顿、线性和不可压缩流体；

(2) 忽略保护气体对焊接过程的影响；

(3) 激光束热源模型呈高斯分布。

2.1 激光热源模型

激光热源被视为高斯型轴对称分布，可描述为

(1)

式中：q为热密度函数；Q为激光束中心热密度值；r为径向坐标；rb为聚焦平面处激光束半径。

在FLOW-3D中使用射线追踪技术实现实时多重反射。如图1所示，入射光线的一部分能量通过菲涅尔效应被匙孔吸收，其余部分被反射。菲涅尔吸收率和第n次反射后的吸收能量计算公式[9]为

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：φ(n)为第n次反射时入射光束与材料表面法向量的夹角；ε为材料和激光种类的相关系数，其值由激光束和材料等因素共同决定。

2.2 驱动力模型

匙孔的动态变化是激光焊匙孔壁上表面张力与蒸发反作用力等力的动态平衡的结果。匙孔形成的主要驱动力是蒸发反作用力。蒸发反作用力计算公式为

(4)

熔池中的浮力为

Fb=ρgβ(T-T1)

(5)

式中：ρ为液态金属密度；g为包括重力在内的体积力加速度；β为熔体的热膨胀系数；T1为熔体周围温度。

2.3 气泡模型

引入气泡模型模拟激光焊过程中的气泡产生和迁移过程。气泡内气体的状态为

P=(γ-1)ρ1Cp,vapT2

(6)

式中：P为气泡内压力；γ为气泡内气体的比热系数；ρ1为气泡内气体密度；Cp,vap为蒸气的恒压热容；T2为气泡内蒸气的温度。

当匙孔内的气体在熔池中形成气泡时，其运动公式为

(7)

式中：V为流体流速；Vb为气泡迁移速率；ρb为气泡内气体的密度；δ为流体与气泡之间的拖曳系数，可用流体雷诺数的函数表示为

(8)

式中：d为气泡平均直径。

2.4 边界条件

控制方程计算域的边界条件包括能量和压力边界条件。

2.4.1 能量边界条件

对于顶部自由表面，考虑对流、辐射和蒸发，可表示为

(9)

式中：k为导热系数；hc为热传导系数；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数；λ为辐射散热系数；qlaser为吸收的激光能量。

在材料的其他表面上也存在着热平衡，可表示为

(10)

2.4.2 压力边界条件

顶部自由表面的压力边界为

(11)

式中：μ为液态金属的动态黏度；p为流体动压；Vn为法向速度矢量；n为自由表面的法线；R为曲面曲率半径。

3 结果与讨论

3.1 匙孔形成过程与熔池流场

图2所示为5083铝合金激光焊接过程中匙孔的形成模拟和试验图。在激光辐射至材料表面时，母材开始熔化和蒸发。受蒸发引起的反冲压力的影响，在焊接开始时形成凹陷，熔融金属被推出凹陷，如图2(a)和图2(d)所示。随着焊接时间的增加，越来越多的熔融金属向上挤压到熔池上表面，匙孔形成，如图2(b)和图2(e)所示。随着焊接时间的延长，熔池的宽度和长度逐渐变大，如图2(c)和图2(f)所示。对比图2(a)和图2(b)，形成匙孔后的熔池的对流不同于匙孔形成前的对流。

图2 5083铝合金激光焊匙孔形成过程

5083铝合金激光焊熔池流动情况如图3所示。在匙孔后壁上，熔池上部的熔融金属沿着匙孔壁向下流动，而熔池底部的熔融金属受到表面张力、蒸发反作用力和重力等的综合作用，沿熔合线向上流动，最后在熔池里形成了顺时针的涡流，这种流动方式有助于将熔融金属和能量输送至熔池后部。匙孔前壁处的熔融金属沿前沿方向向下流动。匙孔周围的流动比熔池其他部分的流动更为剧烈。

3.2 气孔形成机理

图4所示为5083铝合金激光焊匙孔坍塌过程的模拟和试验图。当激光束照射匙孔时，一部分能量被吸收后产生局部蒸发，熔池里形成了顺时针涡流，熔池中上部的液态金属具有向前运动的趋势，在匙孔后壁处形成了大的凸起，如图4(a)和图4(d)所示。在顺时针涡流的影响下，凸起继续向匙孔前壁处流动，匙孔后壁与匙孔前壁接触形成液桥而导致匙孔发生坍塌，如图4(b)和图4(e)所示。受多重反射的影响，随着焊接过程的继续，蒸发反作用力增加，当液态金属的表面张力小于蒸发反作用力时，匙孔坍塌后打开，如图4(c)和图4(f)所示。

图3 5083铝合金激光焊熔池流场

图4 5083铝合金激光焊匙孔的坍塌过程

图5所示为5083铝合金激光焊气泡的逃逸过程，当气泡在熔池内运动时，气泡的形状一直在不断变化，但其尺寸仍然保持相似，表明其内部与外部压力基本平衡。在匙孔重新打开前，形成的封闭空间随顺时针涡流的带动进入熔池，形成气泡。在t=0.320 s时，在熔池底部形成气泡1；在t=0.380 s时，气泡1流至熔池中部；在t=0.400 s时，在顺时针涡流的带动下，气泡1运动至熔池表面；在t=0.415 s时，气泡1从熔池中逸出，未被凝固界面捕捉形成气孔。气泡生成后可能最终不会变成气孔，如逃逸出熔池。

图6所示为铝合金激光焊中气泡被凝固界面捕捉形成气孔的过程。在t=0.205 s时，形成封闭空间；在t=0.230 s时，在底部形成气泡2，此时气泡的运动不再受蒸发反作用力的影响，在强烈的顺时针涡流带动下，流向熔池后部；在t=0.290 s时，气泡2被凝固界面完全捕捉。在铝合金激光焊接过程中，气孔的形成机理可被概括为匙孔坍塌后的封闭空间形成气泡和气泡不从熔池表面逃逸且被凝固界面所捕获。

图6 铝合金激光焊气孔形成过程

3.3 模型验证

图2和图4分别表示5083铝合金激光焊匙孔的形成过程和坍塌过程，结果表明，匙孔的形成和坍塌机理在数值模拟与试验中是相似的，说明模拟与试验结果一致。

图7所示为模拟与试验获得的焊缝横截面结果比较。在5083铝合金激光焊中，模拟和试验得到的半焊缝宽度分别为2.25 mm和2.36 mm，如图7(c)所示。模拟与试验的半焊缝宽度相差较小，说明模拟的焊缝几何尺寸与试验结果吻合较好。

试验和模拟结果的平均气孔尺寸和数量如图7(d)所示。统计铝合金激光焊中模拟与试验得到的匙孔型气孔，平均气孔尺寸分别为1.46 mm和1.53 mm。 将焊缝长度折算成20 mm后，将气孔数的试验结果与模拟结果进行比较，模拟与试验的气孔数量分别为1.69个和1.86个。可以看出，试验与模拟的平均气孔尺寸和数量吻合良好。总之，本文建立的三维数值模型可用于阐述铝合金激光焊中匙孔型气孔的形成机理。

4 结 论

建立三维数值模型研究5083铝合金激光焊接匙孔的动态行为、熔池对流和气孔形成机理，基于数值和试验结果，得出结论如下：

(1) 在匙孔后壁上，熔融金属受表面张力和蒸发反作用力等力的影响，匙孔后部存在顺时针流动的模式，匙孔周围的流动比熔池其他部分的流动更剧烈。

(2) 匙孔坍塌的3个因素是匙孔后壁处形成凸起，凸起在顺时针涡流的影响下向匙孔前壁处流动和匙孔后壁与匙孔的前壁接触后形成液桥。

图7 模拟与试验结果比较

(3) 气孔形成的机理为匙孔坍塌后的封闭空间形成气泡和气泡不从熔池表面逃逸且被凝固界面所捕获。