常压/真空环境激光焊接焊缝成形特性及残余应力与变形对比

2022-09-28张国滨姜梦陈曦陈奥雷正龙陈彦宾

焊接学报 2022年8期

张国滨，姜梦，陈曦，陈奥，雷正龙，陈彦宾

(哈尔滨工业大学,先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001)

0 序言

激光和电子束作为高能束焊接热源，在中厚板焊接方面具有显著优势.激光由于适合柔性加工、加工效率高等特点在近年来备受关注，但是一般情况下，激光焊接无论在熔透深度还是在焊接质量方面较电子束焊接均存在差距[1].随着大功率激光器的快速发展，目前可供激光焊接使用的万瓦级固体激光器已经出现超过10 年，而且近几年十万瓦级别的激光器已经在售[2].但大功率激光焊接普遍存在焊接过程不稳定、焊接缺陷频发等问题，目前中厚板焊接仍多采用多层多道焊接[3-5]，大功率激光全熔透焊接在中厚板焊接方面应用不多.因此，如何实现中厚板单道高质量全熔透焊接是高功率激光焊接推广应用的一个主要难题.

为改善高功率激光焊接的焊接质量，国内外学者研究了许多解决方法，例如附加辅助磁场[6-8]、摆动光束焊接[9-11]、优化保护气体[12]、采用横焊[13]、采用激光-电弧复合热源[14]等，但以上方法的改善效果均十分有限.目前国内外学者普遍认为真空激光焊接是解决高功率激光焊接应用瓶颈的有效手段.真空激光焊接的概念最早由日本大阪大学接合科学研究所(JWRI) Arata 教授提出，距今已经有超过30 多年的历史[15].当时，此新概念的提出是为了抑制高功率CO2激光焊接严重的等离子体.当时的研究发现：真空环境不仅可以抑制等离子体，还可以显著增加熔深.但由于20 世纪90 年代激光焊接技术刚处于起步阶段，在很长一段时间内，真空激光焊接技术没有引起广泛关注.2001 年大阪大学接合科学研究所的Katayama 等人[16]研究了真空环境对于激光焊接缺陷的改善效果.2010 年以后，随着大功率固体激光器的出现，真空激光焊接受到了越来越多的关注.德国亚琛工业大学的学者Reisgen 等人[17]对比了相同热输入下电子束和真空激光焊接的熔深.德国布伦瑞克工业大学的学者Börner 等人[18]研究了环境压力对焊接飞溅的影响规律.国内学者研究了环境压力对焊缝成形、羽辉行为、匙孔行为和熔池行为的影响规律[19-20].

目前在真空激光焊接技术领域，国内外虽然开展了一些研究，但仍主要集中在平板堆焊条件下环境压力对焊缝成形和焊接热物理过程变化的影响规律，鲜有关于采用真空激光焊接技术进行中厚板全熔透焊接的研究，更缺乏对常压和真空环境就激光焊接残余应力和变形的对比研究.文中采用工艺试验和有限元数值模拟相结合的方法，对比研究了常压和真空环境下中厚板全熔透激光焊接焊缝成形、残余应力和变形的差异，以展现真空激光焊接在中厚板全熔透焊接上的优势.

1 试验方法

1.1 工艺方案

为开展真空激光焊接试验研究，在常规大功率激光焊接系统基础上，自行设计并制造了小型真空舱室，形成真空激光焊接系统.采用的激光器为IPG YLS-10000，其最大输出功率10 000 W，波长为1 070 nm.采用的激光头聚焦距离460 mm，理论光斑直径为0.46 mm.真空室上方设置了激光耦合窗口，激光通过耦合窗口进入真空室，同时真空室内安装了一维数控运动平台，依靠平台移动完成焊接过程.真空室配备机械泵和罗茨泵两级泵组，可以快速实现0.1～ 101 kPa(常压环境压力) 范围内任意设置环境压力.

使用的材料为在中厚板结构应用广泛的Q690高强钢，其化学成分如表1 所示.试验采用的两个焊接试板尺寸均为150 mm×200 mm×10 mm，形成300 mm×200 mm×10 mm 的焊接工件.焊前采用机械打磨的方式对材料表面进行了清理.首先在平板对接条件下进行了工艺试验，获得环境压力对焊缝熔深的影响规律，然后针对10 mm 厚Q690 高强钢分别在常压和真空环境下进行了对接全熔透工艺试验.

表1 Q690 高强钢材料化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of Q690 high-strength steel

1.2 数值模型

1.2.1 有限元模型及网格划分

为对比研究常压和真空环境下全熔透激光焊接的残余应力与变形，通过有限元软件建立了对接试样1∶1 模型，由于两个试板尺寸均为150 mm ×200 mm×10 mm，因此模型整体尺寸为300 mm ×200 mm×10 mm.网格划分采用C3D8T 温度-位移耦合六面体单元，焊缝位置处划分为加密网格，向外过渡到母材部分划分为稀疏网格，以降低计算成本.建立模型的网格划分情况如图1 所示，共257 000 个网格单元.

图1 有限元模型网格划分(mm)Fig.1 Meshing of the finite element model

1.2.2 材料属性与边界条件

不同环境压力下，焊件换热方式有所区别：常压环境下，设置为对流换热与辐射换热，对流换热系数设置为12 W/(m2·℃)，材料表面辐射率设置为0.35，环境温度为20 ℃；真空环境下对流换热可以被忽略，因此换热方式仅有辐射换热，辐射率设置为0.35，环境温度为20 ℃.两种环境压力下对流换热、辐射换热符合公式[21]

式中：P为激光总功率；h为对流换热系数；n为工件外表面法向量；T,T0分别为工件表面和周围环境温度；ε为材料的辐射率；σ为Stefan-Boltzmann 常数，恒等于5.67×10-8W/(m2·K4).

工件夹持方式为四角夹持固定，并在冷却10 000 s后释放.模拟计算过程中采用的Q690 高强钢热物性参数参考文献[22-23].

1.2.3 热源模型

常压环境下，激光作用于材料表面产生强烈光致等离子体，对材料吸收激光能量的程度造成影响，因此，采用Gauss 面热源模拟匙孔表面等离子体，钉子形体热源模拟激光热源.采用的面热源能量密度表达式为

式中：qm是面热源的最大热流密度；a为材料对能量的吸收率；Qs为面热源功率；r为面热源任意一点到热源中心的距离；rs为面热源的作用半径.钉子形体热源的任一水平截面上的能量密度表示为

真空环境下，由于等离子体被有效抑制，等离子体对激光能量吸收的干扰可以忽略不计，故采用锥形体热源模拟真空环境激光热源.锥形体热源的任一水平截面上的能量密度表示为

2 结果与讨论

2.1 常压/真空中厚板激光焊接焊缝成形特性

目前国内外普遍认为降低环境压力可以显著提高激光焊接的熔深[16-17,24].为验证这一现象，文中在激光功率为8 kW，焊接速度为1 m/min 的条件下，研究了环境压力变化对激光焊接熔深和表面成形的影响规律.如图2 所示，随着环境压力的降低，焊缝横截面的熔深显著增加，熔宽显著降低，深宽比明显增大，在真空下获得的焊接接头展现出了与电子束焊接极其类似的形状.熔深的增加与环境压力降低后沸点降低、羽辉行为抑制和反冲压力变化等因素相关.在常压环境下，激光焊接的熔深为7.16 mm，而1 和0.1 kPa 下的熔深为16 mm 左右.相同热输入的条件下，环境压力为1 kPa 时可以得到常压环境下2 倍以上的熔深，并且从环境压力对熔深的影响规律可以看出：存在1 kPa 这一临界环境压力，当环境压力低于这一临界环境压力，熔深几乎不再增加.因此之后的真空环境下激光焊接试验与数值模拟在0.1～ 1 kPa 范围内的环境压力下进行.

图2 环境压力对焊缝横截面及熔深的影响规律Fig.2 Effect of ambient pressure on weld cross section and penetration depth under different atmospheric pressures

中厚板大功率激光全熔透焊接存在焊接缺陷频发、工艺区间窄等问题[25]，而真空激光焊接可以显著改善这一系列问题.为凸显真空激光焊接在中厚板全熔透焊接的优势，文中分别在常压和0.1 kPa真空环境下开展了10 mm 厚Q690 高强钢全熔透焊接的对比试验.经工艺优化发现，常压环境下，只有在激光功率为10 kW、焊接速度为1.5 m/min 的一个很窄的工艺区间内时，才可以获得背部无焊瘤的焊接接头，如图3 所示，焊缝正面仍存在些许下榻.在同样的焊接速度下，真空环境下获得的焊缝横截面如图3 所示.由于真空环境对焊缝熔深的增加效果，因此只需6 kW 的激光功率即可获得一个焊接质量较好的全熔透接头.通过对不同环境压力下全熔透激光焊接的研究，可以证实：低真空环境下可以显著改善全熔透接头的成形质量，并明显降低热输入.

图3 常压和真空下10 mm 高强钢全熔透焊缝横截面对比Fig.3 Comparison of the cross section of fullpenetration high-strength steel welds obtained at different ambient pressures.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

2.2 常压/真空中厚板激光焊接残余应力与变形

2.2.1 模型验证与温度场分布

为校验有限元模型的准确性，分别对常压和真空环境下试验和数值模拟获得的焊缝横截面进行对比(图4).图4a,4b 中不同颜色对应图例中不同温度，灰色标记的区域为温度大于液相线温度(1 520 ℃)的区域，即为焊缝横截面.数值模拟获得的常压和真空环境下焊缝上熔宽分别为4.00,2.44 mm，而试验获得的实际结果为4.10,2.69 mm.对比试验和模拟获得的焊缝横截面可以发现，数值模拟所获得的结果无论是焊缝形状还是焊缝尺寸均与试验结果具有良好的对应，这证实了文中采用数值模型的准确性.

图4 数值计算与试验获得的焊缝截面对比Fig.4 Comparison of the numerically calculated and experimentally observed weld cross section.(a) numerical result at atmospheric pressure;(b) numerical result at vacuum; (c) experimental result at atmospheric pressure; (d) experimental result at vacuum

图5 为数值模拟获得的常压和真空下熔池上表面温度场分布情况.由图5a 可以看出，常压环境下激光焊接熔池略呈现典型的“前端宽，后端窄”的“彗星拖尾形状”[26]，而真空环境下激光焊接熔池则呈现均匀椭圆状.在熔池长度上，相比于常压环境的9 mm，低真空环境的6 mm 减小了约33%.由于焊接参数和环境氛围的综合作用，低真空下的熔池长度更短，宽度更窄.

图5 数值模拟的温度场分布Fig.5 Numerically calculated temperature fields.(a)atmospheric pressure; (b) vacuum

2.2.2 纵向残余应力

图6 给出了常压和真空下数值模拟的工件上表面纵向残余应力分布云图.由图可知，两种环境压力下得到的纵向残余应力分布规律基本一致，均呈现“接头拉、母材压”的分布，但是在分布水平上存在差异.在激光焊接过程中，高能量密度激光束使得金属材料熔化，熔池后端金属凝固结晶后，金属冷却收缩，受到沿焊接方向结构的拉伸应力，随着冷却时间增加，拉伸应力值不断变大，最终形成一定水平的残余拉应力，同时焊接接头外的母材区域均呈现残余压应力分布，使得工件整体应力分布均匀.常压环境下工件上表面纵向残余拉应力峰值约为500 MPa，真空环境下约为250 MPa；常压环境下残余拉应力分布区域宽度最大值约为17 mm，真空环境约为9 mm.相比于常压环境，真空环境下得到的工件在焊接接头处残余拉应力水平显著降低，分布区域显著变窄.

图6 试件上表面纵向残余应力分布Fig.6 Longitudinal residual stress distribution on the top surface of the samples.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

为了观察试样内部残余拉应力分布情况，提取了焊缝方向距试验起点100 mm 处横截面的纵向残余应力分布.图7 即为该横截面上常压和真空环境下激光焊接接头区域纵向残余应力分布对比云图模拟结果.由图可知，无论是常压还是真空环境，纵向残余应力峰值均存在于焊接接头内部，但是常压环境下纵向残余应力峰值位于熔合线附近，而低真空环境下位于焊缝内部中心处.对于纵向残余应力，两种环境压力下在横截面上均呈相对焊缝中心的对称分布.常压环境下的应力水平明显高于真空环境，同时在焊缝区域，常压环境下纵向残余应力峰值约为800 MPa，而真空环境下纵向残余应力峰值约为700 MPa；相比于试样上表面的应力分布，横截面分布云图更直观精确地体现了二者在纵向残余拉应力分布区域宽度上的差异：在焊接接头最上侧，相比于常压环境，真空环境下纵向残余拉应力分布宽度最大减小约74%；在焊接接头最下侧，相比于常压环境，低真空环境下纵向残余拉应力分布宽度最大减小约77%，上下侧减小幅度近似.

图7 焊缝横截面纵向残余应力分布Fig.7 Longitudinal residual stress distribution on the weld cross section.(a) atmospheric pressure; (b)vacuum

为更加直观呈现常压和真空环境下工件外表面纵向残余应力分布情况，对图7 所示横截面上表面不同位置纵向应力分布数值进行了提取，沿垂直于焊缝方向提取绘图路径，结果如图8.图中红色点线代表真空环境，蓝色点线代表常压环境.由图可知，常压环境下，距离焊缝中心线-6～ 6 mm 区间，是峰值纵向残余拉应力分布区间，最大值可达573 MPa，同时向外延伸，距离焊接接头很远的母材处残余压应力水平约为40 MPa；真空环境下，距离焊缝中心线 ± 2 mm 区间，是峰值纵向残余拉应力分布区间，最大值达到371 MPa，向外延伸，距离焊接接头很远的母材处，呈现约20 MPa 的残余压应力.

图8 距离焊缝中心不同位置的纵向残余应力Fig.8 Variation of longitudinal residual stress at different positions from the center of the weld

综上所述，数值模拟结果显示真空环境下工件的纵向残余拉应力、压应力分布水平及峰值均低于常压环境，且拉应力作用范围更窄.

2.2.3 横向残余应力

图9 给出了常压和真空环境下激光全熔透焊接工件上表面横向残余应力分布结果.由图可知，与纵向残余应力分布相似，两种环境下的横向残余应力分布规律基本一致，均呈现“接头压，母材拉”的规律，但在应力水平上也存在差异.焊接接头区域呈现残余压应力分布，在焊缝处达到最大值，从焊接接头向外，在邻近区域呈现沿焊缝长度方向分布的残余拉应力；常压下拉应力水平显著高于真空，前者峰值约为400 MPa，而后者仅约为100 MPa，相比于常压，真空下横向残余拉应力峰值降低了约75%；在焊缝中心处，常压下横向残余压应力峰值约为250 MPa，而真空下可达到约500 MPa.

图9 试件上表面横向残余应力分布Fig.9 Transverse residual stress distribution on the top surface of the samples.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

依照纵向残余应力在焊接接头内部出现峰值的规律，图10 给出了与图7 相应的焊缝横截面横向残余应力分布.由图可知，常压下横向残余拉应力水平显著高于真空.两种环境下横向残余拉应力峰值分布均呈现“中心+四角”5 点分布现象，以5 点为中心，划分为5 个高拉应力区域，常压5 个区域清晰可见，但真空下仅有中心区域拉应力分布明显，而4 个角落区域则水平不高，分布不明显，即便如此，两种环境下5 点分布宽度几乎一致，均约为20 mm；无论是常压还是真空，焊缝内部中心处均存在横向残余拉应力峰值，且峰值近似，约为300 MPa，焊接接头外，常压呈现约为180 MPa 的拉应力分布，而真空呈现约为200 MPa 的压应力分布，可以推断出真空下在焊接接头内部及邻近区域，残余拉应力分布仅限于焊缝内部中心，而常压下拉应力分布区域覆盖整个焊接接头区域以及邻近区域.

图10 焊缝横截面横向残余应力分布Fig.10 Transverse residual stress distribution on the weld cross section.(a) atmospheric pressure;(b) vacuum

提取图10 中焊缝横截面上表面横向残余应力数值，如图11 所示，直观地体现出两种环境压力下“接头压、母材拉”的残余应力分布情况.由图可知，在距离焊缝中心线约 ± 4 mm 区间内，常压下残余压应力峰值为170 MPa，延伸至距焊缝中心线7 mm 处，残余拉应力水平达到最大值255 MPa；在距离焊缝中心线约 ± 2 mm 区间内，真空下残余压应力水平峰值达到460 MPa，向外延伸4 mm 达到峰值残余拉应力，约为70 MPa.因此，相比于常压，真空下残余拉应力峰值降低了约72%，残余压应力峰值增大了约170%；母材区域中，常压下的残余拉应力水平较高，距离焊缝中心线越远，值越低，从距离焊缝中心线6 mm 处的255 MPa 下降至30 mm处的57 MPa，而真空则可以忽略母材部位的残余拉应力分布.结果表明，焊接接头处，尤其是焊缝区域，真空下横向残余压应力水平远高于常压，在接头外母材区域，常压下分布着更高更显著的残余拉应力.

图11 距离焊缝中心不同位置的横向残余应力Fig.11 Variation of transverse residual stress at different positions from the center of the weld

2.2.4 变形

焊接变形的存在直接影响到工件的服役和使用性能，因此文中也针对常压和真空环境下的中厚板全熔透焊接变形进行了数值模拟研究.焊后经冷却后，常压环境和真空环境下工件的变形云图分布如图12 所示.两种环境下工件均呈现中间收缩下凹、向外延伸变形逐渐减小、直到边缘处减小为零的变形分布规律，但是在变形程度上存在差异：相较于常压环境，真空环境下激光焊接能量输入更为集中，焊缝宽度更窄，沿厚度方向热分布更均匀，因此得到的工件整体外观变形趋势更小；常压环境下，焊接接头区域收缩下凹变形最大值约为0.9 mm，而真空环境约为0.7 mm，降低了约22%.因此，相较常压环境，真空环境下激光全熔透焊接得到的工件整体变形量更小.

图12 外观变形云图Fig.12 Calculated deformation distribution.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

由于厚板本身对激光全熔透焊接产生的纵向收缩有着很大的约束作用，因此，在两种环境压力下对应的工件纵向收缩量很小，可以忽略不计，因此采用横向收缩量对两种环境压力下工件变形程度进行对比分析.

在距离焊缝中心线2.5 mm 处沿焊接方向取一路径，并作出此路径上两种环境压力下工件横向收缩模拟对比曲线，如图13 所示，通过计算可得，在工件上表面，常压环境下横向收缩量平均值约为0.110 mm，真空环境下约为0.049 mm；在工件下表面，常压环境下横向收缩量平均值约为0.068 mm，真空环境下约为0.005 mm.相对于常压环境，真空环境下工件上下表面的横向收缩量分别减小约55%和93%.由于工件上表面焊缝宽度大于下表面，因此在两种环境压力下，工件上表面的横向收缩量均大于下表面；同时，由于常压环境下焊接热输入远大于真空环境，因此无论在工件的上表面还是下表面，常压环境下的横向收缩量均远大于真空环境，甚至常压环境下工件下表面的横向收缩量大于真空环境下工件上表面的横向收缩量.因此，可以进一步证明：相比于常压环境，真空环境下激光全熔透焊接得到的工件变形程度更小.