1、热输入对 2219 铝合金激光镜像焊接匙孔动态特征的影响刘源，李悦，王建峰，王磊磊，占小红(南京航空航天大学,南京,211106)摘要：针对 2219 铝合金激光镜像焊接过程，建立激光镜像焊接过程热-流耦合模型，对匙孔动态特征进行定量求解与分析.结果表明在激光镜像焊接过程中，两侧匙孔迅速耦合并保持小幅度波动.匙孔耦合前，两侧匙孔横截面面积差异较小，最多相差仅 0.35 mm2；匙孔耦合后，匙孔横截面面积持续增加，并于 120 ms 后在一定范围内波动.热输入的增加会导致匙孔的耦合程度增大，并提高匙孔稳定性，其中激光功率对匙孔耦合区域影响较大，焊接速度对匙孔开口面积影响较大，基于上述规律总结出针
2、对 6 mm 厚 2219 铝合金镜像焊接试验的优化焊接工艺窗口.创新点：(1)采用一种新型激光焊接工艺激光镜像焊接.(2)使用模拟软件对焊接过程中的匙孔动态特征进行模拟.(3)探究了不同热输入方式对匙孔动态特征的影响.关键词：激光镜像焊接；匙孔稳定性；铝合金；数值模拟；热输入中图分类号：TG456.7文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202208020030序言2219 铝合金由于其具有低密度、高比强度等特点，已大量应用于航天领域1-3.为满足航空航天领域轻质、高强的需求，采用激光焊接技术代替传统的电弧焊接工艺.相较于传统的电弧焊接工艺，激光焊接速度更快、效率更高4.目前
3、的激光焊接主要通过一侧施加激光热输入实现平板对接结构的连接，但激光焊接对间隙精度要求高，桥接能力较差，难以适用于中厚板铝合金的焊接.此外，单侧焊接需要采用相对较高的热输入，导致匙孔波动程度加剧，构件变形较大，进而影响接头质量.中厚度板材激光焊接过程中的匙孔行为难以直观地观察，通常可采用数值模拟的方式进行研究.张聃5针对激光-电弧复合焊接开展仿真研究，探明了复合焊接熔池与匙孔的演变过程，并深入地研究了激光功率、焊接电流及焊接速度对熔池流动和匙孔行为的影响.梁融6考虑了激光焊接过程中“小孔”行为对焊缝成形的影响，开发了相关焊接热流固耦合数值模拟方法.通过与实验结果的对比，该模型能够很好地预测焊缝背
4、面形貌.Jahn 等人7基于激光焊接过程建立了数值模型，证明了多域方法与有限元方法相结合的灵活性.采用基于匙孔壁面能量平衡的解析方法计算了匙孔的形状，采用多域方法，解决了包含两个不连续点的耦合问题.彭根琛8通过建立三维热流耦合模型的方法研究了真空度对铝合金激光焊接匙孔动态行为的影响.研究结果表明，随着真空度的提高，匙孔的开口尺寸增大，匙孔内壁上的凸起减少，材料沸点将会有所降低，金属的蒸发行为更加活跃，产生更大的反冲压力，提高匙孔稳定性.占小红等人9提出激光镜像焊接方法，并对铝合金中厚板进行了焊接实验，研究发现匙孔在焊接过程中具有明显的波动，结合熔池上方等离子体/金属蒸气的波动行为，可以得到匙孔
5、开口波动与等离子体/金属蒸气波动呈正相关.通过上述国内外学者的研究可以发现，针对中厚度铝合金，可以采用镜像焊接的方式进行连接.镜像激光焊接技术不仅具有单激光束焊接的优收稿日期：20220802基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(NS2022062)、南京航空航天大学引进人才科研启动基金资助第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):103 110June 2023点10-12，并且可以通过双侧热源造成的变形相互抵消，实现构件“零变形”，可以有效提升焊接质量.目前针对
6、热输入对 2219 铝合金激光镜像焊接匙孔动态特征的影响机理尚不明确文中以面向航空航天大型结构需求的 2219 铝合金中厚板连接技术为研究背景，开展 2219 铝合金对接结构激光镜像焊接工艺与仿真研究.同时，对比不同焊接工艺参数对匙孔行为的影响及机理研究.研究结果为激光镜像焊接工艺在航空航天领域的应用奠定理论基础.1试验方法采 用 尺 寸 为 100 mm 50 mm 6 mm 的2219 铝合金材料进行激光镜像焊接试验，其热处理状态为 T87 态，化学成分如表 1 所示13.表 1 2219 铝合金化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of 221
7、9 aluminum alloy CuMnTiZrVFeSiAl5.6 6.80.2 0.40.10.250.150.30.2余量 激光镜像焊接技术是指在工件两侧以镜像形式控制双热源同步运动的技术.试验所采用的激光镜像焊接如图 1 所示，包含两个镜像对称激光焊接头、两台 KUKA 高精度六轴机器人、龙门系统、TruDisk-12003 万瓦级碟片式激光器及分光器.激光器可通过分光器实现激光“一分为二”，并采用两台 KUKA 机器人实现对接结构的镜像焊接.此外，焊接过程使用高速摄像对焊接过程匙孔行为进行动态监测，采集周期为 50 ms.试验所采用的激光镜像焊接工艺参数如表 2 所示.表 2 激光
8、镜像焊接工艺参数Table 2 The process parameters of laser mirror welding 序号激光功率P/kW焊接速度v/(mmin1)焊接热输入E/(Jcm1)132.3782.67232.1857.1433.52.3913.12 2热流耦合模型的建立 2.1 物理模型考虑到焊接全过程的仿真难度，文中将模型简化为 20 mm 20 mm 18 mm，其中 2219 铝合金及其两侧的气相所对应的模型尺寸均为 20 mm 20 mm 6 mm.在对这 3 个区域进行网格划分时，通过细化焊接区域的网格，保证计算结果更准确、效率更高.优化区域的网格尺寸为 0.15
9、 mm，而其他区域网格的尺寸为 0.3 mm，并确保各区域之间的网格能够进行平滑过渡，模型如图 2 所示.2.2 焊接过程受力分析2219 铝合金激光镜像焊接物理过程主要包含熔化、汽化和凝固 3 个物理过程.对激光镜像焊接熔化过程的受力情况进行分析，如图 3 所示.激光加热金属，使其瞬间达到熔融态，熔池内部存在着粘性力、热浮力和重力的相互作用.其中，熔池内部 保护气保护气高速摄像龙门系统KUKA 机器人激光头激光头重力方向匙孔激光束熔池焊接方向匙孔激光束激光束熔池焊接方向(a)激光镜像焊接设备图(b)激光镜像焊接原理图(c)激光镜像焊接剖面图 图 1 激光镜像焊接示意图Fig.1 Schema
10、tic of laser mirror welding.(a)theequipment of laser mirror welding;(b)schematicdiagram of laser mirror welding;(c)sectionaldrawing of laser mirror welding104焊 接 学 报第44卷金属的对流形成粘性力，热浮力的大小取决于熔池温度以及该温度下的金属热物理性能.在熔池边缘存在着未熔化金属引起的拖拽力.在熔池的表面也存在着复杂的受力情况，包括熔池表面的表面张力、匙孔波动产生的反冲压力以及激光束作用产生的冲击力.2.3 热源模型激光镜像焊接过程存
11、在着两个对称的激光热源，分别对金属两侧进行加热熔化.由于金属蒸发而形成匙孔，在熔池上方形成等离子体与金属蒸汽.其中等离子体的温度最高可达到 20 000 K，对金属吸收激光能量有着重要影响.文中将熔池上方的高能量等离子体等效于面热源，其作用是在金属表面/熔池上方持续辐射能量.熔池内部由于不断吸收激光能量，导致匙孔壁存在液态金属的持续蒸发现象，金属蒸汽会有一部分充满匙孔内部，可等效为具有一定深度的体热源.因此，采用了组合热源模型来模拟激光束对金属进行的能量传输，具体采用由高斯面热源模型和高斯旋转体热源模型.其中高斯面热源热流分布函数为14qs(x,y)=Qsrs2exp|r(x2+y2)rs2|
12、(1)式中：为母材的能量吸收率；Qs为面热源能量；r为修正系数；rs为热源有效作用半径.高斯体热源热流分布函数为qv(x,y,z)=9QvHrs2(1e3)exp|9(x2+y2)rs2ln(H/z)|(2)式中：Qv为体热源能量；H 为热源深度.2.4 边界条件为了实现激光镜像焊接物理过程再现，需要对模型赋予特定的边界条件，使模型边界上的物理量与周围环境之间的质量、动量、能量实现正常的传输.激光镜像焊接的工件表面受到十分复杂的热-力耦合效应，可将其边界条件分为以下几类：(1)能量边界条件，即kT n=Qqcovqradqevp(3)nqcovqradqevp式中，为熔池自由界面的法向矢量；为
13、热对流能量损失；为热辐射能量损失；为蒸发能量损失.(2)动量边界条件，即PL=FS+PV+PM+FV(4)式中：FS为界面表面张力；PV为反冲压力；PM为熔池流体静压力；FV为熔池流体动压力.其中，反冲压力和表面张力在熔池流动过程中作为主要的驱动力，对熔池表面及内部的流体流动有着重要的影响.2.5 计算模型的试验验证为了验证计算模型结果的正确性，进行了镜像激光焊接试验.试验所用的材料、工艺参数等与模拟时输入参数严格一致.选取激光功率为 3 kW、焊接速度为 2.3 m/min 的试验组，观察熔池宏观形貌，并将焊缝熔池的形貌与模拟值进行比较，对比结果见图 4.试验结果与仿真结果基本吻合，说明选用
14、的热源模型较为合理.3试验结果与分析 3.1 匙孔面积特征如图 5a 为不同热输入下激光镜像焊接过程匙 气相金属相ZYX 图 2 激光镜像焊接网格模型Fig.2 Mesh model for laser mirror welding 浮力浮力拖拽力激光束冲击力反冲压力粘性力表面张力表面张力表面张力表面张力粘性力拖拽力重力重力激光束冲击力反冲压力 图 3 激光镜像焊接过程受力示意图Fig.3 Force analysis in laser mirror welding process第6期刘源，等：热输入对 2219 铝合金激光镜像焊接匙孔动态特征的影响105孔开口波动情况.对比 3 组试验结果
15、，可以发现，从 3 组试验中可得到，热输入增大时，匙孔的开口面积增大，耦合程度增大，波动减小，稳定性增大，并且不同的增加方式导致的增大幅度不同.如图 5(b)为匙孔开口面积波动情况，可以看出横焊过程中匙孔开口变化趋势相似，匙孔开口面积逐渐增大并趋于平缓，在 40 60 ms 和 90 110 ms之间产生较大波动.在 40 60 ms 之间，两侧匙孔开始耦合，熔池对匙孔产生较大的冲击力，导致匙孔产生较大波动；在 90 110 ms 之间，焊接已经进行一段时间，匙孔热积累达到一定值，导致匙孔运动时的能量突然增大，破坏了与熔池能量之间的平衡，从而产生较大波动.同时，匙孔开口面积增加幅度随焊接热输入
16、增加方式改变而改变.图 6 为激光镜像焊接过程匙孔横截面面积的波动曲线.可以发现，随着时间增加，激光镜像焊接过程匙孔面积持续增大并趋于平缓，且波动较小.其中，在 40 ms 之前，匙孔未耦合，随着激光能量持续输入，两侧匙孔逐渐增大，直到发生耦合；在 40 60 ms，匙孔开始耦合，匙孔的面积基本保持不变，仅在小范围内波动.匙孔完成耦合后继续吸收能量，匙孔面积继续增加，直到 120 ms 左右，匙孔面积不再增加，而在一定范围内波动.3.53.02.52.01.5匙孔面积 S1/1104 像素1.00.500204060时间 t/ms80100120140160787.67 J/cm857.14 J/cm913.12 J/cm 图 6 激光镜像焊接匙孔横截面面积波动曲线Fig.6 Fluctuation curve of keyhole cross-sectional areain laser mirror welding 随着热输入增加，匙孔整体面积也有所增大，匙孔的耦合程度增加，匙孔稳定性增加.这是由于热输入增大时，匙孔单位时间内吸收的能量增大，匙孔发生扩展，使其面积增大.并且，匙孔面
