哈工大STWJ，摆动光束焊接铝合金非对称焊缝的几何形状数值模拟（焊接模拟3D）

2022年6月10日，由哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室陈曦、姜楠、姜梦等人，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系杜洋（音译），哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院赵思聪共同撰写的《Numerical investigation of asymmetric weld fusion geometry in laser welding of aluminium alloy with beam oscillation》研究论文在《SCIENCE AND TECHNOLOGY OF WELDING AND JOINING》发表，第一作者为哈尔滨工业大学陈曦，通讯作者为哈尔滨工业大学姜梦和陈彦宾教授，相关研究获得了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、黑龙江省工程科技重大专项、黑龙江省博士后科学基金项目的支持。

文章摘要：

本文采用数值模拟分析了摆动光束焊接（OLBW）铝合金过程中的非对称焊缝的几何形状，建立了OLBW的多物理场传热和流体流动模型，并进行了实验验证。本文分别采用“Line”、“Circle”、“Eight”和“Infinity”四种常见的摆动模式计算了焊缝的几何形状、温度场和流体流动行为，分析了非对称焊缝的几何形状产生原因。结果表明，局部热输入沿光束传播路径的不对称性和熔池内流体的流动方式是造成OLBW焊缝几何不对称的主要原因。

研究现状：

由于激光焊具有功率密度高、焊缝深宽比大、热影响区窄、表面光洁度好、自动化程度高等优点，其在汽车、航空航天等许多重要领域得到了广泛应用。然而，聚焦激光束本身具有很高的精度，使得其对装配精度的要求也很高，这在实际焊接生产中对成本控制和效率提升非常不利。此外，由于激光焊接过程中物理过程极其不稳定，其焊缝经常产生缺陷，而这些缺陷会显著降低焊缝的力学性能，并影响最终的使用性能。使用激光焊的最有效方式是在大批量生产中产生无缺陷和结构良好的焊缝。为了使激光焊在制造过程中能得到持续的发展，亟需解决间隙桥接能力和缺陷敏感性问题。

采用新开发的OLBW技术则可以解决这一问题。OLBW技术的优点在以前的工作中已有充分的认识。Müller等证明在汽车领域的填角焊缝中，光束摆动可以增加间隙桥接能力。Shi等研究发现，采用Circle摆动模式的激光焊可以有效控制304不锈钢焊缝中的气孔，并通过实验和数值模拟程序证明了锁孔增大是导致孔隙率降低和熔池能量更为平衡的原因。Wang等人证明采用Circle摆动模式可以提高AA6061-T6铝合金激光焊接的表面光洁度。在OLBW中，最常用的摆动模式（或摆动路径）有“Line”、“Circle”、“Eight”和“Infinity”。本文采用不同摆动模式对OLBW焊缝成形进行了研究。Li等人研究了光束摆动参数对304不锈钢的Line形OLBW焊缝成形的影响。Thiel等对比了不同摆动参数下的焊缝横截面，研究了Line形和Infinity形OLBW过程的稳定性。Chen等人考虑了Infinity形OLBW中振幅和频率的影响，研究了焊缝的成形和力学性能。Wang等人研究了Line形、Circle形和Infinity形OLBW焊缝的成形、孔隙率和力学性能。基于现有文献对不同摆动模式下焊缝成形较为充分的实验结果，OLBW中焊缝横截面的非对称性也得到了广泛的观察。然而，非对称焊缝几何形状尚未引起人们的重视，对其进行的详细讨论也比较少。在实际应用中，严重的非对称焊缝几何形状会影响焊缝的使用性能。因此，需要弄清楚非对称焊缝几何形状的产生机理，以避免出现非对称焊缝。

本文采用数值模拟分析了铝合金OLBW的非对称焊缝几何形状，建立了OLBW的多物理场传热和流体流动模型，模拟了“Line”、“Circle”、“Eight”和“Infinity”四种摆动模式的激光焊接过程，并与相应的实验观测结果进行了对比验证。基于计算得到的温度场和熔池内流体流动行为，分析了OLBW焊缝几何形状不对称的产生机理。

试验方法：

母材为10mm厚的5083铝合金，其化学成分见表1。焊前，用砂纸打磨去除材料表面的氧化层，并用丙酮清洗油污。

表1 5083铝合金的化学成分

本实验采用最大输出功率为10kW、波长为107nm的光纤激光器（IPG YLS-10000）作为激光能量源。实验产生的激光束通过直径为200μm的光纤传输到安装在KUKA机器人上的激光加工头（IPG D50），激光加工头再利用焦距为150mm的准直透镜将激光束转化为平行光，然后利用焦距为300mm的透镜将平行光聚焦为0.4mm的光斑。在相同的焊接参数下，采用四种摆动模式分别在铝合金板上进行直熔焊接实验。激光束聚焦在材料表面。图1为OLBW的原理图和本实验中采用的四种摆动模式的激光传输路径。焊接参数如表2所示。焊后，按标准程序制备焊缝横截面金相试样，并在光学显微镜（Zeiss，Stemi508）上进行观察。

图1 OLBW的原理图和本实验中采用的四种摆动模式的激光传输路径

表2 焊接参数

本文建立了一个三维、多物理、传热和流体流动模型，以模拟焊缝几何形状、温度和流体流场。该模型涉及激光焊接过程中发生的主要物理因素，如传热、液熔体流动、Fresnel吸收、金属蒸发引起的反冲压力、表面张力驱动的Marangoni效应、自由表面示踪以及激光在小孔内的多次反射等。为使计算可追溯，模型中作了如下几个假设：

（1）假定激光能量密度为高斯分布；

（2）模型没有直接模拟烟气，而是考虑了烟气的影响；

（3）将铝合金液态金属视为不可压缩的牛顿流体；

（4）模型忽略了保护气体对熔池的影响。

对于控制方程，通过求解质量、动量和能量守恒方程，模拟了熔池的温度场和流体流场。采用流体体积法(VOF)对熔池的自由表面进行了追踪。对守恒方程和VOF方程以耦合的方式求解。

对于激光热源模型，假设激光能量密度为类高斯轴对称分布。模型中考虑了Fresnel吸收和多反射。为了引入光束的摆动，将焊接速度和光束摆动速度叠加计算出光束的移动速度。四种摆动模式下的光束摆动方程如下：

对于驱动力，模型的主要驱动力包括反冲压力、表面张力和浮力。

对于边界条件，要求能量和压力边界平衡。

图2为本文中使用的计算域和网格划分情况。计算域的总尺寸为50mm（长）×30mm（宽）×18mm（高）。模型中考虑了两个区域（空气区和流体区）。为了提高计算速度，采用了非均匀网格。细网格区单元格大小设为0.1mm，粗网格区单元格大小设为0.4mm，总网格数为4323203个。5083铝合金的热物性指标见表3。采用商业软件Flow-3D进行计算，采用的计算机为12核戴尔工作站，配备Intel Xeon 4224R CPU @2.40 GHz和256GB RAM。