激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究.docx

激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究

郑启光辜建辉王涛王忠柯陶星之段爱琴
摘要：分析了激光深熔焊接的小孔机制的数学模型。研究了焊接熔池的稳定性与金属蒸气压的关系及金属蒸气压与等离子体的关系。着重研究了激光焊接工艺参数(包括激光模式、功率、聚焦条件、焊接速度和辅助吹气)对焊接熔池行为的影响，最后，还研究了熔池行为与焊缝组织结构和缺陷(如气孔、裂纹等)的关系。关键词：激光深熔焊接熔池稳定性金属蒸气反冲压气孔
Investigationonmeltingpoolbehavioranddefectsoflaserwelding

ZhengQiguang,GuJianhui,WangTao,WangZhongke,TaoXingzhi(NationalLaboratoryofLaserTechnology,HUST,Wuhan,430074)DuanAiqin(HighEnergyBeamProcessingLaboratoryofNationalDefense)
Abstract：Inthispaper,amathematicalmodelofkeyholemechanismoflaserdeepweldinghasbeenanalyzed.Westudiedtherelationshipofthestabilityofweldpoolwithmetallicvaporpressureandtherelationshipofmetallicvaporwithplasma.Theeffectoflaserweldparameters(includinglasermode,laserpower,focusingcondition,weldingspeedandassistantgasetc.)onweldpoolbehaviorhavebeeninvestigatedindetail.Finally,wealsohaveanalyzedtheweldpoolbehaviorrelatedweldstructureanddefects(suchascrackandporosityetc.).Keywords：laserdeeppenetrationweldstabilityofmeltpoolmetalvaporrecoilpressureporosity

引言

激光深熔焊接的本质特征为小孔效应。当高功率密度激光束入射到金属表面时，材料被迅速加热，由于热传导作用，材料将产生熔化、蒸发。如果材料蒸发速度足够高，激光束将在金属中打出一个小孔，在小孔内，金属蒸气反冲压力与液态静压力、表面张力之间的作用的动态平衡将维持小孔的存在［1］。小孔内的蒸气压力分布和有关的气体动力学及离化作用将影响到小孔的形状。在激光深熔焊接中，由于存在小孔，激光束能深入到材料内部，被熔化的液态金属环绕在小孔的周围，激光对材料的热输入主要是在小孔壁上的液化界面上，随着激光束的移动，小孔前沿的金属被熔化、汽化，而在小孔后部，液态金属重新凝固形成焊缝。由于小孔附近的很大温度梯度，使小孔周围的金属熔体产生很大的表面张力梯度，其相应的金属蒸气反冲压力使小孔前沿产生强烈的环流。图1示出激光深熔焊接熔池的流动情况，熔池内的热传输和液体流动可以显著地影响熔池的几何形状、温度梯度、局部区域的冷却速率和凝固结构，并可导致熔深的波动、气孔、熔池不足等缺陷。采用实验方法很难确定焊接过程中的温度分布、冷却速度和熔池流动的形态。因此，采用数学方法定量分析激光深熔焊接过程中的具体温度分布和流动状态引起了人们的广泛注意。

图1：激光深熔焊的熔池流动
许多学者根据激光深熔焊中的小孔机制，对激光焊接的温度场、液体流动及小孔形状和尺寸进行了计算。例如Swift-Hook和Peretj等人采用均匀介质中的线源模型来模拟小孔内的热输入，求解热传导方程而计算出了激光焊接中的温度场［2，3］。Dowden等人提出了入射激光的逆韧致吸收模型，假定能量通过传导机制传递给小孔壁，通过解热传导方程，得到一个最大的理论熔深［4］。Mazumder等人采用有限差分法发展了一个三维稳态激光深熔焊接的数值模型，根据传热理论可得到小孔的形成过程［5］。Sonti等人采用二维有限元非线性模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算，得到了激光焊接的三维温度场［6］。Klemens是第一个从小孔压力平衡角度研究了稳态下的小孔的形态，由于压力是小孔深度的函数，小孔半径将随深度而变化［7］。Andrens等人更加具体地分析了小孔形状与小孔内压力之间的关系［8］。Dowden等系统地分析了深而窄的小孔内的能量和压力平衡，建立了一个小孔内液体和蒸气流动的通用模型，并认为小孔内的压力主要是由表面张力决定的，小孔的形状和半径主要