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一、激光焊接的机理与控制技术原理与特点

现代运载工具的发展趋势和特点是运行高速化、结构轻型化。由此对其关键结构制造提出了更高要求，如轻量化、整体化、高可靠、长寿命和低成本绿色制造等。为此，以高强轻质钛合金、铝合金等为典型结构材料，以高能量密度束流作为焊接热源的高能束流焊接制造整体结构，成为顺应这一发展需求的先进制造技术成果之一。高能束流焊接制造借以诸多优势，被誉为材料加工和先进制造技术具有革命性变化的新技术，特别是在新型轻质合金关键结构的焊接制造中具有广阔应用前景，代表之一就是大型复杂钛合金、铝合金。

带筋壁板或型腔结构的激光高速高效焊接制造。激光是基于原子受激辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种高强度的相干光。除了与普通光一样服从所有的光学规律外，激光还具有一些其他任何光源所不具备的特性如方向性好、亮度高及单色性好等。正是激光的方向性好和亮度高构成了能量在空间和时间上的高度集中，可传输极远的距离并具有高能量或高强度，在材料加工领域(包括焊接)中可视为理想的热源。激光作为一种新能源的应用大大拓宽了材料加工的应用领域激光焊接就是激光应用的重要方面之一。

激光焊接是一种利用经聚焦后具有高能量密度(10^6~10^12 W/cm)的激光束作为热源来加热熔化工件的特种熔化焊方法。它是基于光热效应的熔化焊接，其前提是激光被材料吸收并转化为焊接需求的热能。通常，不同强度的激光作用于材料表面所导致的物理现象不同，如图6-1所示，包括表面温度升高、熔化、汽化、形成小孔以及产生光致等离子体等，这些物理现象决定了焊接过程热作用机制，使得激光焊接存在热导焊和深熔焊两种焊接模式。两种模式的转变主要取决于作用在材料上的激光斑点功率密度。

图6-1 不同强度激光作用于金属产生的物理过程

对于特定的材料，存在一个特定的功率密度阈值(对大多数钢而言，该功率密度阈值为0.5x10^6~10^7W/cm)。当作用于材料的激光功率密度低于该阈值时，激光能量被材料表面吸收并很快地向材料内部传输，形成宽深比较大的热导焊缝。而当作用于材料的激光功率密度高于该阈值时，在工件表面还来不及向材料内部传热，激光能量就使材料表面迅速升温、熔化和汽化。并随着激光能量的继续输入，形成沿穿透厚度方向的小孔。小孔周围为液体金属熔池，小孔内充满了高温金属蒸气和等离子体。高温金属蒸气和等离子体的膨胀力与小孔周围液体金属的重力和表面张力共同作用，维持小孔的稳定存在。小孔沿着焊接方向移动，后部熔池迅速冷却凝固，并形成深宽比较大的深熔焊缝。因此，激光焊接模式与决定热作用机制的激光功率密度和焊接线能量相关。当激光功率密度低于10^6W/cm时，激光加热仅限于金属表面，可达到多数金属的熔化阈值，但无汽化，此时金属在激光持续作用(足够线能量)下，以热导焊模式形成焊缝，焊缝成形机理与常规熔化焊接相同。激光热导焊接一般应用于电子元件封焊和超薄材料焊接。

当激光功率密度高于10^6W/cm，激光使金属瞬间熔化、汽化，如果线能量足够，金属蒸气力在熔化金属中产生微细小孔，焊接过程以具有小孔效应的深熔焊接模式形成焊缝。深熔焊小孔被熔池金属包围，内部充满高温金属蒸气和等离子体，如图6-2所示，焊接过程小孔靠金属蒸气力和液体金属重力与表面张力平衡来维持，小孔内激光与材料的热力耦合是激光深熔焊接模式的热作用机制，主要应用于度大于1mm结构的焊接。

图6-2激光深熔焊接原理示意图 

与传统弧焊方法相比，激光焊接技术具有独特的优点(见表6-1)，是一种先进的焊接技术。

激光焊接技术在过去几十年中迅速发展，从脉冲波焊接逐渐演变为连续波、大功率厚板、多工作台焊接，并已广泛应用于航空、航天、汽车、高速铁路等领域。在军用飞机制造中，铝合金与钛合金的激光焊接应用显著增长，这两种材料在先进战斗机中分别占结构重量的60%和20%以上。激光焊接技术可以替代传统的铆接方式，显著减轻重量、降低成本并提高材料利用率。例如，空客A380机身壁板通过激光焊接可减重15%、降本15%。

在国内，大型带筋壁板结构焊接在飞行器和舰船应用中越来越普及。与机械加工和铆接方式相比，激光焊接不仅节省材料，还提升构件轻量化和可制造性，缩短加工周期，降低生产成本。然而，激光焊接过程复杂，涉及快速加热、冷却、材料相态变化，尤其对铝合金和钛合金的焊接，因高反射率、高导热性和表面张力大等特点，带来了焊接质量控制和稳定性等技术难题，焊接过程稳定性差、缺陷控制不成熟、结构外形不达标等问题突出。这些问题的根本原因在于缺乏对钛合金、铝合金焊接性及力学性能的基础研究，导致接头疲劳寿命、应力变形控制等难以满足轻质合金构件的高可靠性要求，与国际水平存在较大差距。

二、激光焊接熔池行为研究

以“小孔”效应为理论基础的高能束流(激光、电子東和等离子体)深熔焊接，与传统的弧焊方法相比，以能量密度高、线能量输入小、焊缝的深宽比高、热影响区小、变形小、焊接质量高、生产效率高及控制灵活等优点受到人们的关注。特别是20世纪80年代以后，高能束流焊接技术呈现出加速发展的趋势。

但是在焊接过程中，由于工艺参数多及工作条件复杂等原因，常出现焊接质量问题特别是在焊接大厚度截面结构以及大尺寸、长焊缝壁板过程中，容易造成焊接成形不好或存在严重的焊接缺陷，或焊接过程不稳定，常常中断，影响焊件的成品率，从而对高能束深熔焊接技术在航空航天及国防领域的推广应用有一定影响。

研究表明，在焊接过程中，与焊接接头质量密切相关的主要因素是焊接熔池的稳定存在，而对于高能束深熔焊过程来说，其主要的表现形式是熔池“小孔”的稳定存在。因此，高能束流深熔焊稳定的焊接过程是焊接接头质量保证的先决条件，而要保证稳定的焊接过程，基础是焊接过程中“小孔”的稳定存在。通过对电子束、激光及等离子深熔焊焊接过程观察及焊缝解剖发现，造成焊接质量缺陷往往是由于焊接过程中熔池“小孔”不稳定造成的。研究表明，在焊接过程中，与焊接接头质量密切相关的主要因素是焊接熔池的稳定存在，而对于激光深熔焊过程来说，其主要的表现形式是熔池“小孔”的稳定存在。通过对激光深熔焊过程的试验研究表明，激光深熔焊接过程中,“小孔”的稳定存在以及在“小孔”的形成与消失过程中，激光焊接功率、焦点位置、焊接速度、装配间隙等各种参量对“小孔”的存在状态及形貌有着直接的影响。因此，研究分析激光深熔焊条件下不同工艺参数对“小孔”行为的影响，从而掌握不同焊接工艺参数条件对焊接质量的影响规律，可为进一步实现焊接过程及质量控制创造良好条件。

焊接熔池的传热和流体流动研究是焊接技术基础研究的重要领域，同时也是焊接冶金模拟中较为复杂的一个方向。在焊接熔池内发生的主要物理变化有液体金属的流动，熔池中热量的转移，熔池内溶质的扩散与迁移，金属的熔化、蒸发与凝固和自由表面上的热转移等，对这些物理现象的研究都与对焊接熔池的流体流动研究有关。建立熔池内液体金属传热与流体流动模型需要以下几个基本假设条件:①焊接热源的能量分布符合高斯分布热源的传热系数恒定;②焊接材料的热物理参数为常数，但是在液相和固相时的热物理参数不同;③流体为层流不可压缩流体，即流体为牛顿型流体，材料密度为常量，并且一般采用布辛涅斯克(Boussinesq)近似;④焊接熔池凝固后期，液体金属的流动近似采用多孔介质的流体流动模型。

三维焊接熔池流体动力学分析表明，熔池内液体金属流动主要涉及两个方程，一个是Navier-Strokes方程，另一个是能量守恒方程。在对上述动量方程和能量守恒方程的求解中，Patanker 和Spalding 提出了SIMPLE ( semi-implicit method for press-linked equation )的有限差分算法来求解方程中的传热和流动问题。这种方法对于速度场和压力场之间的耦合是非常有效的。Lei、Wang、Mundra和 Debroy等分别用 SIMPLE算法和试验的方法对用不同焊接方法进行焊接熔池的传热与流体流动进行了模拟与试验发现，焊接熔池中熔池的表面张力直接影响熔池内液态金属的温度和流体流动。Paul和Debroy等对熔池中表面张力引起的流动进行了仔细的研究，研究表明激光功率、激光束流半径对熔池表面张力引起的流体流动有显著的影响，如图6-3所示。

图6-3激光束能量和直径对熔池内流体流动模式的影响

一般而言，液体金属的密度随着温度的增加而减小。激光热源位于熔池表面的中心，熔池金属中心的温度高于熔池边缘温度。重力使熔池边缘较重的液体金属下沉。这样，液体冷金属沿着熔池边界向下流动，液体热金属沿着焊接熔池中心轴向上流动，如图6-4(a)所示。由浮力产生的对流，沿着熔池中心轴产生最大流动速度，而加热和熔化金属的膨胀使得熔池中心位置上表面液体的高度略高于工件上表面。

对由表面张力梯度产生的剪切应力而言，在没有表面活性剂作用的情况下，液体金属的表面张力y随着温度的增加而减小，即ar/0T<0。就像图6-4(b)所示的那样，在焊接熔池表面的中心，液体金属的温度较高，其对应的表面张力小，而熔池边缘冷的液体金属具有较高的表面张力。这样，表面张力之差将热的液态金属向熔池边缘方向拉动。换言之，沿熔池表面，由表面张力梯度产生了一个方向由焊接熔池中心向熔池边缘的剪切应力。此剪切应力使得液体金属从熔池表面的中心向熔池边缘的流动，流动到了熔池边缘后又在熔池表面下方向熔池中心的方向流动。表面张力驱动的对流也叫作Marangoni对流或者 Thermocapillary对流。Heiple 等提出了另一种模型，即如果在液体金属中添加表面活性剂，ar/aT可能改变方向，由负值变化为正值，那么Marangoni对流流动的方向发生逆转，焊接熔池将由浅变深。

S、O、Se和Te元素是钢中表面活性剂的有效成分。在逆向 Marangoni对流中，焊接熔池边缘低表面张力的冷金属液体被熔池中心地带高表面张力的液体金属牵引，向熔池中心流动。这种模型有利于从热源向熔池底部的对流换热。

图6-4 焊接熔池对流流动的驱动力

对有等离子体产生的切应力来说，等离子体以很高的速度沿熔池表面向外运动，这就给熔池表面施加了一个向外的切应力，如图6-4(c)所示。由此而产生的切应力使得液体金属从熔池中心向熔池边缘流动，在流动到熔池边缘后在熔池表面下返回。

小孔气流带动激光焊接熔池运动的研究是近些年才开始的。Amara等专门研究了蒸气流动诱导激光焊接熔池运动问题。小孔气流在不断从小孔出口喷发出来的同时，气流给熔池和小孔的共同壁面产生一个摩擦力。该摩擦力带动小孔附近的焊接熔池运动。显然，这种运动和气流的运动特点密切相关。小孔气流摩擦力对熔池的影响，是建立在小孔模拟和小孔内气流流动研究基础之上的，计算得到的熔池附加流动速度在0.5~1.0ms。考虑了气流流动对熔池的影响，是对激光焊接熔池流动驱动力研究的拓展，但部分深熔的二维型以及复杂的激光光路跟踪研究不适合于完全熔透的激光深熔焊过程的研究。

综上所述，目前所建立的激光深熔焊数学模型，深入分析了激光深熔焊过程中的各种现象，分别从不同的侧面对激光深熔焊中的小孔效应和熔池流动形态进行了有效的模拟这些数学模型理论大大增加了人们对激光深熔焊过程中物理本质的认识，逐步揭示了激光深熔焊接的工艺机制。表6-2比较详细地列出了近30年来激光深熔焊的数学模型，并进行了对比阐述。通过汇总对比分析，可以比较清楚地了解激光深熔焊数值模拟的发展过程。图6-5总结了激光深熔焊接过程中的能量交换基本关系。

图 6-5 激光深熔焊接过程中的能量守恒关系图

图6-6 激光深熔焊接过程中流体流动动力学行为研究的内容

通过以上研究，得出如下结论:

①采用由旋转高斯体热源和双椭球形体热源组成的组合热源模型来模拟钛合金激光深熔焊小孔的形成以及焊接熔池流动速度场是合适的。体热源模型能够反映激光深熔焊过程的基本物理过程，同时也体现了控制容积法的模拟特点。

②在完全熔透的激光深熔焊接过程中，小孔直径对激光功率不是十分敏感，而小孔的倾斜角度随着激光焊接速度的增加，变化十分明显。在小孔内气流压力不变的条件下，由小孔自由表面曲率引起的表面张力压力，和焊接速度具有很大关系。随着焊接速度的增加，小孔稳定性是逐步降低的。

③激光深熔焊熔池的流动速度以上表面为最大，Marangoni力对熔池表面的对流换热起主导作用。在移动热源的作用下，Marangoni流由围绕激光加热中心的对称形态演变为熔池长轴方向与焊接方向平行的蝌蚪形。在熔池表面以熔池宽度1/2为半径的速度“虚圆内，熔池流动速度较大，在此“虚”圆外，熔池流体的流动速度逐渐减小。在焊接熔池内部，流体流动速度明显低于熔池表面，但远远大于焊接速度值。熔池背面流体流动速度值大于熔池内部金属的流动速度值。

④焊接熔池的形状和尺寸，与熔池流动速度涡旋的尺寸和位置具有很好的对应关系。熔池涡旋是 Marangoni 流和固一液界面的反冲力共同作用的结果，浮力及重力只起辅助作用。熔池流体流动涡旋的存在，大大强化了高温金属流体和冷流体之间的对流换热，从而直接影响焊接熔池的形状的尺寸。

⑤激光深熔焊侧吹辅助气流的参数是决定焊接熔池保护区尺寸和减小小孔喷发等离子烟流的主要因素之一。加大等离子烟流附近的流动速度，有利于对流散热，进而加大等离子体正离子和负离子之间复合的概率，从而有利于焊接质量的提高。辅助气流为氦气的组分流场和辅助气流为氙气的流场有较大的差异。从保护区尺寸角度看，气的保护优于气的保护。

转自：激光切割应用中心

来源：激光精英集

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