本研究为预测大范围材料的焊缝合金化浓度和均匀性提供了一种简单而有效的方法。

摘要

为研究低碳钢和不锈钢激光焊接熔池流体动力学、稀释度和合金成分，建立了三维多相计算流体动力学模型。利用所建立的模型，对激光参数范围内的焊接性能进行了独立的预测，在所有情况下，数值模型的结果都与实验观察的结果接近。研究表明，在一定的点能以上，熔池内的材料主要是均匀的。在不同类型的激光焊接中，为了获得适合工业应用的焊缝性能，需要最小的熔池规范。该模型为预测大范围材料的焊缝合金化浓度和均匀性提供了一种简单而有效的方法。

1. 介绍

激光焊接已成为自动化制造中的重要连接工艺，目前广泛应用于汽车、航空航天、能源、电子和医疗等行业(Duley, 1999, Nekouie Esfahani et al.， 2015)。激光焊接的优点包括精确的能量控制，低热变形，狭窄的热影响区，高焊接速度，深熔透，与电子束焊接相比，激光焊接不需要真空室。不同材料的激光焊接比相似材料的激光焊接更为复杂，因为金属的元素组成和热物理性能存在巨大差异(Tomashchuk 等， 2010)。然而，低碳和不锈钢的激光焊接接头目前用于发电行业，更普遍的是用于连接3D结构、复杂的组件和高精度组件。尽管有激光异种焊接的潜力，但焊缝中合金浓度不均匀往往会导致焊接强度降低(Sun and Ion, 1995)，金属间物相不合格和裂纹形成(Anawa 和Olabi, 2008)。因此，需要确定预测和控制焊缝合金成分和合金分布的策略。

导模激光异种焊接的原理图见图1。一束足够强度的连续激光束以恒定的速度(扫描速度)入射到工件表面。一小部分入射能量被工件吸收，导致熔池的形成。当激光束穿过工件时，熔池沿扫描方向延伸，激光束离开后熔池迅速凝固。

图1 激光异种焊接工艺示意图。

不同的研究人员对激光异种焊接进行了一些数值和实验研究。Rosenthal(1941)首先提出了准稳态假设下移动热源的数学模型。在此基础上，进行了激光异种焊接模拟研究，研究了热传导、熔池对流和残余应力分布的性质。Ranjbarnodeh等(2012)利用有限元分析(FEA)建立了三维模型，预测了熔池温度分布和熔合区形状，得出在没有熔池对流的情况下，焊缝温度分布是不对称的，最高温度向低碳钢方向偏移。Deng 等(2009)建立了一个综合的有限元模型来计算不同金属管道接头的残余应力，考虑了熔覆、黄油、焊后热处理和使用简化移动热源的多道焊接。并确定了焊后熔覆、涂黄油和焊后热处理对残余应力的影响。

Youtsos和Katsareas(2005)开发了一个有限元模型来预测A508和AISI 304L之间不同接头的热应力和残余应力分布。他们使用“元素出生和死亡”技术来模拟焊接池中添加的填充金属。铝和钢异种焊接中，在不同方向的Marangoni力作用下，熔体池惯例和熔合区形状被研究(Chung 和Wei, 1999, Wei和 Chung, 2000)。Phanikumar等(2001)研究了Cu-Ni激光异种焊接中熔融金属的流体动力学和混合，报告称，尽管将光束定位在焊缝中心，但异种熔合区大部分是不对称的。Chakraborty(2009)扩展了Phanikumar的工作，建立了三维模型，应用有限体积法研究了Cu-Ni的导模激光异种焊接，随后讨论了湍流的意义。Esfahani等(2014)研究了低碳与奥氏体不锈钢异种接头的显微组织和使用性能，发现合金元素浓度对焊缝的显微组织和使用性能有显著影响。最近Hu 等(2012)开发了一个模型来预测焊接不锈钢和镍的传热和传质，并得出结论:传质在熔池形成的初期是最高的，之后随着时间的推移而减小。

图A (a) 10 ms时，Fe在顶部表面的浓度分布;(b) 30 ms;(c) 60毫秒和(d) 500毫秒。

图B (a) 10ms时，Fe沿截面的浓度分布;(b) 30 ms;(c) 60 ms;(d) 90 ms;(e) 120毫秒及(f) 500毫秒。

当熔池开始形成时，流体将Fe和Cr等元素从不锈钢侧输送到镍侧，这些元素与镍混合。类似地，镍元素从镍侧运输到不锈钢侧。图A、图B分别为顶面Fe浓度剖面和不同时间的截面。对于顶面，熔池中Fe元素的分布在前60 ms内不均匀，这是由于混合时间不够。60 ms后，熔池两侧金属继续熔化，熔池尺寸继续增大，熔池顶面熔池浓度分布基本均匀。但在截面上，Fe元素在60 ms时分布不均匀，特别是在固液界面附近。铁元素均匀分布的时间较长，约为90 ms。因此，顶面传质速度快于截面传质速度。由于温度梯度和浓度梯度引起的马朗戈尼应力，顶面对流较强。非均匀的单元分布会导致较大的马朗戈尼应力，从而加速流体的流动以输送质量。

本文建立了一个三维计算流体力学(CFD)模型来研究低碳钢(CS)与不锈钢(SS)异种激光焊接熔合区的合金化。分析了不同参数下的温度场、速度场和物料浓度分布。将计算得到的熔合区的合金浓度和稀释度与实验结果进行了比较。

2. 公式和网格结构

采用基于有限体积的Fluent程序对传热、流体流动和材料扩散进行了CFD分析。本研究中使用的数学模型基于雷诺平均Navier–Stokes（RANS）时间相关方程。控制方程由质量守恒、动量守恒、能量守恒、湍流输运方程和体积分数方程（修正连续性方程）组成（Fluent，2009）。流体体积（VOF）模型用于解释met池内的两种不同材料（SS和CS）。做出以下简化假设：

•焊接在传导模式下进行（无小孔形成），熔池的自由表面根据熔池对流而变化。

•假设激光气体动力学参数，如保护气体射流、喷嘴间距和喷嘴出口直径，对热历史和焊缝形状特性的影响不大。

•熔池中没有化学反应或氧化。

•焊接过程中机械性能的变化对流体流动动力学的影响不大。

图2显示了用于CFD分析的初始网格。采用了一种变间距网格系统，在热源附近有一个细网格，在远离热源的地方有一个课程网格。计算域的长度为4mm，宽度为8mm，厚度为1mm，因此模型由194300个元素组成。环境温度设定为300 K。分析中使用的奥氏体不锈钢（Attarha和Sattari Far，2011）和低碳钢（BritishStandards，2006）的材料性能如表1和表2所示。

图2 网格用于分析。

表1 基材的热性能。

表2 基板的热特性随温度变化而变化。

材料(CS和SS)的混合主要是由于熔体池的对流，而对流受表面张力梯度、粘性和浮力的影响。焊缝表面拓扑结构主要受熔池运动方向的影响(Marimuthu等人，2013)。在CFD模型中，自由表面(焊缝顶部和底部)的节点根据熔池速度和方向进行了重新定位(Amara和Fabbro, 2010)。在CFD模拟中采用自适应网格细化方法，在每个时间步长预测和跟踪新的表面拓扑。代码写成用户定义函数(UDF)在使用C编程语言应用作为瞬态热流边界条件的上表面焊缝和跟踪焊缝表面轮廓(X, Y, Z坐标点的每个节点融合区)。然后，UDF与Fluent CFD求解器动态链接。

3.结果与讨论

本研究的主要目标是建立一个既能预测激光异种焊接热循环和流体流动，又能预测熔合区合金浓度和焊缝均匀性的CFD模型。为了更好地洞察机制焊缝池中流体流动和材料混合和评估CFD模型的鲁棒性,三个模型被开发,以50 J的特定点能量,J, 17日和10 J .内联与实验配置,光束的激光光斑直径维持在0.5毫米。为了获得真实的结果，每一次的时间步长梁被移动一个元素长度。进行了100个时间步的CFD分析，其中80个时间步为焊接阶段(与沿焊缝长度的元素数量相关)，最后20个时间步为冷却阶段(考虑计算资源的选择)。50 J、17 J和10 J的

时间步长分别为10、3.3和1.4 ms。这是根据元件长度沿激光束横贯方向而定的。

为了突出不同激光焊接的非线性传热现象，首先以温度等值线叠加在焊道表面轮廓上的形式给出了结果。吸收的能量一部分用于产生熔池，一部分传导到固体母材中。在焊接初期，导热是主要的传热方式，在焊接中间阶段，流体对流占主导地位，对垂直方向的传热影响显著。

图3a-c分别为特定点能量为50 J、17 J和10 J时的温度轮廓和对应的焊缝轮廓。图是在温度和焊缝形貌达到准稳态后生成的。从图3a中可以看出，比点能量为50 J时，温度较高，这是因为激光相互作用时间较长。X-Y图清晰地显示了不同激光焊接过程中热分布的不对称性。这是由于热性能的差异，在所有情况下，最高温度超过了基板的熔化温度。

图3 (a) 50 J， (b) 17 J， (c) 10 J的比点能温度分布比较。

材料导热系数的温度依赖性显著影响了材料在熔池内和远离熔池的最高温度位置(热影响区)。图4为熔池内和熔池外1mm处的最高温度。从图4中可以看出，在所有情况下，低碳钢的内部温度最高，而在远离熔池的区域(距离熔池1mm)，不锈钢的上方温度更高。这是由于材料的热导率与温度有关。在高温下(1200k以上)，低碳钢的导热系数相对较低，热量在低碳钢上积累，因此最高温度发生在低碳钢熔池区域内。低温时不锈钢的导热系数较小，并注意其温度分布。

图4 不同比点能下熔池内外温度的比较。

如图5所示(能量为50 J、17 J和10 J时)，熔合区液相部分也出现了类似的不对称行为。X-Y视图(图5)表示了垂直于焊缝方向的液相部分轮廓。从图5中可以看出，在比点能较低的情况下，主要是不锈钢熔化;而随着束流能量的增加，低碳钢的熔化速率往往高于不锈钢。这是由于不锈钢在熔化初期导热系数较低，导致在熔池形成初期(低碳钢达到熔化温度之前)加热快，熔化快。然而，不锈钢在高温下较高的热导率导致了在较高的比点能下较高的熔化速率。不锈钢在高温下导热系数的增加导致低碳钢(与不锈钢相比)的温度升高。从图5中还可以看出，熔合区表面轮廓随比点能量的变化而变化。当熔体比点能达到50 J时，熔体表面几乎是平坦的，而当熔体比点能达到17 J时，熔体表面出现一个隆起，这可以从熔体的大小和流速分布来解释。

图5 (a) 50 J， (b) 17 J， (c) 10 J时熔点能和凝固点能分布曲线的比较。

图6为熔体在中点截面(X-Y)和顶面(X-Z)的熔池速度。熔池内的速度是由材料的表面张力梯度驱动的，而表面张力梯度又取决于表面温度梯度而不是最高温度。随着比点能的增大，热梯度和随之而来的表面张力增大，导致熔体中流体流速增大。熔池中表面张力的负热梯度导致了向外流动(图6)，这提供了从中心到焊缝外围以及从表面到焊缝根部的有效的热量传递。相对较低的流体流动速度(~ 0.18米/秒)发现，在较低的比能10J和相当高的速度在17 J(0.3米/秒)和50 J(0.41米/秒)。此外，由于低碳钢内部的高温梯度，在低碳钢中发现了最大的速度。这种以低碳钢为主的熔池动力学增加是导致低碳钢熔化速率增加的主要原因(如图5所示)。

图6 (a) 50 J， (b) 17 J， (c) 10 J时，比点能量的顶面速度矢量比较。

在17 J（图5）的比点能量下注意到的驼峰归因于不锈钢和低碳钢中速度大小的差异。尽管负表面张力梯度会导致向外流动，但速度大小的差异会导致材料界面处形成隆起。在高比点能（50 J）下，熔池宽度增加，从而抑制隆起，并形成主要均匀的焊缝。然而，在比能量较低（10 J）时，表面上的熔池向外流动（由于负表面张力梯度），导致熔池中心出现轻微凹陷。观察到的表面拓扑趋势与Mills等人（1998）和Li等人（2011）报告的趋势一致。

很明显，流体速度会显著影响异种焊道的混合和均匀性。合金元素的混合程度和浓度取决于熔池中由表面张力驱动的流体流动的大小。图7示出了焊接熔合区的中点横截面（X–Y）相场，具体点能量分别为50 J、17 J和10 J。相场是焊接区内焊接金属混合的良好指示，可用于估计焊道的合金化浓度和均匀性（Amara和Fabbro，2010）。比点能的增加导致熔池表面的温度梯度增大。熔池上方的高温度梯度导致负（表面张力系数随温度变化），这会通过对流（从中心到焊缝边缘）导致强烈的向外流动，从而将合金元素从母材输送到熔池中，从而使焊缝更加均匀。从图7可以看出，这两种材料在50 J和17 J的比点能量下经历了广泛的混合，而在10 J的低比点能量下，混合最少。在沿熔合区进行显微硬度分析的实验观察中，也注意到了类似的趋势，如图8所示。

图7 (a) 50 J， (b) 17 J， (c) 10 J比点能下不锈钢体积分数的比较。

图8 焊缝熔合区的实验硬度分布。

使用焦距为127 mm、激光功率为500 W、出口直径为2 mm、间隔距离为5 mm、氩气保护气体为1 bar的CO2激光器，在比能量为50 J、17 J和10 J的情况下，对1 mm不锈钢和低碳钢进行了激光焊接试验（Esfahani等人，2014年）。通过控制扫描速度改变了比点能量（Esfahani等人，2014）。

从图8可以看出，随着束流能量的增加，焊道内硬度的变化减小，这表明对于小于17 J的比点能量，焊道中的合金元素浓度是不均匀的。对于50 J和17 J的比点能量，熔合区内硬度的百分比变化接近5%，而对于10 J，百分比变化在15–16%的范围内。焊接区内的硬度变化可能会破坏接头的有效性，应避免（Baghjari和Akbari Mousavi，2013），但比点能量的高幅度可能会导致焊缝中的热影响区和残余应力更高。所提出的模型可以作为一个有用的工具，在焊接之前估计异种焊接区的均匀性。

图9显示了不同特定点能量下异种接头（沿样品中心的横截面）的实验（左侧）和模拟（右侧）熔合区轮廓的比较。模拟结果的轮廓显示了低碳钢的正态稀释。稀释被定义为低碳钢在焊缝熔合区的百分比贡献，并能很好地指示焊道中的合金化浓度。正如所观察到的，焊接梁表面轮廓在不同的特定点能量下发生变化，这对异种接头的使用性能特别重要。不同束流能量下表面拓扑结构的变化归因于熔池中的对流流体流动，这又取决于表面张力驱动的流体流动的大小。与实验焊道轮廓一致，CFD模型预测了焊道稀释（两种材料的熔化百分比）和不同比点能量的表面状况。图10显示了低碳钢的实验稀释和模拟稀释的比较。根据低碳钢的熔化面积与各元素体积分数值得出的总焊道面积之比计算得出（图9）。实验和模拟结果之间的边际差异应归因于CFD模拟中不锈钢在熔融温度以上的恒定反射率和线性导热系数的假设，而实际实验中并非如此。这些属性细节无法用于模拟。

图9 (a) 50 J， (b) 17 J， (c) 10 J时，试验(左侧)和模拟(右侧)焊缝截面剖面的对比。

图10 焊缝稀释率的比较。

4. 结论

对低碳奥氏体不锈钢激光焊接接头的稀释度和均匀性进行了数值模拟研究。在这项工作中获得的重要结果总结如下。

•稀释度和均匀性对焊缝性能有显著影响，所建立的模型可用于预测。

•熔池的热梯度和表面张力对熔池动力学、表面拓扑结构和熔合区稀释(合金混合物)有显著影响。

•激光能量的增加导致熔体熔池对流的增加。与类似材料不同，熔池对流的最小阈值是实现均匀焊缝的必要条件。

•对于1 mm厚的异种接头，在比点能大于17 J的情况下，产生了主要的均匀组织和良好的融合区。在不考虑激光能量的情况下，较低的表面张力系数会破坏不同激光焊接中焊缝的均匀性。

•该模型也适用于其他熔焊工艺，包括电子束焊接或电弧焊。

来源：Numerical simulation of alloy composition in dissimilar laserwelding，Journal of Materials Processing Technology，doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.05.005

参考文献：E.H. Amara, R. Fabbro，Modeling of humps formation during deep-penetration laser welding，Appl. Phys.A, 101 (2010), pp. 111-116；E.M. Anawa, A.G. Olabi，Control of welding residual stress for dissimilar laser weldedmaterials，J. Mater. Process. Technol., 204 (2008), pp. 22-33