铝合金薄壁构件激光焊接多尺度建模与仿真

第1章绪论 激光焊接技术具有能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小、生产效率高、接头质量好等诸多优点，是一种极具前途的先进焊接技术。目前，激光焊接技术已经逐步应用于汽车、航空航天、轨道交通等制造领域，得到了业界的青睐。 激光焊接接头的服役性能与其焊缝凝固微观组织密切相关，深入理解熔池凝固过程，实现焊缝微观组织的定量预测，对优化焊接工艺、提高接头质量具有重要意义。 本章将首先介绍激光与材料相互作用的特点，概述激光焊接技术；其次阐述激光焊接熔池中复杂的传热传质行为及熔池凝固过程；*后对激光焊接宏观传热流动行为和微观组织演化行为研究现状进行介绍。 1.1激光与材料的相互作用 激光与材料的相互作用过程复杂，涉及激光物理学、非线性光学、传热学、热力学、气体动力学、等离子体物理学等多个学科领域，包含加热、熔化、气化、等离子体产生等，其物理现象主要如图1.1所示，这些效应构成了激光材料加工的基础。 1.1.1激光对材料的加热效应 材料吸收激光后首先产生的不是热量，而是某些质点的过量能量（自由电子的动能、束缚电子的激发能、过量的声子能）。这些过量能量要经历两个步骤才能转化为热能：**步是受激粒子运动的空间和时间随机化，这个过程在粒子的碰撞时间（动量弛豫时间）内完成，是一个极短的过程；第二步是能量在各质点间的均匀分布，这个过程包含大量的碰撞和中间状态。 研究激光与材料相互作用所产生的热作用，一般假设一个激光能量分布与所吸收激光能量分布相同的热源作用于材料表面。在此前提下，建立温度场模型分析激光处理时的加热和冷却过程。在表层材料向基体内部传热阶段，主要是遵循傅里叶（Fourier）热传导定律进行。不同材料其激光热源模型也不同：对于金属材料，激光的吸收长度非常小，激光吸收发生在材料表层1～5μm，其热源模型可表示为 （1.1） 对于非金属材料，吸收长度不可忽略，其热源模型可表示为 （1.2） 式中：A为材料对激光的吸收率；I0(x，y，t)为激光强度在材料表面的分布；δ(z)为狄拉克（Dirac）函数；α0为激光在材料中的吸收系数。激光强度I0(x，y，t)通常可表示为空间分布I0(x，y)与无量纲时间波形B(t)的乘积，典型的波形B(t)有阶梯波、矩形波、三角波、梯形波、高斯（Gauss）波形等。 在激光加热过程中，材料的热物理参数（吸收系数、比热容、热扩散率、导热系数）是随温度变化的，但对大多数材料而言，其热物理参数随温度变化较小，可近似视为常数，也可对过程所涉及的温度取平均值。 1.1.2激光对材料的熔化及气化效应 当一定强度的激光照射到材料表面，材料表面温度达到熔点Tm时，等温面（熔化波前T=Tm）将以一定的速度向材料内部传播，其传播速度取决于激光功率密度和材料固相、液相的热力学参数。通常把不发生气化的熔化称为浅层熔化，浅层熔化时，光斑大于熔池直径，横向热扩散的影响可以忽略。浅层熔化区的*大深度为 （1.3） 式中：k为导热系数；A为材料对激光的吸收率；P为激光功率；Tv为材料的气化温度；Tm为材料的熔化温度。 就材料特性而言，材料的导热系数k和Tv/Tm的比值越大，则熔化深度Zmax越大。就激光特性而言，为了提高熔化深度，应采用较小的激光功率密度，因为较小的激光功率密度可使材料表面加热到Tv的时间较长。 与浅层熔化对应的是深层熔化，深层熔化是指熔化深度不小于光斑半径的情形，但不发生溶液的沸腾，只在气液相面上发生平衡气化。深层熔化时，熔池直径大于光斑直径，熔池中心出现一个直径小于光斑的平稳气化井区，井区内的蒸气密度小，对激光基本透明，激光直接进入照射在井区底部的气液界面上被吸收，吸收的激光能量被用于井壁的热扩散和井底的气化。假设激光光斑和气化井的半径均为Rs，则深层熔化的深度为 （1.4） 式中：kq为该状态下的导热系数；Lv为汽化潜热；ρq为该状态下的密度。 从激光作用下材料的熔化可以看出，熔化过程中一般伴随着材料的气化。材料的气化机制与激光功率密度密切相关：当激光功率密度较小时，材料气化不剧烈，饱和蒸气压力与环境气压平衡，蒸气粒子运动速度分布各向同性，处于平动平衡的麦克斯韦（Maxwell）分布；当激光功率密度较大时，材料气化率增大，蒸气压力升高，并明显高于环境压力，蒸气中返回溶液的粒子数减少，速度分布偏离平衡的麦克斯韦分布。离开液面的气体粒子必须经过一段距离，通过彼此间的碰撞才能重建平动平衡。 1.1.3激光诱导等离子体效应 激光作用于材料表面，引发蒸气，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高，*终形成高温、高密度的等离子体。等离子体是大量带电粒子（电子、离子）以及原子和分子组成的物质体系，它整体呈电中性。当激光辐射强度超过某一临界值形成激光诱导的等离子体后，表现出材料对激光能量吸收增强的现象，但是在高功率焊接时，当产生的等离子体尺寸超过某一特征值或者脱离工件表面时，激光深熔焊被终止，切断了激光与材料之间的能量耦合，出现激光被等离子体屏蔽的现象，这种效应称为等离子体屏蔽效应。等离子体吸收的能量与入射激光能量之比，称为等离子体屏蔽系数。等离子体屏蔽系数与激光波长有关，长波长激光的等离子体屏蔽效应比短波长激光要强烈一些，出现时间更早。在激光焊接中，等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量与工件上的作用区，从而降低了焊接质量。 1.2铝合金薄壁构件特点及应用简介 1.2.1铝合金材料特性、分类及焊接性能 铝合金具有高比强度、比模量、疲劳强度、耐腐蚀稳定性等优点，成为航空航天、轨道交通、汽车等领域中广泛使用的材料。按化学成分和制造工艺，铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。铸造铝合金一般含有较多溶质，液态下具有良好的流动性，固态下存在共晶组织，适合于铸造成形。与铸造铝合金相比，变形铝合金所含溶质较少，能获得均匀的单相固溶体组织，这类铝合金广泛应用于焊接结构中。按强化方式，变形铝合金又可分为热处理强化铝合金和非热处理强化铝合金。非热处理强化铝合金的固溶体成分不随温度而变化，只能通过冷作变形强化；热处理强化铝合金固溶体成分随温度而变化，可通过淬火和时效处理使之强化。 铝合金的焊接方法较多，如钨极脉冲氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等。在铝合金的熔焊过程中，主要存在气孔、热裂纹、软化等问题。气孔缺陷主要分为冶金气孔和工艺气孔。液态铝对氢元素的吸收率约为固态铝的20倍，在熔池的凝固过程中，如果液态铝合金吸收的过量氢元素在凝固过程中来不及排除，就极易导致冶金气孔，也称为氢气孔。另外，由于铝合金的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝合金熔化区的冷却速度为钢的4～7倍，熔池凝固速度很快。在快冷条件下，熔池中析出的气体可能来不及逸出，从而在焊缝中形成工艺气孔。在热裂纹方面，铝合金凝固温度区间范围大，热膨胀系数大，且在焊缝凝固后期容易形成低熔点化合物，这使铝合金具有较大的裂纹倾向。在焊接软化方面，许多通过热处理强化的铝合金，如AA6082-T6铝合金中含有Mg2Si析出强化相、AA2219-T87铝合金中含有Al2Cu析出强化相，在经过焊接过程的熔化再结晶作用后，母材中的析出强化相分解并溶入基体，某些情况下晶粒还出现粗化现象，这些因素导致接头中的强化作用降低。此外，焊接热循环对母材的热作用还将导致热影响区产生过时效作用，使析出强化相改变了形貌，降低了强化作用效果。这些因素使铝合金焊接接头强度大幅低于母材，即出现接头软化问题。 1.2.2铝合金薄壁构件焊接特点及应用 铝合金薄壁构件焊接的主要特点有：①焊接变形控制难。相比于常规结构，薄壁构件自身拘束度更小，在焊接后易产生失稳变形。由于铝合金本身热膨胀系数大（20℃下为23.2×10-6/℃），铝合金薄壁构件焊接的热变形问题更加突出。②焊接熔池易坍塌、烧穿。铝合金薄壁构件焊接时，如果热输入量控制不当，易出现熔池坍塌或烧穿，且后续处理比较困难。③焊接氧化问题严重。铝的化学性质活泼，与空气接触时会极快地产生一层致密的氧化铝薄膜。由于氧化铝的熔点高、导热性差，会严重阻碍熔融金属间的结合，导致焊缝成形困难，易产生裂纹或夹杂。 铝合金薄壁构件焊接技术在航空航天、轨道交通等领域应用广泛。在航空航天方面，激光焊接首次实现了铝合金飞机蒙皮与长桁之间的连接，并且在空客A318外壳系列产品上得以实现。这种激光焊接结构取代了传统机身蒙皮与长桁之间的铆接过程，减轻了飞机重量，减少了生产工艺步骤，提高了制造速度，从整体上实现了降低成本的目标。在轨道交通方面，高速列车车体主要由不同断面形状的铝合金型材与板材拼焊而成。由于接头多为长直焊缝，主要采用自动熔化极惰性气体保护电弧焊（metal inert-gas arc welding，MIG）。另外，由于焊缝数量多、长度长，焊接以后部件总是存在一定的变形和残余应力，变形严重时会影响整体车体的组装，为了保证车体尺寸，往往在焊后进行火焰调修。 1.3激光焊接技术简介 激光焊接是一种高效、精密的焊接方法，通过高能量密度的激光束作为热源使材料连接区的部分金属熔化，从而将两个零件或部件连接起来。激光能量高度集中，加热、冷却、凝固过程非常迅速，它能使一些高热导率和高熔点金属快速熔化，完成特种金属或合金材料的焊接。与传统焊接技术相比，激光焊接技术具有高精度、低变形、高效率等优势，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、能源等工业领域。 1.3.1激光焊接原理 根据激光焊时焊缝的形成特点，激光焊接可分为热传导焊接和激光深熔焊接。前者使用的激光功率密度低，熔池形成时间长，且熔深浅，多用于小型零件的焊接；后者使用的激光功率密度高，激光辐射区金属熔化速度快，在金属熔化的同时伴随着强烈的气化，能获得熔深较大的焊缝。 1.热传导焊接 热传导焊接的功率密度一般不高于106W/cm2，表面下的金属主要靠表面吸收激光能量后向下的热传导而被加热至熔化，形成焊缝接近半圆形。热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成熔池。熔池随激光束一起向前运动，熔池中的熔融金属并不会向前运动。在激光束向前运动后，熔池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝，如图1.2（a）所示。激光辐照能量只作用于材料表面，下层材料的熔化靠热传导进行。因此，用这种加热方法所能达到的熔化深度受到气化温度和热导率的限制，且一般只应用于薄板或小零件的焊接加工。 2.激光深熔焊接 激光深熔焊接的功率密度一般达到106W/cm2以上，激光输入的能量远大于热传导、热对流、热辐射散失的热量，材料表面会发生熔化和气化而产生小孔，如图1.2（b）所示。在小孔内金属蒸气产生的压力与四周熔池的静压力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过小孔直接射到孔底，产生小孔效应。激光能量通过逆轫致辐射作用（主要发生在小孔内或小孔上方形成的等离子体云中）和菲涅耳（Fresnel）吸收作用（小孔壁面上）被材料吸收，随着激光束与工件的相对运动，使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊接。与传统焊接相比，熔池温度显著提高，由于焊接过程极快，热量传递到周围母材中形成狭窄的热影响区。