摘要：南京航空航天大学材料学院的科研人员报道了记录钛合金变间隙激光自熔和填丝焊接中的熔池行为差异研究。相关研究以“Documenting weld pool behavior differences in variable-gap laser self-meltin
长三角G60激光联盟导读
南京航空航天大学材料学院的科研人员报道了记录钛合金变间隙激光自熔和填丝焊接中的熔池行为差异研究。相关研究以“Documenting weld pool behavior differences in variable-gap laser self-melting and wire-filling welding of titanium alloys”为题发表在《International Journal of Thermal Sciences》上。
在涉及复杂结构的大规模焊接工艺中，间隙尺寸的变化以及填充焊丝的过渡会形成独特的熔池流动行为，显著影响焊缝成形与质量。本文通过模拟与实验，研究了变间隙钛合金激光自熔与填丝焊接熔池行为的差异。开发了一种创新的三维瞬态热流耦合模型，用于模拟变间隙结构的激光焊接，并将填丝过程的动力学纳入其中。对不同的激光焊接模式以及变间隙结构下的填充过程进行了数值模拟。结果表明，激光自熔熔池的最大流速在锁孔附近保持稳定，最大值约为2.491米/秒，熔融金属通过锁孔周围区域进入。在激光自熔焊接阶段，当间隙尺寸逐渐增大到0.2毫米时，锁孔不稳定性更加明显。从激光自熔过渡到填丝焊接时，焊丝行为可分为三个阶段。焊丝末端的熔融金属通过液态金属桥转移到液态熔池中。该桥的流速先上升后逐渐下降，最大流速达到1.606米/秒。值得注意的是，焊丝滞后于激光焦点约0.6毫米，液态桥的最窄宽度约为0.89毫米。基于模拟结果并考虑焊丝的熔化过渡时间，当间隙阈值达到0.2毫米时，焊丝的起始时间进一步调整为前10毫秒。实验验证了2毫米变间隙结构薄板的成功激光焊接。本研究阐明了激光焊接过程中的熔池流动、锁孔波动以及金属转移行为，有助于更深入地理解变间隙结构激光自熔与填丝焊接中复杂的传热传质动力学。最终，这些见解旨在加强激光焊接在大型结构部件自适应焊接中的应用。
关键词：激光焊接；熔池流动；温度分布；变间隙结构；Ti6Al4V钛合金
图1.激光焊接平台：(a)实验设备；(b)激光自熔焊与激光填丝焊工艺示意图；(c)激光测量传感器。
图2.变间隙结构激光焊接几何模型图。
图3.变间隙结构钛合金激光焊接计算域网格模型：(a)全局网格模型；(b)边界设置类型；(c)Ti6Al4V相网格模型；(d)气相区域网格模型。
图4.固液界面相分布示意图。
图5.Ti6Al4V钛合金激光焊接热流耦合模型验证：(a)激光自熔焊过程；(b)激光填丝焊过程。
图6.不同时间点变间隙结构Ti6Al4V钛合金激光自熔焊过程模拟结果：(a)温度场模拟结果；(b)流场模拟结果。
图7.稳定焊接过程中锁孔特征：(a)锁孔位置；(b)速度分布；(c)内部速度分布截面位置；(b-d)相应截面的流场分布。
图8.不同间隙横截面下温度场和流场分布特征：(a)温度场模拟结果；(b)流场模拟结果。
图9.变间隙结构Ti6Al4V钛合金激光填丝焊温度场分布：(a)整体；(b)俯视图；(c)沿锁孔横截面焊缝仰视图。
图10.变间隙结构Ti6Al4V钛合金激光填丝焊焊接过程不同时间模拟结果：(a)温度场模拟；(b)流场模拟。
图11.不同时间焊点熔化过程模拟结果：(a)温度场模拟；(b)流场模拟。
图12.变间隙结构Ti6Al4V钛合金激光焊接从自熔到填丝过程中焊缝表面形貌特征：(a)焊缝表面形貌；(b)焊缝底部表面形貌。
本文建立了变间隙结构钛合金激光焊接的三维瞬态热流耦合模型，考虑了金属相的运动和送丝过程。分析了钛合金变间隙激光自熔焊与填丝焊熔池行为的差异。主要结论如下：
1.间隙大小对自熔焊过程中熔池的流动状态有显著影响。当间隙值为0.16毫米时，流体流动稳定，最大流速为1.580米/秒。在熔合线附近，流体沿界面向上流动。当间隙增大到0.18毫米时，垂直于壁面的峰值流速达到1.766米/秒。当间隙扩大到0.20毫米时，过大的距离导致熔池内流动紊乱，产生逆时针漩涡。
2.在激光自熔填丝焊接过程中，受液桥过渡和焊丝末端材料流速的影响，熔池表面形貌先增大后减小。熔池最大面积可达0.48平方毫米，相较于最终稳定过渡时刻的0.30平方毫米增加了60%。填充焊丝大约需要10毫秒才能形成相对稳定的液态熔池。
3.在从激光自熔焊向填丝焊过渡的过程中，焊丝流体可细分为三个阶段，并逐渐流入熔池表面和内部，扰乱了熔池上背面的马兰戈尼环流。液态金属桥的流速先上升后逐渐下降，最大流速为1.606米/秒。
4.基于模拟结果，对激光焊接间隙模式转变的临界阈值进行了调整。在间隙达到0.2毫米阈值前10毫秒启动送丝过程，实现了钛合金变间隙结构的成功焊接。
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟