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激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究正规版
激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究
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
15.数据库表有4种索引类型,即?
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、普通索引、惟一索引和候选索引。
Investigationonmeltingpoolbehavioranddefectsoflaserwelding
A、8B、6C、4D、2ZhengQiguang,GuJianhui,WangTao,WangZhongke,TaoXingzhi
(NationalLaboratoryofLaserTechnology,HUST,Wuhan,430074)
DuanAiqin
(HighEnergyBeamProcessingLaboratoryofNationalDefense)
Abstract:
Inthispaper,amathematicalmodelofkeyholemechanismoflaserdeepweldinghasbeenanalyzed.Westudiedtherelationshipofthestabilityofweldpoolwithmetallicvaporpressureandtherelationshipofmetallicvaporwithplasma.Theeffectoflaserweldparameters(includinglasermode,laserpower,focusingcondition,weldingspeedandassistantgasetc.)onweldpoolbehaviorhavebeeninvestigatedindetail.Finally,wealsohaveanalyzedtheweldpoolbehaviorrelatedweldstructureanddefects(suchascrackandporosityetc.).
Key words:
laserdeeppenetrationweld stabilityofmeltpool metalvaporrecoilpressure porosity
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,而形成焊缝。
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。
j=j+1 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是由固相和汽相的能量平衡决定的[9]。
本文中主要是研究激光深熔焊接中的熔池行为,并着重研究激光工艺参数(包括激光功率、聚焦条件、模式及辅助吹气)对焊接熔池行为的影响,尤其是研究熔池行为与焊接缺陷(如气孔)的关系。
1 激光深熔焊接中的熔池行为
1.1 熔池稳定性与金属蒸气压及等离子体的关系
大量研究人员讨论分析了激光表面重熔或热传导激光焊接现象,依据基本的控制方程,即连续方程、动量方程和能量方程,采用数值方法计算得到了熔池内液态金属的流动形态和温度分布[10~12]。
对激光深熔焊接与激光重熔和热传导焊接不同的是,高功率密度作用下的材料蒸发过程将在熔化金属表面产生反冲压力。
由于激光束具有高斯型的功率密度分布,金属液面上的反冲压力将具有中心大边缘小的压力分布。
如图2所示,由于反冲压力沿光斑中心往边缘区域逐渐降低,压力差将驱使熔化金属由光束中心区域向小孔前沿两侧和小孔后部流动,从而造成小孔前沿液面向焊接方向移动。
子程序中输出的结果:
endcase 实验中观察到,尽管入射激光功率不变,激光焊接所产生的等离子体强度和扩展角发生改变,并驱使焊接熔池出现不稳定现象,即小孔尺寸及形状随着金属蒸气压的改变而变化。
当金属蒸气压驱动金属溶液沿小孔后壁方向流动,这时熔池小孔变宽,而从小孔后壁反射的激光束则使小孔变窄。
在激光深熔焊接中产生两种类型等离子体,一类是屏蔽气体离化产生的等离子体,它是与入射激光束方向平行。
另一类是激光作用金属所产生的金属蒸气等离子体,它与入射激光束方向垂直,并且随熔池小孔运动而改变它的扩展角。
当等离子体沿直线向上时,使小孔变宽,而当等离子体向孔壁后方倾斜时,则小孔尺寸变大。
1.2 激光焊接工艺参数对熔池行为的影响
激光焊接工艺参数(包括模式、激光功率、焊接速度及辅助吹气等)对焊接熔池行为有较大的影响。
图3示出了不同模式对熔池形状的影响的焊缝熔区形貌。
从图中可看到,当采用低阶模进行焊接时,焊缝区深而窄,而当用多模激光焊接时,焊缝宽而浅。
激光功率对焊接熔池有影响,当激光功率密度低时,不足以产生气体离化,故不形成等离子体。
只有在激光功率密度高时对焊接熔池产生影响。
且激光功率越大,焊接熔池越深,最大熔池近似与激光功率的0.7次方成正比[1]。
激光功率不稳定,会引起等离子体的不稳定,继而引起熔池不稳定。
b=t
激光等离子体是激光深熔焊接中在高能量密度作用下伴随小孔同时存在的。
等离子体的状态和行为对激光焊接熔池行为有重要的影响,如果等离子体控制得不好,可能造成激光焊接过程的中断。
等离子体主要通过以下两种机制对激光深熔焊接过程产生影响,一是等离子体吸收激光能量;二是等离子体会改变激光束聚焦光斑的空间形态。
研究证明[10.11],等离子体是一个光疏介质,当入射激光束穿过等离子体将导致激光束传播方向的改变;其偏转角是不同的,并与等离子体的电子密度梯度和等离子体长度等有关,几十瓦至几千瓦的CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏转角达10-2mrad。
Rockstroh[12,13]研究证明,在Ar气氛下,CO2激光辐射铝靶,当激光功率密度为6×105W/cm2时,激光束穿过等离子体,由于等离子体对激光束的折射,激光光斑面积增大了8%。
当激光功率为1×106W/cm2时,光斑面积扩大了23%。
很显然,激光束穿过等离子体时光斑面积扩大,且焦点位置发生改变。
我们的实验也证明了这一点。
激光等离子体对焊接熔池会造成较大影响。
等离子体浓度越高,对激光束的吸收和聚焦光束的折射的影响越大。
将使焊接熔池深度减少,并使焊缝的深宽比减少。
由于等离子体对焊接熔池影响较大,故需采取措施消除和抑制等离子体。
通常采用沿焊接方向吹辅助气体。
辅助气体种类也影响等离子体的形态。
几种辅助气体的效果排列顺序为He,CO2,N2,Ar。
He抑制等离子体效果最好,熔池深度最深。
这是因为He不仅有较大的电离电流,而且He的导热性好,也使得产生的等离子体不易扩展。
而Ar电离能较低,尤其是Ar的导热性差而易造成等离子体扩展。
此外,激光焊接速度也对等离子体形态产生影响。
实验证明,在入射激光功率密度大于6×106W/cm2时,如果激光焊接速度大于60mm/s,则产生的等离子密度较低,此时对激光焊接熔池影响较小。
如果焊接速度低于40mm/s时,等离子体密度迅速增加,等离子体对激光的聚焦特性影响增大。
因此,焊接速度越小,焊接熔池深度差别越大。
2 熔池行为与焊接缺陷
上面已经提到,在激光深熔焊接中,熔池小孔的深度和形状与等离子体状态密切相关。
如果对等离子体控制得不好,等离子体状态(包括电子密度与等离子体的长度和扩散角)的起伏将导致熔池小孔深度和形状的起伏。
由于小孔深度和形状的起伏(即孔形扩大或缩小),屏蔽气体和金属蒸气将会在小孔底部形成气泡,继而气泡向上漂浮,随着熔池的迅速凝固,则以气孔形式滞留在焊接熔池底部(第一类型气孔)。
图4给出了高功率CO2激光深熔焊接焊缝形成气孔的示意图。
从图中可清楚地看到气孔的形成过程。
A、1024BB、53BC、128BD、64B
A.ORDERBYB.AVGC.GROUPBYD.SUM 在激光深熔焊接中,随着激光功率密度的增加,熔池锁孔会变得不稳定,因而焊缝内气孔率会急剧增加。
焊接熔池不稳定是形成气孔的主要原因。
通过对焊缝内气孔内的成分分析,在气孔内检测到含有He,Ar,N2和H2等。
而氢气孔认为是在激光作用后焊接熔池内金属熔体凝固期间,由于保护不好,氢气扩散进入熔池内来不及逸出而残留在熔池内所形成的气孔(第二类型气孔)。
图5示出激光焊接18CrMnTi时的气孔情况,此时是采用N2保护焊缝,Ar作为辅助吹气气体。
图6示出气孔形貌。
通过对图6中气孔的成分分析,检测出是N2孔,即属于保护气体进入熔池内的第一类型气孔。
气孔可以通过以下方法加以消除或减小:
(1)在激光焊接中,认真清洗焊件表面;
(2)在焊接前预先采用Ar或N2保护焊缝;(3)采用最佳的离焦量;(4)选择最佳的辅助气体流速和合适的辅助吹气入射角,并调整好吹气喷嘴与焊件的合适距离。
上述第4种是抑制第一类型气孔的重要措施。
即在激光深熔焊接中抑制好等离子体是最重要的。
在焊接18CrMnTi时,采用140mm透镜焦距。
负离焦量1mm,采用Ar作为辅助吹气,气体流速为10L/min,吹气与水平方向成10°夹角,这时可得到5mm焊接深度,且无气孔的焊缝(见图7)。
当采用7kWCO2激光(低阶模)焊接低碳钢板,板厚6mm,负离焦1.25mm,焊速为2.2mm/min。
此时,最佳辅助吹气流速度15L/min,吹气夹角为33°。
A.按四舍五入取数值表达式值的整数部分【答案】本地视图,远程视图
氧、硫元素对焊缝气孔也有影响。
通常是随着氧、硫含量的增加,焊缝气孔率相应增加。
图8示出激光焊接18CrMnTi的激光熔区的组织结构。
由于激光焊接速度快,熔池迅速冷却,故与常规焊接相比,激光焊接具有:
(1)焊接熔池的液-固界面存在很大的温度梯度;
(2)焊接熔池是在快速凝固下结晶的,且结晶方向与焊接熔池流动方向密切相关;(3)焊接区热影响区小。
图9示出焊缝区的裂纹特性。
在激光焊缝区通常有根部裂纹、纵向裂纹和显微裂纹。
根部裂纹通常与焊接熔池的塑性、氢及拘束力有关。
此外,在焊接大结构件或封闭零件时,容易产生纵向裂纹。
预热和后热可消除裂纹。
例如在激光焊接18CrMnTi时,采用200℃预热和300℃后热可有效地防止裂纹的产生。
焊接通用工艺
压力管道安装
2021-08-01发布2021-08-01实施
xxxxxxxxxxxxxxxxxx发布
2021年08月01日
2021年08月01日
2021年08月01日
1 适用范围
本规程适用于工业管道或公用管道中材质为碳素钢、低合金钢、合金钢、耐热钢、不锈钢和异种钢等压力管道的焊条电弧焊、钨极氩弧焊以及二氧化碳气体保护焊的焊接施工。
2主要编制依据
2.1GB50236-2021《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》;
2.2GB/T20801-2006《压力管道规范-工业管道》;
2.3SH3501-2001《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》;
2.4GB50235-2021《工业金属管道工程施工及验收规范》;
2.5CJJ28-89《城市供热管网工程施工及验收规范》;
2.6CJJ33-89《城镇燃气输配工程施工及验收规范》;
2.7GB/T5117-2021《碳钢焊条》;
2.8GB/T5118-2021《低合金钢焊条》;
2.9GB/T983-2021《不锈钢焊条》;
2.10YB/T4242-2021《焊接用不锈钢丝》;
2.11GB1300-77《焊接用钢丝》;
2.12其他现行有关标准、规范、技术文件。
3施工准备
3.1技术准备
压力管道焊接施工前,应依据设计文件及其引用的标准、规范,并依据我公司焊接工艺评定报告编制出焊接工艺技术文件(焊接工艺卡或作业指导书)。
如果属本公司首次焊接的钢种,则首先要制定焊接工艺评定指导书,对合金钢做抗裂敏感性试验,然后对该种材料进行工艺评定试验,合格后做出焊接工艺评定报告。
对于高温、高压、极度和高度危害物质、易燃、易爆的压力管道,在焊接施工前应画出焊口位置示意图,以便在焊接施工中进行质量监控。
3.2对材料的要求
焊接材料(焊条、焊丝、钨棒、氩气、二氧化碳气、氧气、乙炔气等)的质量必须符合国家标准(或行业标准),且具有质量证明书。
其中钨棒宜采用铈钨棒;氩气纯度不应低于99.95%;二氧化碳气纯度不低于99.5%;含水量不超过0.005%。
压力管道予制和安装现场应设置符合要求的焊材仓库和焊条烘干室,并由专人进行焊条的烘干与焊材的发放,并做好烘干与发放记录。
3.3焊接设备
焊接机具设备主要包括:
交流焊机、直流焊机、氩弧焊机、高温烘干箱、中温烘干箱、恒温箱、二氧化碳气体保护焊机、焊条保温筒、内磨机及电动磨光机等。
3.4焊接人员
焊条烘干人员、焊条仓库管理人员要严格按照本公司《焊接过程控制程序》的规定执行。
3.5施焊环境
焊接时的风速不应超过下列规定,当超过规定时应有防护设施。
a)手工电弧焊:
8m/s;
b)氩弧焊、二氧化碳气体保护焊:
2m/s。
焊接电弧1m范围内相对湿度不得大于90%。
碳素钢:
-20℃;低合金钢:
-10℃;中高合金钢:
0℃。
4焊接工艺
4.1压力管道焊接施工流程图(见图1)
图1焊接施工流程图
4.2焊前准备及接头组对
压力管道焊接方法按设计规定执行,当设计无规定时,可按壁厚选用焊接方法。
当壁厚≤6mm时,可选用氩弧焊或氩弧焊打底电焊盖面工艺;当壁厚>6mm时,可采用氩弧焊打底,手工电弧焊盖面的焊接工艺。
焊接材料的选用按设计规定,若设计无规定时,按表1、表2选用,并符合下列要求:
a)同种管子(件)焊接时,焊缝金属性能和化学成分应与母材相当,且焊材工艺性能良好。
b)异种钢管子焊接时,焊条或焊丝的选用一般应符合下列要求:
①两侧管材均非奥氏体不锈钢时,可选用成分介于二者之间或与合金含量低的一侧相匹配的焊条、焊丝。
②两侧之一为奥氏体不锈钢时,可选用含镍量较高的不锈钢焊条(丝)。
表1常用钢号推荐选用的焊接材
钢号
焊条电弧焊
CO2气保焊
氩弧焊
焊条
焊丝钢号
焊丝钢号
型号
牌号示例
Q235-A、
10、20
E4303
E4315
J422
J427
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA
Q235B、Q235C、
Q235D、Q245R
E4316
E4315
J426
J427
ER50-6
H08Mn2SiA
ER50-6
H08Mn2SiA
Q345A
E5003
E5015
E5016
J502
J507
J506
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA
ER49-1
H08Mn2SiA
Q345B、Q345C、Q345D、Q345R、16Mn
E5016
E5015
J506
J507
ER50-2
ER50-3
ER50-6
H08Mn2SiA
ER50-2
ER50-3
ER50-6
H08Mn2SiA
16MnDR、Q345E、16MnD
E5015-G
E5016-G
J507RH
J506RH
—
ER55-Ni1
09MnNiDR、09MnNiD
E5515-C1L
—
—
ER55-Ni3
15CrMo
15CrMoG
15CrMoR
E5515-B2
R307
—
ER55-B2
H13CrMoA
12Cr1MoV
12Cr1MoVG
12Cr1MoVR
E5515-B2-V
R317
—
ER55-B2-MnV
H08CrMoVA
1Cr5Mo
E5MoV-15
R507
—
H1Cr5Mo
06Cr19Ni10
12Cr18Ni9
E308-16
E308-15
A102
A107
—
H0Cr21Ni10
06Cr18Ni11Ti
07Cr19Ni11Ti
E347-16
E347-15
A132
A137
—
H0Cr20Ni10Nb
表2常用异种碳素钢及合金钢焊接材料的选用
被焊钢材类别
母材牌号举例
焊条电弧焊
氩弧焊
备注
焊条
焊丝型号
型号
牌号示例
碳素钢与强度型低合金钢焊接
20、Q235、Q245R+Q345、Q345R
E4303
E4315
E4316
E5015
E5016
J422
J427
J426
J507
J506
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA
—
碳素钢与耐热型低合金钢焊接
Q235、20+12CrMo、15CrMo、
12Cr1MoV、12Cr2Mo、1Cr5Mo
E4315
E4316
J427
J426
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA
—
强度型低合金钢与耐热型低合金钢焊接
Q345R+12CrMo、15CrMo、
12Cr1MoV、12Cr2Mo、1Cr5Mo
E5015
E5016
J507
J506
ER49-1
ER50-6
H08Mn2SiA)
—
耐热型低合金钢之间
12CrMo+15CrMo、12Cr1MoV、
12Cr2Mo、1Cr5Mo
E5515-B1
R207
H13CrMoA
—
15CrMo+12Cr1MoV、12Cr2Mo、
1Cr5Mo
E5515-B2
R307
ER55-B2
H13CrMoA
12Cr1MoV+12Cr2Mo、1Cr5Mo
E5515-B2-V
R317
ER55-B2-MnV
H08CrMoVA
12Cr2Mo+1Cr5Mo
E6015-B3
R407
ER62-B3
非奥氏体钢与奥氏体钢焊接
20、Q345R、15CrMo等+
06Cr19Ni10、06Cr17Ni12Mo2等
E309-15
E309-16
E310-16
E310-15
A307
A302
A402
A407
H1Cr24Ni13
H1Cr26Ni21
—
焊接接头的坡口形式、尺寸及组对要求按设计规定执行,当设计无规定时,按表3确定。
表3常用焊接接头坡口形式和尺寸
厚度T
(mm)
坡口
名称
坡口形式
坡口尺寸
备注
间隙с
(mm)
钝边р
(mm)
坡口角度
α(β)(°)
1~3
Ⅰ型
坡口
0~1.5
-
-
单面焊
3~6
0~2.5
双面焊
3~9
V型
坡口
0~2
0~2
65~75
-
9~26
0~3
0~3
55~65
-
6~9
带垫板
V型
坡口
3~5
0~2
45~55
-
9~26
4~6
0~2
12~60
X型
坡口
0~3
0~3
55~65
-
20~60
双V型
坡口
0~3
1~3
65~75
(8~12)
h=8~12
20~60
U型
坡口
0~3
1~3
(8~12)
R=5~6
2~30
T型接头I型坡口
0~2
-
-
-
6~10
T型接头单边V型坡口
0~2
0~2
40~50
-
10~17
0~3
0~3
17~30
0~4
0~4
20~40
T型接头K型坡口
0~3
2~3
45~60
-
安放式焊接支管坡口
2~3
0~2
45~60
-
3~26
插入式焊接支管坡口
1~3
0~2
45~60
-
平焊法兰与管子接头
-
-
-
E=T,且不大于6
承插焊法兰与管子接头
1.5
-
-
-
承插焊管件与管子接头
1.5
-
-
-
管子坡口应按下列方法加工:
a)按SH3501-2001《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》分为SHA级的压力管道、中高合金钢及不锈钢管道的坡口应采用机械方法加工。
b)其他管道坡口宜采用机械方法加工,当采用热加工方法时,切割后必须去除影响焊接质量的表面层。
壁厚相同的管子(件)组对时,应内壁平齐,如有错口,其错口值应按设计规定执行,当设计无规定时,应按下列要求执行:
a)极度和高度危险物质、易燃易爆管道局部错口为壁厚的10%,且不大于0.5mm。
b)高温、高压及合金钢管道局部错口为壁厚的10%,且不
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- 激光 熔焊 熔池 行为 焊接 缺陷 研究 正规