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华体会平台官网电话:钛合金激光熔焊过程中匙孔的形成和热流体流动引起的孔隙:实验和模型

2022-05-08 01:35:04 |来源:hth华体会最新网站 作者:hth华体会网页版

  原标题:钛合金激光熔焊过程中匙孔的形成和热流体流动引起的孔隙:实验和模型

  本研究采用基于物理的匙孔焊接模型,包括传热、流体流动和界面相互作用,模拟了Ti-6Al-4V钛合金激光焊接过程中匙孔和气孔的形成。

  高能量密度束焊接,如电子束或激光焊接,已在清洁、高完整性焊接方面获得了许多工业应用。通过形成金属蒸汽,形成一个称为“锁孔”的狭窄熔合区,从而实现接头的深度穿透性。然而,当使用移动的激光热源时,匙孔的形成和相关的匙孔动力学需要进一步研究,因为它们尚未完全理解。孔隙率是与热流体动力学有关的一系列工艺诱发现象之一,可在束焊过程中形成。焊接结构中的气孔是熔焊操作遗留下来的,在使用过程中会降低部件的机械性能,如疲劳寿命。本研究采用基于物理的匙孔焊接模型,包括传热、流体流动和界面相互作用,模拟了Ti-6Al-4V钛合金激光焊接过程中匙孔和气孔的形成。该模型表明,可以预测匙孔的形成和实现匙孔穿透所需的时间,重要的是考虑熔融前沿的热流体流动,因为这决定了熔合区的演化。当熔合区仅部分穿透材料厚度时,加工引起的孔隙率显著。将模拟结果与高速摄像机成像和使用X射线计算机断层扫描、射线照相和光学显微照片测量焊接样品的孔隙度进行比较。这有助于更好地理解工艺参数、构件微观组织和焊缝完整性之间的关系。

  钛基合金因其优异的结构性能,尤其是在密度校正的基础上进行判断时,被广泛用于现代航空发动机,以生产许多关键部件。然而,此类结构部件的制造通常需要高完整性的焊接方法。因此,对于复杂部件的连接,传统熔焊技术仍然具有相当重要的意义,因为这些工艺路线允许合理的接头完整性。熔焊工艺包括较旧的电弧焊接方法,如TIG、MIG和激光-电弧混合焊接,以及较新的光束焊接方法,如激光和电子束。束流工艺使热源更加集中,使熔池区域形成更窄、更深的焊缝。与弧焊工艺相比,这些束焊应用具有更高的功率密度。然而,激光焊接等束焊应用通常有利于产生清洁、高完整性的焊接接头,任何熔焊操作都必须有相关的变形,并有可能形成亚表面缺陷,如气孔。焊道的尺寸和形状显然是确定焊接变形的一个关键输出。

  然而,虽然可以通过机加工或焊后热处理来消除变形,但一旦零件凝固,气孔等缺陷仍会在焊缝内锁定。由于各种原因,在熔焊过程中可能会出现气孔缺陷。Silvinskii等人假设氢化钛的存在在孔隙形成中起到很大作用。后来,钛合金熔焊期间出现气孔的原因是焊接表面上存在气体形成的物质(油、油脂、水分),因此清洁度不足。焊接速度也被发现与气孔形成相关。

  在不同的激光功率(a)1.0 kW,(b)2.8 kW和(c)4.7 kW下,显示了匙孔模式激光焊接期间计算的熔池轮廓。沸点、液相线°C)。

  Huang等人报告了电子束焊接缺陷形成的两个不同原因:(i)电子束源与两个零件的对接接头发生微小偏移,因此任何残余气体都难以通过熔池逸出并进入焊接锁孔,从而完全退出焊接。(ii)基本Ti-6Al-4V材料中的氢浓度水平对孔隙率形成有相当大的影响。焊接过程中的氢迁移也进行了研究,以试图合理化束流焊接应用中观察到的孔隙形成。

  在高功率密度束焊接过程中形成的焊接匙孔被认为是一种不稳定现象,蒸汽匙孔的形状和与周围熔融熔池的界面会随着蒸汽压力的变化而不断变化,导致匙孔在重新成形和再次生长之前暂时关闭。建立稳定的匙孔形状被认为可以提高焊缝的清洁度,降低缺陷形成的可能性。熔池和蒸汽锁孔之间快速变化、起伏的界面所起的作用尚不清楚,但很明显,任何液/气界面都有可能在周围的不同相内形成小气泡或孔隙。

  本研究侧重于使用经过验证的CFD建模方法,更好地理解焊接开始时、匙孔形成期间以及流体焊接池区域内发生的导致缺陷和气孔形成的力学。实验试验是使用板上堆焊进行的,因为这排除了其他孔隙率来源的可能性。CFD模型通过对熔合区进行有针对性的试验和焊后分析进行验证,以确定孔隙缺陷的存在、位置和大小。

  在熔焊操作期间,固体/液体和液体/气体界面的形成至关重要。因为这些界面区域控制着熔化是作为表面源还是匙孔发生。利用CFD模型预测了匙孔的形成机理,并通过高速摄像机成像对这些模型进行了验证。熔焊过程中,应用的激光束热源产生了局部体积,具有引起材料熔化和汽化所需的高能量密度。随着熔池尺寸和深度的增加,熔池逐渐完全穿透接缝的厚度。当材料发生汽化时,汽化金属的反冲压力会对液态金属产生作用力。这会使熔融区域发生变形,从而形成充满蒸汽的锁孔。图1显示了恒定100 mm/s焊接速度下总激光功率的影响。固体(漫反射)和液体金属(镜面反射)之间的反射性质不同,因此当熔池区域靠近聚焦焊接板的边缘时,可以使用高速摄影方法捕捉近似的固体/液体界面。

  图1 使用100 mm/s焊接速度和(a)3000 W,(b)2000 W和(c)1000 W对匙孔形成期间的液体/固体界面进行建模和高速摄像机成像之间的比较。注意,t0指激光接触焊接板的初始时间,即(a)t0=2.75 ms,(b)t0=2.50 ms,(c)t0=2.00 ms。

  可以看出,达到匙孔形成和全熔透焊接所需的时间随着总激光功率的变化而变化,因此激光功率越高,实现全熔透焊接所需的时间越短。此外,图1(a)显示了物理液体/气体界面,界面的波动运动通过高速摄影捕捉。CFD建模预测与一系列焊接条件下的实验结果吻合良好。图1(b)和(c)中所示的焊接条件需要更长的时间才能实现焊缝熔透,而后者的焊缝仅实现部分熔透。

  图2(a)显示了用高速摄影拍摄的焊缝熔池,在焊接后的前5ms,熔池仍然靠近板的边缘。激光功率明显决定了熔池的大小和形状。这一发现得到了冶金研究和焊接后焊道熔合区特征的支持,使用光学显微镜,如图2(b)所示。CFD模型可以合理地预测熔合区,如图2(c)所示。

  图2 使用(a)高速摄像机成像和(b)在总激光功率为1000 W、1300 W、1500 W、1750 W和2000 W的恒定焊接速度下,预测熔合区边界,从板边缘观察5 ms焊接后原位熔合区大小和形状的比较。

  图3显示了因不同工艺条件而在熔合边界和微观结构中观察到的变化。根据顶面宽度和焊接深度计算的熔池尺寸已用于比较建模和实验。从图3(a)可以明确推断导致从部分熔透过渡到全熔透熔池的条件,即对于1mm厚的Ti-6Al-4V板,实现全熔透的临界激光功率在1750–2000W范围内。在较低的激光功率下,微结构从等轴晶粒形态变化到较高激光功率下的柱状晶粒形态。此外,当激光功率恒定在1000 W,焊接速度在100 mm/s到800 mm/s之间变化时,400 mm/s和800 mm/s情况下观察到明显较浅的熔合区,见图3(b)。

  焊缝完整性不仅是凝固熔池中晶粒微观结构的函数,而且工艺诱导的气孔也起着重要作用。在1 mm厚的板上进行了焊接试验,在使用X射线 mm厚的焊缝时,未观察到任何亚表面孔隙。图4显示了1 mm厚焊缝的X射线 mm/s的焊接条件下未检测到气孔。

  图4 X射线断层扫描重建图像:(a)1000 W和100 mm/s的1 mm厚焊缝,(b)a的横截面,(c)2000 W和100 mm/s的1 mm厚焊缝,(d)c的纵截面。注意:这些图像中没有可见的孔隙。

  结果表明,板厚对孔隙率有一定影响。以恒定的4000 W激光功率和三种焊接速度(25 mm/s、50 mm/s和100 mm/s)焊接一块2 mm厚的板材,可实现全熔透,其中随后的晶粒形态以及熔合区边界位置取决于焊接速度。热源移动速度越快,产生的熔合区越窄,晶粒尺寸越小,见图5(a)。当使用X射线断层扫描时,当焊接速度为25 mm/s时,在5 mm×10 mm×2 mm标距体积内观察到亚表面孔隙,如图5所示。

  图5 (a)光学显微照片和(b)使用恒定4000 W激光功率和三种焊接速度(25 mm/s、50 mm/s和100 mm/s)的焊接条件,重建2mm厚焊缝的3D X射线断层扫描。

  然而,在5 mm厚材料的堆焊中,更频繁地观察到工艺引起的气孔。这可能是因为热源经过时形成和封闭的任何蒸汽或气体必须进一步穿过材料的厚度,以逃离板表面。使用焊接速度为16.9 mm/s的1400 W激光功率,或焊接速度为25 mm/s、50 mm/s和100 mm/s的恒定4000 W激光功率,使用光学和x射线断层扫描,在所有焊缝中观察到气孔,如图6所示。

  图6 (a)光学显微照片和(b)利用焊接条件重建5mm厚焊缝的3D x射线 W激光功率焊缝,焊接速度为16.9 mm/s,以及恒定4000 W激光功率焊缝,三种焊接速度分别为25 mm/s、50 mm/s和100 mm/s。

  为了进一步研究热流体流动诱导的气孔形成,采用不同的焊接板厚度、激光功率和移动速度对激光焊接进行了实验研究。射线照相用于测量焊接区的孔径和分布。射线(a)和(b)所示。图7(c)显示了3D X射线断层摄影术和射线照相术之间孔隙度测量的比较。结果表明,在建模过程中观察到的由热流体流动引起的孔隙度随机分布是一种真正的影响,因为在射线照相结果中可以看到类似的行为。注意,图7(c)中孔径测量的差异被认为是因为X射线层析成像更适合于更精确的孔径测量。该技术的分辨率可高达5μm,尽管这取决于入射X射线穿透材料的体积和密度。对于本实验,估计观察到的有效分辨率约为50μm。而X射线照相法有助于确定孔隙的存在和位置,但分辨率和准确测量孔隙尺寸的能力较差。因此,可以看出,断层扫描显示了较小的气孔,而射线照相提供了较大空洞。

  图7 射线照相结果显示了两种板材厚度下沿焊缝的孔隙分布:(a)2 mm厚板材,(b)5 mm厚板材,以及(c)使用x射线断层成像和射线照相进行孔隙度测量的比较。

  模型在焊接过程中的应用如图8所示。可以看出,该模型预测了焊缝的许多典型特征。

  图8 使用匙孔模型计算的具有4000 W激光功率和100 mm/s焊接速度的1 mm厚焊接板的金属-气体界面图:(a)预测的焊缝表面顶层,(b)预测的焊缝表面底层,(c)预测的焊缝纵向视图,(d)沿焊缝的预测横截面视图。

  当能量密度非常高时,预计流体区域内的流动行为将变得不稳定,并包括再循环。这一点在焊池后部锁孔后面尤为明显。有时会在焊道的焊趾处预测孔隙率。图8(a)和(b)显示了使用4000 W和100 mm/s焊接条件的1 mm厚板材的顶面和底面。从金属-气体界面的轮廓可以看到孔隙的分布,见图8(c)。图8(d)显示了通过CFD模型预测的液/气界面焊接池的横截面。

  图9显示了CFD模型与参考文献中可用实验的一般预测能力。一旦满足稳态条件并达到凝固状态,x射线断层扫描与CFD建模预测一致。根据热流体模型计算的温度分布已绘制在液/气界面上,以便与3D x射线断层成像结果进行比较。注意,这里Ti-6Al-4V的固相线 K。CFD建模能够表示不完整的塌陷锁孔表面和焊趾处的孔隙分布。

  图9 (a)使用重建的3D X射线断层成像技术对部分塌陷的锁孔表面进行比较;(b)对熔化前沿捕获的厚度为1 mm、4000 W和100 mm/s的液体/蒸汽界面进行锁孔建模预测,以及(c)在与(b)相同的条件下,通过X射线断层扫描重建的焊道内部孔隙分布和(d)在凝固后的孔隙度预测之间的差异。

  1 mm厚的样品中缺乏孔隙度可能是因为在凝固将孔隙冻结到固体中之前,有足够的时间让流体力去除孔隙。图10显示了使用2000 W光束功率和100 mm/s移动速度的1 mm厚焊缝的流速。人们认为,熔化前沿底部的循环流(见图10中的箭头)是焊接过程中产生和捕获气泡的原因。然而,随着板厚的增加,观察到更大的孔隙率;这可能是因为在这些情况下,任何被截留的气体都必须进一步移动才能到达表面,从而使熔池在气孔逸出之前凝固。

  图10 通过比较(a)58 ms和(b)64 ms下的两个瞬时时间间隔,热流体流动计算得出的速度场和固体分数。

  对CFD建模预测进行了进一步分析,以了解2mm和5mm厚板焊缝的结果。在经过凝固前沿后,采用2000 W激光功率、100 mm/s速度的1 mm焊缝板,模型预测无气孔(图11 (a))。然而,当焊接板厚度加倍至2mm,并使用4000 W激光功率和25 mm/s的移动速度时,可以发现直径约为0.4 mm的预测孔,如图11(b)所示。2 mm厚的钢板焊缝采用更快的焊接速度,使熔合区更窄,并将出现的气孔降至最低。假设这是因为能量密度较小,随后熔体流动更稳定,形成孔隙的可能性较小(图11(c))。然而,焊接速度为16.9 mm/s的5 mm平板焊缝只会导致部分穿透焊道,因此,随着熔合区变大,气孔可能会被困在焊接区内,从而加剧气孔形成的趋势。因此,就气孔的出现和焊缝表面变形而言,建模结果与实验信息一致。工艺变量对气孔形成的影响总结在图12中激光熔焊热流体流动诱导气孔的标准化处理图中。

  本文采用实验和CFD建模方法,研究了激光熔珠-平板焊接过程中匙孔和加工诱导的气孔形成。可以得出以下具体结论:

  1.钛激光熔焊的CFD建模可以预测匙孔的形成和与热流体动力学相关的加工诱导孔隙率。该模型可以进一步验证,以帮助分析孔隙度形成。

  3.工艺导致的气孔率取决于三个焊接参数:板厚、激光功率和移动速度。钢板厚度增加和焊接速度减慢会加剧这种情况。

  4.通过x射线断层扫描、光学显微镜和射线照相术对孔径进行了实验观察。在1mm厚的板材中观察到孔隙形成的趋势降低。然而,在2 mm和5 mm厚的板材中发现了孔隙,这些板材大多为球形,直径为0.38–1.16 mm。

  5.不稳定的流动和/或清除孔隙所需的时间与局部凝固时间是孔隙形成的关键。