镁合金/钢激光诱导电弧复合焊接模拟及分析

宋刚; 于培妮; 李涛涛; 刘黎明

doi:doi:10.3788/CJL202047.0602001

中国激光, 2020, 47 (6): 0602001, 网络出版: 2020-06-03

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Simulation and Analysis of Magnesium Alloy/Steel by Laser-Induced Arc Hybrid Welding

宋刚 ^*于培妮李涛涛刘黎明

作者单位

大连理工大学材料科学与工程学院, 辽宁省先进连接技术重点实验室, 辽宁大连 116024

图 & 表

图 1. 焊接示意图。(a)焊接热源分布;(b)复合热源整体偏移

Fig. 1. Schematic of welding process. (a) Structure of the heat source; (b) heat source offset

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图 2. 组合热源作用模式图

Fig. 2. Schematic of combined heat source

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图 3. 工件几何模型及网格划分

Fig. 3. Schematic of geometry model and mesh generation

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图 4. 焊缝的表面形貌。(a)正面焊道;(b)背面焊道

Fig. 4. Weld surface morphology. (a) The first welding; (b) the second welding

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图 5. 焊接接头的扫描电镜分析结果。(a)接头横截面的宏观形貌;(b)图5(a)中的A区域;(c)图5(b)中的B区域

Fig. 5. SEM analysis results of welded joint. (a) Macroscopic appearance of cross section of welded joint; (b) area A in Fig.5(a); (c) area B in Fig.5(b)

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图 6. 焊缝形貌的对比。(a)模拟焊缝;(b)实际焊缝

Fig. 6. Comparison of weld morphology. (a) Simulated weld; (b) experimental weld

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图 7. 热循环曲线的对比

Fig. 7. Comparison of thermal cycle curves

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图 8. 焊件上表面的温度分布云图

Fig. 8. Temperature distribution on weldment

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图 9. 热循环曲线。(a)图8中界面位置C处的热循环曲线;(b)图8中板材表面沿路径AB的温度分布

Fig. 9. Thermal cycle curves. (a) Thermal cycle curves at position C in Fig.8; (b) temperature distribution along path AB in Fig.8

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图 10. 镁合金/钢接头凝固过程示意图

Fig. 10. Schematic of magnesium alloy/steel joint solidification

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表 1激光诱导TIG电弧焊接工艺参数

Table1. Laser-induced tungsten inert gas welding parameters

Laser power P /W	Arc current I /A	Arc voltage U /V	Speed of the first weldingv₁ /(mm·min^-1)	Speed of the second weldingv₂ /(mm·min^-1)
330	50	10	800	1200

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表 2Fe₆₇Ni₃₃材料的热物性参数

Table2. Thermal and physical parameters of Fe₆₇Ni₃₃

Temperature /℃	Thermal conductivity /(W·m^-1·℃^-1)	Density /(kg·m^-3)	Specific heat /(J·kg^-1·℃^-1)
0	25.27	8271	442.18
250	30.64	8074	583.20
500	19.08	7973	541.88
750	23.26	7855	573.32
1000	27.45	7738	610.81
1250	31.63	7623	649.75
1500	34.10	7305	781.81
1750	39.40	7086	794.19
2000	44.69	6853	794.19
2250	49.98	6611	794.19
2500	55.27	6362	794.19

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表 3总换热系数

Table3. Total heat transfer coefficient

Temperature /℃	Total heat transfer coefficient /(W·m^-2·℃^-1)
20	6
300	50
600	120
900	200
1200	250
1500	378
1800	700

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表 4熔池尺寸的误差分析

Table4. Error analysis of molten pool size

Parameter	Measured value /mm	Simulated value /mm	Relative error /%
Weld width of magnesium alloy (W_m)	2.64	2.51	5.2
First weld width of steel (W_F)	0.71	0.75	5.3
Frist weld depth of steel (H_F)	0.69	0.71	2.8
Second weld width of steel (W_S)	0.54	0.53	1.9
Second weld depth of steel (H_S)	0.51	0.49	4.1

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宋刚, 于培妮, 李涛涛, 刘黎明. 镁合金/钢激光诱导电弧复合焊接模拟及分析[J]. 中国激光, 2020, 47(6): 0602001. Song Gang, Yu Peini, Li Taotao, Liu Liming. Simulation and Analysis of Magnesium Alloy/Steel by Laser-Induced Arc Hybrid Welding[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(6): 0602001.

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图 1. 焊接示意图。(a)焊接热源分布;(b)复合热源整体偏移

Fig. 1. Schematic of welding process. (a) Structure of the heat source; (b) heat source offset

图 2. 组合热源作用模式图

Fig. 2. Schematic of combined heat source

图 3. 工件几何模型及网格划分

Fig. 3. Schematic of geometry model and mesh generation

图 4. 焊缝的表面形貌。(a)正面焊道;(b)背面焊道

Fig. 4. Weld surface morphology. (a) The first welding; (b) the second welding

图 5. 焊接接头的扫描电镜分析结果。(a)接头横截面的宏观形貌;(b)图5(a)中的A区域;(c)图5(b)中的B区域

Fig. 5. SEM analysis results of welded joint. (a) Macroscopic appearance of cross section of welded joint; (b) area A in Fig.5(a); (c) area B in Fig.5(b)

图 6. 焊缝形貌的对比。(a)模拟焊缝;(b)实际焊缝

Fig. 6. Comparison of weld morphology. (a) Simulated weld; (b) experimental weld

图 7. 热循环曲线的对比

Fig. 7. Comparison of thermal cycle curves

图 8. 焊件上表面的温度分布云图

Fig. 8. Temperature distribution on weldment

图 9. 热循环曲线。(a)图8中界面位置C处的热循环曲线;(b)图8中板材表面沿路径AB的温度分布

Fig. 9. Thermal cycle curves. (a) Thermal cycle curves at position C in Fig.8; (b) temperature distribution along path AB in Fig.8

图 10. 镁合金/钢接头凝固过程示意图

Fig. 10. Schematic of magnesium alloy/steel joint solidification

表 1激光诱导TIG电弧焊接工艺参数

Table1. Laser-induced tungsten inert gas welding parameters

表 2Fe₆₇Ni₃₃材料的热物性参数

Table2. Thermal and physical parameters of Fe₆₇Ni₃₃

表 3总换热系数

Table3. Total heat transfer coefficient

表 4熔池尺寸的误差分析

Table4. Error analysis of molten pool size

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图 1. 焊接示意图。(a)焊接热源分布;(b)复合热源整体偏移

Fig. 1. Schematic of welding process. (a) Structure of the heat source; (b) heat source offset

图 2. 组合热源作用模式图

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图 3. 工件几何模型及网格划分

Fig. 3. Schematic of geometry model and mesh generation

图 4. 焊缝的表面形貌。(a)正面焊道;(b)背面焊道

Fig. 4. Weld surface morphology. (a) The first welding; (b) the second welding

图 5. 焊接接头的扫描电镜分析结果。(a)接头横截面的宏观形貌;(b)图5(a)中的A区域;(c)图5(b)中的B区域

Fig. 5. SEM analysis results of welded joint. (a) Macroscopic appearance of cross section of welded joint; (b) area A in Fig.5(a); (c) area B in Fig.5(b)

图 6. 焊缝形貌的对比。(a)模拟焊缝;(b)实际焊缝

Fig. 6. Comparison of weld morphology. (a) Simulated weld; (b) experimental weld

图 7. 热循环曲线的对比

Fig. 7. Comparison of thermal cycle curves

图 8. 焊件上表面的温度分布云图

Fig. 8. Temperature distribution on weldment

图 9. 热循环曲线。(a)图8中界面位置C处的热循环曲线;(b)图8中板材表面沿路径AB的温度分布

Fig. 9. Thermal cycle curves. (a) Thermal cycle curves at position C in Fig.8; (b) temperature distribution along path AB in Fig.8

图 10. 镁合金/钢接头凝固过程示意图

Fig. 10. Schematic of magnesium alloy/steel joint solidification

表 1激光诱导TIG电弧焊接工艺参数

Table1. Laser-induced tungsten inert gas welding parameters

表 2Fe67Ni33材料的热物性参数

Table2. Thermal and physical parameters of Fe67Ni33

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