在顧及產(chǎn)品的安全性及對(duì)環(huán)境影響的同時(shí)，還要控制設(shè)計(jì)的成本，汽車制造商在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要考慮的因素之多，令人震驚。對(duì)于不斷提升的駕駛安全標(biāo)準(zhǔn)以及越來(lái)越受關(guān)注的減排和成本控制，車輛的設(shè)計(jì)和車身重量是能夠?qū)ι鲜鲫P(guān)注點(diǎn)產(chǎn)生重要影響的兩大因素。
汽車制造商依靠激光拼焊板（laser welded blank，簡(jiǎn)稱 LWB）來(lái)控制或減少車輛各部件（如車架和車身）的材料用量。LWB 是由厚度和等級(jí)不同的鈑金組成，參見(jiàn)圖 1 中的 LWB 應(yīng)用示例。在滿足其他相關(guān)規(guī)定的同時(shí)， 這些焊板還必須符合車輛碰撞安全性的要求。安賽樂(lè)米塔爾（ArcelorMittal）是一家生產(chǎn)高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼的公司。這家公司利用數(shù)值仿真不斷優(yōu)化 LWB 焊接工藝，通過(guò)尋找焊接鋼板的等級(jí)和厚度這兩項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)組合，使他們制造出的焊板既能保證優(yōu)良的性能，又能將零件的重量減至最輕。
符合碰撞和排放要求
“ 通過(guò)采用先進(jìn)的高強(qiáng)度壓力硬化鋼，我們對(duì)鋼板的安裝進(jìn)行了優(yōu)化，從而使汽車的特定區(qū)域在保持強(qiáng)度性能的同時(shí)更加輕薄。最終，我們期望獲得卓越的焊接質(zhì)量， 以確保焊接符合碰撞測(cè)試的安全要求”，安賽樂(lè)米塔爾公司焊接過(guò)程建模及仿真研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Sadok Gaied 博士如是說(shuō)。一個(gè)安全的焊接不能在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生破裂或折斷，否則焊接件將無(wú)法通過(guò)安全性測(cè)試。
安賽樂(lè)米塔爾公司利用激光焊接的集中熱源將固態(tài)鋼轉(zhuǎn)變成熔融金屬，用來(lái)形成窄而深的焊縫，激光焊接過(guò)程見(jiàn)圖 2 。“大功率激光器可以產(chǎn)生大量的能量，致使部分金屬蒸發(fā)。 鋼在熔化過(guò)程中，密度會(huì)迅速減小，體積會(huì)相應(yīng)增加，并且物質(zhì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)增強(qiáng)，從而產(chǎn)生高壓蒸氣。這時(shí)會(huì)生成一個(gè)‘匙 孔’，它是激光沖擊點(diǎn)上的一個(gè)窄孔。”Gaied 解釋道，“這個(gè)孔周圍的鋼會(huì)熔化，形成一個(gè)熔池。液態(tài)鋼冷卻后，就會(huì)將兩塊鈑金連接起來(lái)。”
“多數(shù)機(jī)械故障發(fā)生的根本原因在于焊縫中存在缺陷，這是因?yàn)楹附狱c(diǎn)連接著不同的材料。如果連接的處理不當(dāng)，最終會(huì)導(dǎo)致其中的應(yīng)力過(guò)大。”焊接參數(shù)不當(dāng)還可能造成焊接點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)氣孔、部分熔透或咬邊，最終造成連接不牢固。圖 3 顯示了不同焊接缺陷的示例。
Gaied 補(bǔ)充道：“為了預(yù)測(cè)各種焊接情況中可能存在的缺陷，我們用仿真來(lái)研究諸如激光功率等參數(shù)對(duì)焊接結(jié)果的影響。通過(guò)這種方式，我們可以虛擬測(cè)試加工條件對(duì)缺陷發(fā)生概率的影響，并且還能預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中的流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)行為以及焊接點(diǎn)的最終形態(tài)。”
了解工作條件如何影響焊接質(zhì)量
在影響焊接質(zhì)量的諸多因素中，激光功率、材料對(duì)激光束的反射、焊接速度及波長(zhǎng)等細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)匙孔周圍的傳熱、相變和流體流動(dòng)產(chǎn)生影響。特別是由于存在相變和熱載荷，匙孔角度和熔池形狀會(huì)對(duì)流體流動(dòng)特性產(chǎn)生較大的影響。
“流體、熱力學(xué)和電學(xué)行為在這里交織在一起。”Gaied 說(shuō)，“只有清楚地了解焊接中發(fā)生的具體情況，才能防止這些缺陷的產(chǎn)生。我們需要將所有的物理現(xiàn)象放在一起研究， 才能跟蹤匙孔內(nèi)部及周圍的流體流動(dòng)，并明確地知道其對(duì)焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。”
Gaied 的團(tuán)隊(duì)與南布列塔尼大學(xué)的 Mickael Courtois、 Muriel Carin 和 Philippe Le Masson 合 作， 使 用 COMSOL Multiphysics® 軟件分析了鋼水和固態(tài)鋼中的溫度分布、匙孔角度以及流場(chǎng)在整個(gè)焊接工藝中的變化情況。他們使用 COMSOL® 軟件在同一仿真模型中進(jìn)行了多項(xiàng)研究，從電磁模型開(kāi)始著手，根據(jù)激光反射角確定了反射和材料的能量吸收特性（見(jiàn)圖 4）。
不僅如此，他們還測(cè)試了改變功率水平、波長(zhǎng)和焊接速度，用于預(yù)測(cè)各種工況下的匙孔形狀。由于這個(gè)模型模擬了金屬熔化時(shí)的傳熱和相變情況，因此，團(tuán)隊(duì)成員能夠使用該模型分析焊接過(guò)程中產(chǎn)生的蒸發(fā)現(xiàn)象、液體 - 蒸氣界面的流體動(dòng)力學(xué)，以及熔池的擴(kuò)大情況（如圖 5 所示）。
![圖 5. 左上圖：匙孔周圍流動(dòng)鋼水的溫度場(chǎng)。左下圖：不同焊接速度下的毛細(xì)管傾角（匙孔角度）及周圍金屬的溫度場(chǎng)結(jié)果，箭頭表示熔池 和匙孔中的流體流場(chǎng)。右圖：匙孔形成過(guò)程中，其周圍的流體流動(dòng)三維視圖。[1]](http://www.shouder.cn/file/upload/201907/02/2206253713.png)
對(duì)耦合現(xiàn)象的建模揭示了最終的焊接結(jié)果
為了預(yù)測(cè)焊接點(diǎn)的最終形態(tài)，Gaied 的團(tuán)隊(duì)和來(lái)自南布列塔尼大學(xué)的研究小組在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊接速度、激光功率及匙孔大小這三個(gè)參數(shù)，對(duì)焊接熔深進(jìn)行了 建模。
高質(zhì)量焊接需要對(duì)鋼板全熔透。當(dāng)能量密度有限、功率過(guò)低或焊接速度較快時(shí)，將會(huì)發(fā)生局部熔透。局部熔透會(huì)引起材料咬邊，最終在兩塊焊板之間留下間隙。圖 6 顯示了焊接熔深和焊接缺陷形態(tài)的 COMSOL 分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。
參考文獻(xiàn)
1. M. Courtois, M. Carin, P. Le Masson, S.Gaied, M. Balabane. Guidelines in the experimental validation of a 3D heat and fluid flow model of keyhole laser welding. Journal of Physics D: Applied Physics (2016), 49 (15)
2. M. Courtois, M. Carin, P. Le Masson, S. Gaied, M. Balabane. A new approach to compute multi-reflections of laser beam in a keyhole for heat transfer and fluid flow modeling in laser welding. Journal of Physics D: Applied Physics (2013), 46 (50)
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