在降低排放量、提高駕駛安全性的同時，還要保持成本低廉，汽車工業(yè)當(dāng)前正面臨著向環(huán)保汽車轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。安賽樂米塔爾（Arcelor Mittal）公司的工程師們正著手優(yōu)化汽車設(shè)計中對材料的使用，確保最終設(shè)計出的汽車既能符合安全標(biāo)準(zhǔn)，又能減輕對環(huán)境的影響。
在顧及產(chǎn)品的安全性及對環(huán)境影響的同時，還要控制設(shè)計的成本，汽車制造商在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要考慮的因素之多，令人震驚。對于不斷提升的駕駛安全標(biāo)準(zhǔn)以及越來越受關(guān)注的減排和成本控制，車輛的設(shè)計和車身重量是能夠?qū)ι鲜鲫P(guān)注點(diǎn)產(chǎn)生重要影響的兩大因素。
圖1. 上圖：可能用到 LWB 的 區(qū)域示例。橙色部分表示通過 合理的 LWB 設(shè)計，能幫助減輕 重量的組件，例如中立柱、縱梁、 通道和門環(huán)。下圖：激光拼焊板， 右側(cè)是對接焊縫的放大圖。
汽車制造商依靠激光拼焊板（laser welded blank，簡稱LWB）來控制或減少車輛各部件（如車架和車身）的材料用量。LWB是由厚度和等級不同的鈑金組成，參見圖1中的LWB應(yīng)用示例。在滿足其他相關(guān)規(guī)定的同時，這些焊板還必須符合車輛碰撞安全性的要求。
安賽樂米塔爾是一家生產(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，通過尋找焊接鋼板的等級和厚度這兩項參數(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
“通過采用先進(jìn)的高強(qiáng)度壓力硬化鋼，我們對鋼板的安裝進(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試的安全要求”，安賽樂米塔爾公司焊接過程建模及仿真研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人Sadok Gaied博士如是說。一個安全的焊接不能在測試過程中發(fā)生破裂或折斷，否則焊接件將無法通過安全性測試。
圖2. 激光焊接過程中的匙孔和鋼水池。當(dāng)激光沿兩塊鋼板之間的焊 縫移動時，匙孔也會隨之移動，在此過程中，鋼水會不斷注入匙孔 周圍和后部的空間。
安賽樂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，用來形成窄而深的焊縫，激光焊接過程見圖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)。鋼在熔化過程中，密度會迅速減小，體積會相應(yīng)增加，并且物質(zhì)運(yùn)動也會增強(qiáng)，從而產(chǎn)生高壓蒸氣。這時會生成一個‘匙孔’，它是激光沖擊點(diǎn)上的一個窄孔。”Gaied解釋道，“這個孔周圍的鋼會熔化，形成一個熔池。液態(tài)鋼冷卻后，就會將兩塊鈑金連接起來。”
“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)，最終會導(dǎo)致其中的應(yīng)力過大。”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)測各種焊接情況中可能存在的缺陷，我們用仿真來研究諸如激光功率等參數(shù)對焊接結(jié)果的影響。通過這種方式，我們可以虛擬測試加工條件對缺陷發(fā)生概率的影響，并且還能預(yù)測焊接過程中的流體動力學(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、材料對激光束的反射、焊接速度及波長等細(xì)節(jié)都會對匙孔周圍的傳熱、相變和流體流動產(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對流體流動特性產(chǎn)生較大的影響。
圖3. 上圖：熔融金屬未正確下陷形成的孔（左圖）；復(fù)雜的流體力 學(xué)特性在焊接點(diǎn)中造成的氣泡（右圖）。下圖：鋼水噴濺導(dǎo)致在焊 接點(diǎn)頂部和底部形成了坡口型咬邊的幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在兩塊鋼板之 間留下的間隙（左圖）；仿真結(jié)果顯示了匙孔附近的流體分布情況 以及預(yù)測的焊接點(diǎn)中咬邊的幾何結(jié)構(gòu)（右圖）。
“流體、熱力學(xué)和電學(xué)行為在這里交織在一起。”Gaied說，“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，并明確地知道其對焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。”
圖4. COMSOL 軟件運(yùn)行的激光反射仿真結(jié)果顯示了不同反射角下 的電場模，這些不同的反射角導(dǎo)致吸收的能量大小也各不相同。
Gaied 的團(tuán)隊與南布列塔尼大學(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、匙孔角度以及流場在整個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)行了多項研究，從電磁模型開始著手，根據(jù)激光反射角確定了反射和材料的能量吸收特性（見圖 4）。
不僅如此，他們還測試了改變功率水平、波長和焊接速度，用于預(yù)測各種工況下的匙孔形狀。由于這個模型模擬了金屬熔化時的傳熱和相變情況，因此，團(tuán)隊成員能夠使用該模型分析焊接過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)現(xiàn)象、液體- 蒸氣界面的流體動力學(xué)，以及熔池的擴(kuò)大情況（如圖5所示）。
圖5. 左上圖：匙孔周圍流動鋼水的溫度場。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結(jié)果，箭頭表示 熔池和匙孔中的流體流場。右圖：匙孔形成過程中，其周圍的流體 流動三維視圖。
對耦合現(xiàn)象的建模揭示了最終的焊接結(jié)果
為了預(yù)測焊接點(diǎn)的最終形態(tài)，Gaied的團(tuán)隊和來自南布列塔尼大學(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參數(shù)，對焊接熔深進(jìn)行了建模。
圖 6. 焊接熔深和焊接缺陷形態(tài)的 COMSOL 分 析結(jié)果（黃色曲線）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比圖。左 圖和右圖分別為當(dāng)激光功率為4 kW、焊接速度 為6 m/min 和8 m/min 時的焊接熔深。速度較 慢時可實(shí)現(xiàn)全熔透，說明熔敷能量密度足夠高。 速度較快時僅僅實(shí)現(xiàn)了局部熔透，說明能量不 足，無法達(dá)到高質(zhì)量的焊接。
高質(zhì)量焊接需要對鋼板全熔透。當(dāng)能量密度有限、功率過低或焊接速度較快時，將會發(fā)生局部熔透。局部熔透會引起材料咬邊，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)果的對比。
不斷完善的焊接技術(shù)以確保安全與減排要求
為客戶提供合適的激光拼焊板，需要選擇正確的焊接參數(shù)組合。通過調(diào)整鋼板的等級和厚度才能為客戶供應(yīng)符合汽車碰撞測試規(guī)范、重量要求以及成本要求的激光拼焊板。Gaied 的團(tuán)隊通過仿真來確定一系列工藝條件，以確保生產(chǎn)出無缺陷的焊接點(diǎn)。
“了解這些相互作用的物理現(xiàn)象，并將它們耦合起來進(jìn)行仿真，而不是并行進(jìn)行多個研究，這給我們的工作帶來了極大的便利。”Gaied總結(jié)道，“我們一直致力于幫助汽車行業(yè)減輕車身重量，并確保我們的焊接產(chǎn)品擁有卓越的質(zhì)量，從而保障駕駛員在駕駛汽車時的安全。”
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