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準以及越來越受關(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（ArcelorMittal）是一家生產(chǎn)高強度優(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

“ 通過采用先進的高強度壓力硬化鋼，我們對鋼板的安裝進行了優(yōu)化，從而使汽車的特定區(qū)域在保持強度性 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隊的負責人 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。

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 ?！按蠊β始す馄骺梢援a(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)運動也會增強，從而產(chǎn)生高壓蒸氣。這時會生成一 個‘匙孔’，它是激光沖擊點上的一個窄孔?！盙aied 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?！?/span>

“多數(shù)機械故障發(fā)生的根本原因在于焊縫中存在缺陷， 這是因為焊接點連接著不同的材料。如果連接的處理不當， 最終會導(dǎo)致其中的應(yīng)力過大。”焊接參數(shù)不當還可能造成焊接點不穩(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)行為以及焊接點的最終形態(tài)?！?/span>

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。

“流體、熱力學(xué)和電學(xué)行為在這里交織在一起?！盙aied 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?！?/span>

Gaied 的團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)，以及熔池的擴大情況（如圖 5 所示）。

對耦合現(xiàn)象的建模揭示了最終的焊接結(jié)果

為了預(yù)測焊接點的最終形態(tài)，Gaied 的團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)，對焊接熔深進行了建模。

高質(zhì)量焊接需要對鋼板全熔透。當能量密度有限、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)果與實驗結(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。“了解這些相互作用的物理現(xiàn)象，并將它們耦合起來進行仿真，而不是并行進行多個研究，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。

參考文獻

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)

作者： LEXI CARVER