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国际工业激光商情

轻便、坚固、零缺陷的激光焊接: 完善汽车工业 的工艺流程

来源:荣格国际工业 激光商情

发布时间:2019年4月12日下午 12:04:28

在降低排放量、提高驾驶安全 性的同时,还要保持成本低廉,汽车工业当前 正面临着向环保汽车转型的挑战。安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)公司的工程师 们正着手优化汽车设计中对材料的使用,使设计既能符 合安全标准,又能减轻对环 境的影响。

在顾及产品的 安全性及对环境影响的同时,还要控制设计的成本,汽车制造商在 产品开发过程中需要考虑的因素之多,令人震惊。对于不断提升 的驾驶安全标准以及越来越受关注的减排和成本控制,车辆的设计和 车身重量是能够对上述关注点产生重要影响的两大因素。

图 1. 上图:可能用到 LWB 的区域示例。橙色部分表示
通过合理的 LWB 设计,能帮助减轻重
量的组件,例如中立柱、纵梁、通道和门环。下图:激光拼焊板,右侧是对接焊
缝的放大图。

汽车制造商依 靠激光拼焊板(laser welded blank,简称 LWB)来控制或减少 车辆各部件(如车架和车身)的材料用量。LWB 是由厚度和等 级不同的钣金组成,参见图 1 中的 LWB 应用示例。在满足其他相 关规定的同时, 这些焊板还必 须符合车辆碰撞安全性的要求。安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)是一家生产高 强度优质钢的公司。这家公司利用 数值仿真不断优化 LWB 焊接工艺,通过寻找 焊接钢板的等 级和厚度这两项参数的最优组合,使他们制造出 的焊板既能保证优良的性能,又能将零件的 重量减至最轻。

符合碰撞和排放要求

“ 通过采用先进 的高强度压力硬化钢,我们对钢板的 安装进行了优化,从而使汽车的 特定区域在保持强度性 能的同时更加轻薄。最终,我们期望获得 卓越的焊接质量, 以确保焊接符 合碰撞测试的安全要求”,安赛乐米塔尔公 司焊接过程建 模及仿真研究团队的负责人 Sadok Gaied 博士如是说。一个安全的焊 接不能在测试过程中发生破裂或折断,否则焊接件将 无法通过安全性测试。

安赛乐米塔尔 公司利用激光焊接的集中热源将固态钢转变成熔融金属,用来形成窄而 深的焊缝,激光焊接过程见图 2 。“大功率激光器 可以产生大量的能量,致使部分金属蒸发。钢在熔化过程中,密度会迅速减小,体积会相应增加, 并且物质运动 也会增强,从而产生高压蒸气。这时会生成一 个‘匙孔’,它是激光冲击 点上的一个窄孔。”Gaied 解释道, “这个孔周围的 钢会熔化,形成一个熔池。液态钢冷却后, 就会将两块钣 金连接起来。”

图 3. 上图:熔融金属未正
确下陷形成的孔(左图); 复杂的流体力
学特性在焊接点中造成的气泡(右 图)。下图:钢水喷溅导致
在焊接点顶部和底部形 成了坡口型咬
边的几何结构,进而在两块钢板之间 留下的间隙(左图);仿真结果显示
了匙孔附近的 流体分布情况
以及预测的焊接点中咬边的几何结构 (右图)。

“多数机械故障 发生的根本原因在于焊缝中存在缺陷, 这是因为焊接 点连接着不同的材料。如果连接的处理不当, 最终会导致其 中的应力过大。”焊接参数不当 还可能造成焊接点不稳定,导致焊缝中出现气孔、部分熔透或咬边,最终造成连接不牢固。图 3 显示了不同焊 接缺陷的示例。

Gaied 补充道:“为了预测各种 焊接情况中可能存在的缺陷,我们用仿真来 研究诸如激光功率等参数对焊接结果的影响。通过这种方式,我们可以虚拟 测试加工条件对缺陷发生概率的影响,并且还能预测 焊接过程中的流体动力学、热力学行为以 及焊接点的最终形态。”

了解工作条件 如何影响焊接质量

在影响焊接质 量的诸多因素中,激光功率、材料对激光束的反射、焊接速度及波 长等细节都会对匙孔周围的传热、相变和流体流 动产生影响。特别是由于存 在相变和热载荷,匙孔角度和熔 池形状会对流体流动特性产生较大的影响。

图 4. COMSOL(R) 软件运行的激
光反射仿真结果显示了不同反射角下的电场模,这些不同的反
射角导致吸收的能量大小也各不相同。

“流体、热力学和电学 行为在这里交织在一起。”Gaied 说,“只有清楚地了 解焊接中发生的具体情况,才能防止这些 缺陷的产生。我们需要将所 有的物理现象放在一起研究, 才能跟踪匙孔 内部及周围的流体流动,并明确地知道 其对焊接稳定性产生的影响。”

Gaied 的团队与南布 列塔尼大学的 Mickael Courtois、 Muriel Carin 和 Philippe Le Masson 合作, 使 用 COMSOL Multiphysics(R) 软件分析了钢 水和固态钢中的温度分布、匙孔角度以及 流场在整个焊接工艺中的变化情况。他们使用 COMSOL(R) 软件在同一仿 真模型中进行了多项研究,从电磁模型开始着手,根据激光反射 角确定了反射和材料的能量吸收特性(见图 4)。

不仅如此,他们还测试了 改变功率水平、波长和焊接速度,用于预测各种 工况下的匙孔形状。由于这个模型 模拟了金属熔化时的传热和相变情况,因此,团队成员能够 使用该模型分析焊接过程中产生的蒸发现象、液体 - 蒸气界面的流 体动力学,以及熔池的扩大情况(如图 5 所示)。

图 5. 左上图:匙孔周围流动
钢水的温度场。左下图:不同焊接速度
下的毛细管倾角(匙孔角度)及周围金属的
温度场结果,箭头表示熔池
和匙孔中的流体流场。右图:匙孔形成过程中,其周围的流体
流动三维视图。[1]

对耦合现象的 建模揭示了最终的焊接结果

为了预测焊接 点的最终形态,Gaied 的团队和来自 南布列塔尼大学的研究小组在前期研究的基础上,根据焊接速度、激光功率及匙 孔大小这三个参数,对焊接熔深进 行了建模。

图 6. 焊接熔深和焊
接缺陷形态的 COMSOL 分析结果(黄色曲线) 与实验结果的对比图。左图和右图分
别为当激光功率为 4 kW、焊 接速度为 6 m/min 和 8 m/min 时的焊接熔深。速度较慢时可实现全 熔透,说明熔敷能量
密度足够高。速度较快时仅
仅实现了局部熔透, 说明能量不足,无法达到高质
量的焊接。[2]

高质量焊接需 要对钢板全熔透。当能量密度有限、功率过低或焊 接速度较快时,将会发生局部熔透。局部熔透会引 起材料咬边,最终在两块焊 板之间留下间隙。图 6 显示了焊接熔深和焊 接缺陷形态的 COMSOL 分析结果与实 验结果的对比。

从左到右依次为:安赛乐米塔尔公司的 Sadok Gaied,南布列塔尼 大学的 Philippe Le Masson、Mickael Courtois 和 Muriel Carin。

不断完善的焊 接技术以确保安全与减排要求

为客户提供合 适的激光拼焊板,需要选择正确 的焊接参数组合。通过调整钢板 的等级和厚度才能为客户供应符合汽车碰撞测试规范、重量要求以及 成本要求的激光拼焊板。 Gaied 的团队通过仿 真来确定一系列工艺条件,以确保生产出 无缺陷的焊接点。“了解这些相互 作用的物理现象,并将它们耦合 起来进行仿真,而不是并行进 行多个研究,这给我们的工 作带来了极大的便利。”Gaied 总结道,“我们一直致力 于帮助汽车行业减轻车身重量,并确保我们的 焊接产品拥有卓越的质量,从而保障驾驶 员在驾驶汽车时的安全。

参考文献

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

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