輕便、堅固、零缺陷的激光焊接:完善汽車工業的工藝流程

來源:榮格國際汽車設計及制造    關鍵詞:激光, , 激光技術,    發布時間:2019-05-07

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在顧及產品的安全性及對環境影響的同時,還要控制設計的成本,汽車制造商在產品開發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注的減排和成本控制,車輛的設計和車身重量是 能夠對上述關注點產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 應用示例。在滿足其他相關規定的同時,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)是一家生產高強度優質鋼的公司。這家公司利用數值仿真不斷優化 LWB 焊接 工藝,通過尋找焊接鋼板的等級和厚度這兩項參數的最優組合, 使他們制造出的焊板既能保證優良的性能,又能將零件的重量減至最輕。

圖 1. 上圖:可能用到 LWB 的區域示例。橙色部分表示通過合理的 LWB 設計,能幫助減輕重量的組件,例如中立柱、縱梁、通道和門環。 下圖:激光拼焊板,右側是對接焊縫的放大圖。

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化,從而使汽車的特定區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鋼轉變成熔融金屬,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生大量的能量,致使部分金屬蒸發。鋼在熔化過程中,密度會迅速減小,體積會相應增加,并且物質運動也會 增強,從而產生高壓蒸氣。這時會生成一個‘匙孔’,它是激光致其中的應力過大?!焙附訁挡划斶€可能造成焊接點不穩定, 導致焊縫中出現氣孔、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。

圖 3. 上圖:熔融金屬未正確下陷形成的孔(左圖); 復雜的流體力學特性在焊接點中造成的氣泡(右圖)。下圖:鋼水噴濺導致在焊接點頂部和底部形成了坡口型咬邊的幾何結構,進而在兩塊鋼板之間留下的間隙(左圖);仿真結果顯示了匙孔附近的流體分布情況以及預測的焊接點中咬邊的幾何結構 (右圖)。

Gaied 補充道:“為了預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對焊接結果的影響。通過這種方式,我們可以虛擬測試加工條件對缺陷發生概率的影響, 并且還能預測焊接過程中的流體動力學、熱力學行為以及焊接點的最終形態?!?

了解工作條件如何影響焊接質量

在影響焊接質量的諸多因素中,激光功率、材料對激光束的反射、焊接速度及波長等細節都會對匙孔周圍的傳熱、相變和流體流動產生影響。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生較大的影響。

“流體、熱力學和電學行為在這里交織在一起?!盙aied 說, “只有清楚地了解焊接中發生的具體情況,才能防止這些缺陷的產生。我們需要將所有的物理現象放在一起研究,才能跟蹤匙孔內部及周圍的流體流動,并明確地知道其對焊接穩定性產生的影響?!?

Gaied 的團隊與南布列塔尼大學的 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,根據激光反射角確定了反射和材料的能量吸收特性(見圖 4)。

圖 4. COMSOL® 軟件運行的激光反射仿真結果顯示了不同反射角下的電場模,這些不同的反射角導致吸收的能量大小也各不相同。

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 過程中產生的蒸發現象、液體 - 蒸氣界面的流體動力學,以及熔池的擴大情況(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管傾角(匙孔角度)及周圍金屬的溫度場結果,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。[1]

對耦合現象的建模揭示了最終的焊接結果

為了預測焊接點的最終形態,Gaied 的團隊和來自南布列塔尼大學的研究小組在前期研究的基礎上,根據焊接速度、激光功率及匙孔大小這三個參數,對焊接熔深進行了建模。

高質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的 COMSOL 分析結果與實驗結果的對比。

圖 6. 焊接熔深和焊接缺陷形態的 COMSOL 分析結果(黃色曲線)與實 驗結果的對比圖。左圖和右圖分別為當激光功率為 4 kW、焊接速度為 6 m/min 和 8 m/min 時的焊接熔深。速度較慢時可實現全熔透,說明熔 敷能量密度足夠高。速度較快時僅僅實現了局部熔透,說明能量不足, 無法達到高質量的焊接。[2]

從左到右依次為:安賽樂米塔爾公司的 Sadok Gaied,南布列塔尼大學 的 Philippe Le Masson、Mickael Courtois 和 Muriel Carin。

不斷完善的焊接技術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組合。通過調整鋼板的等級和厚度才能為客戶供應符合汽車碰撞測試規范、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,以確保生產出無缺陷的焊接點?!傲私膺@些相互作用的物理現象,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?!盙aied 總結道,“我們一直致力于幫助汽車行業減輕車身重量,并確保我們的焊接產品擁有卓越的質量,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)

本文摘自《國際工業激光商情》

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