據悉，本文對對不鏽鋼-鎳異種熱電偶的激光點焊進行了實驗和數值研究。

摘要

對不鏽鋼-鎳異種熱電偶的激光點焊進行了實驗和數值研究。基於(yu) 焊接熔池中質量、動量、能量守恒和溶質輸運方程的求解，采用三維傳(chuan) 熱傳(chuan) 質模型對焊接過程進行了數值模擬。計算的熔合區幾何結構和元素分布與(yu) 相應的實驗結果吻合良好。通過比較考慮對流和不考慮對流兩(liang) 種情況，分析了流體(ti) 流動對溫度場及其演化的作用。遠離熔池的溫度場非常相似，但靠近熱源的溫度場差異很大。在熔池形成後的早期階段，由於(yu) 混合時間不足，元素鐵在熔池中的分布不均勻。在熔池形成的初始階段，質量傳(chuan) 輸的速度最高，並且隨著時間的推移而降低。在不鏽鋼和鎳的激光點焊過程中，對流對傳(chuan) 熱和傳(chuan) 質都有顯著影響。

1.介紹

脈衝(chong) 激光點焊廣泛用於(yu) 航空航天、電信和醫療行業(ye) 中要求高電氣和電子可靠性的小型部件（如微波外殼、電池和其他封裝）的焊接。近幾十年來，隨著原材料成本的上升，為(wei) 特定產(chan) 品選擇單一金屬可能成本高昂。在產(chan) 品中使用不同的金屬和合金為(wei) 設計師和工程師提供了極大的靈活性，與(yu) 使用單一材料的傳(chuan) 統製造方法相比，這通常會(hui) 帶來技術和經濟優(you) 勢。例如，高強度不鏽鋼可以與(yu) 鎳等防腐金屬結合，以承受高壓容器中的機械負荷和化學腐蝕。

然而，由於(yu) 兩(liang) 種金屬的物理和化學性質（如導熱係數、熱容、熱膨脹係數和熔化溫度）的差異，許多問題如散熱不足導致的部分穿透，在連接異種金屬時，由於(yu) 溶質稀釋或熱處理不當而形成脆性金屬間化合物或低熔點共晶，可能會(hui) 使接頭容易出現裂紋和故障。選擇合適的熱處理溫度和金屬材料的成分是解決(jue) 這些問題並獲得所需組織和機械性能的有效途徑，這就需要合適的激光焊接參數。然而，對這些參數的許多試驗似乎很耗時，對傳(chuan) 熱傳(chuan) 質的數值模擬有助於(yu) 預測不同工藝參數下的溫度和成分。

使用聚焦在鋼側(ce) 的激光焊接銅-鋼接頭：（a）接頭S1的宏觀組織，（b）通過EDS線掃描的接頭S1的Fe（K）和Cu（K）強度分布，（c）接頭S2的宏觀組織，以及（d）通過EDS線掃描的接頭S2的Fe（K）和Cu（K）強度分布。

上圖顯示了接頭S1的OM橫截麵形態，其中虛線表示EDS線掃描的位置，圖b顯示了Fe（K）和Cu（K）的相應強度分布。可以看出在Cu和Fe板之間的混合區中存在少量氣孔和裂紋。在接頭S2的混合區，裂紋和孔隙幾乎被消除，如圖c所示。圖d顯示了沿圖3c所示線的EDS強度分布。通過比較圖3b和圖3d中的結果，可以看出板厚和激光功率對混合區中銅元素的分布有重要影響。

近幾十年來，傳(chuan) 熱和流體(ti) 流動的計算模型已被用於(yu) 了解類似金屬焊接應用中溫度場和速度場的演變。He等人研究了在自由表麵平坦的假設下，不鏽鋼激光點焊過程中溫度場和速度場的演變。數值研究了在硫和氧等表麵活性元素存在或不存在的情況下，由熔池表麵溫度梯度引起的Marangoni–Benard對流和由熔池內(nei) 密度變化引起的Rayleigh–Benard對流。使用各種模型研究了合金傳(chuan) 導模式激光焊接中元素蒸發產(chan) 生的熱量和質量損失。激光加工中固液界麵的非平衡凝固性質和溶質分配也得到了解釋。這些模型大多基本遵循固定網格法，采用焓-孔隙率公式來處理固液相變問題。

銅鎳異種熱電偶激光焊接示意圖。

盡管對相似材料焊接進行了許多研究，但很少有研究涉及異種金屬焊接的建模，但人們(men) 的興(xing) 趣正在上升。Zhao及其同事使用三維有限元模型預測了不同激光功率和掃描速度下的溫度場。然後利用模擬優(you) 化工藝參數，以控製兩(liang) 種金屬界麵處的熱輸入，從(cong) 而抑製Ti6Al4V和42CrMo激光搭接焊接過程中脆性金屬間化合物的形成。他們(men) 的模擬忽略了Marangoni對流和質量傳(chuan) 輸的影響。Chung和Wei使用二維模型，基於(yu) VOF方法和SIMPLE算法，預測兩(liang) 種不互溶金屬連續焊接中熔合區的形狀。Phanikumar等人將其擴展為(wei) 三維瞬態模型，以解決(jue) 層流流體(ti) 假設下銅鎳異種偶件激光焊接過程中的傳(chuan) 熱、流體(ti) 流動和物種守恒問題。Chakraborty和Chakraborty進行了非定常雷諾平均Navier-Stokes模擬，通過比較層流和湍流下的結果來證明湍流效應。

本文建立了不鏽鋼與(yu) 鎳激光點焊的三維傳(chuan) 熱傳(chuan) 質模型。分析了不同時刻的溫度場和濃度分布。計算的熔池尺寸和元素分布與(yu) 相應的實驗結果進行了比較，以驗證該模型。這項工作表明，數值傳(chuan) 輸現象的應用可以顯著增加異種熔焊的定量知識庫。

2.實驗

實驗中使用了304不鏽鋼和鎳。焊接前用丙酮清潔表麵。在一台具有五軸數控工作站的1kW Nd:YAG激光材料加工係統上進行了實驗。150毫米焦距透鏡用於(yu) 聚焦激光束。離焦距離為(wei) 9.5mm，試樣頂麵對應的光束半徑為(wei) 1.0mm。使用650 W的激光功率，相互作用時間為(wei) 500 ms。圖1顯示了尺寸為(wei) 20 mm×10 mm×2 mm的304不鏽鋼和鎳板的激光點焊示意圖。

圖1 304不鏽鋼-鎳異種熱電偶激光點焊示意圖。

3.數學建模

3.1. 主要假設

本文建立了一個(ge) 瞬態三維模型來模擬不鏽鋼-鎳異種熱電偶激光點焊過程中的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質過程。為(wei) 了簡化計算，做出以下假設：

1.假定熔融金屬為(wei) 牛頓型且不可壓縮，並使用Boussinesq近似來解釋由於(yu) 溫度和濃度變化引起的密度變化。流體(ti) 是層流的。

2.焊接在傳(chuan) 導模式下進行，熔池的自由表麵是平坦的。不考慮兩(liang) 個(ge) 工件之間的熱接觸電阻。

3.激光束在工作空間頂麵的入射通量為(wei) 高斯分布。

4.假定熔池金屬的相關(guan) 物理和熱性能（如導熱係數、比熱和粘度）與(yu) 溫度無關(guan) ，且固相和液相的物理和熱性能不同，但隨成分呈線性變化。

5.主要元素的二元相圖用於(yu) 研究合金凝固。

3.2. 控製方程

整個(ge) 矩形計算域被劃分為(wei) 小的矩形控製體(ti) 。控製方程在交錯網格上用控製體(ti) 積法離散。壓力、溫度、物種濃度等標量存儲(chu) 在計算單元的中心。速度分量存儲(chu) 在相應的單元麵中心。數值解的一般框架基於(yu) SIMPLEC算法。使用159×160×50網格的非均勻網格，在熱源附近使用更細的網格。最小網格間距為(wei) 20μm。上表麵用於(yu) 數值模擬的網格如圖2所示。

圖2 頂部表麵用於(yu) 數值模擬的網格。

4.結果和討論

4.1 熱傳(chuan) 輸：流體(ti) 流動對溫度場的影響

傳(chuan) 統的計算焊接力學專(zhuan) 注於(yu) 熱應力和應變場、結構變形和變形以及微觀結構的演變，為(wei) 了簡單起見，使用傅立葉熱傳(chuan) 導模型預測溫度場的演變。然而，在異種金屬焊接過程中，熔池中的流體(ti) 流動可能會(hui) 影響傳(chuan) 熱，並影響溫度場和組分分布。

圖3（a–f）顯示了兩(liang) 種情況下在加熱期間不同時間計算的溫度場和速度場的比較。圖中的輪廓值表示以Kelvin為(wei) 單位的溫度。黃色和紅色部分代表液體(ti) 區域。可以看出，在這兩(liang) 種情況下，遠離熔池的溫度場在不同時間是相似的，這表明了在傳(chuan) 統焊接力學中忽略流體(ti) 流動和質量傳(chuan) 輸的一些合理性。然而，對於(yu) 靠近熱源的區域，情況卻截然不同。對於(yu) 情況1，熔合區更深、更窄，並且具有半球形，這是由於(yu) 能量僅(jin) 通過熱傳(chuan) 導從(cong) 激光束中心徑向傳(chuan) 輸而產(chan) 生的。峰值溫度總是在304不鏽鋼一側(ce) ，因為(wei) 其導熱係數遠低於(yu) 鎳。對於(yu) 情況2，當考慮流體(ti) 流動和質量傳(chuan) 輸時，由於(yu) 最大熱輸入通量，峰值溫度向激光束中心移動。當表麵張力的溫度係數為(wei) 負值時，流體(ti) 從(cong) 激光束的中心（表麵張力變小）流向熔池的外圍，增強了從(cong) 熱零件到冷零件的能量傳(chuan) 輸。因此，情況2的峰值溫度遠低於(yu) 情況1（2423 K vs 3058 K），並且在加熱期間，熔池中的溫度梯度較小。圖4（a–d）顯示了兩(liang) 種情況在冷卻循環期間計算的溫度場和速度場的比較。在激光器關(guan) 閉後，情況2的熔池僅(jin) 保持液態30 ms，而情況1的時間要長得多（約140 ms）。

圖3 兩(liang) 種情況下加熱期間不同時間的溫度場。

圖4 兩(liang) 種情況下冷卻期間不同時間的溫度場。

溫度梯度對熱應力的產(chan) 生至關(guan) 重要，溫度本身影響應力-應變關(guan) 係。根據局部溫度和熔化溫度的比率，指定的本構模型可能會(hui) 有所不同，從(cong) 速率無關(guan) 塑性（小於(yu) 0.5）、速率相關(guan) 塑性（0.5–0.8）到線性粘性（大於(yu) 0.8）。因此，應該研究溫度和溫度梯度的演變。圖5顯示了距離熱源0.5 mm的兩(liang) 個(ge) 位置的溫度變化。如圖所示，當溫度超過固相線時，情況2的冷卻速度要高得多。這可以歸因於(yu) 流體(ti) 流動，除了熱傳(chuan) 導之外，流體(ti) 流動還作為(wei) 另一種機製將熱量從(cong) 熱部件傳(chuan) 輸到冷部件，使熱部件更快冷卻。

圖5 不同位置的焊接熱循環。

兩(liang) 種情況下，兩(liang) 個(ge) 位置之間的溫差演變也不同。在加熱期間，情況2的兩(liang) 個(ge) 位置之間的溫差比情況1小得多，因為(wei) 流體(ti) 流動有助於(yu) 增強從(cong) 熱零件到冷零件的熱傳(chuan) 輸。激光器關(guan) 閉後，熔池凝固，流體(ti) 流動減弱並迅速消失。熱傳(chuan) 遞的主要機製是熱傳(chuan) 導，鎳側(ce) 的溫度下降速度比不鏽鋼側(ce) 快，因為(wei) 鎳具有更高的導熱性。因此，對於(yu) 情況2，兩(liang) 個(ge) 位置之間的溫差增大，與(yu) 加熱期間相比，情況1略有不同。盡管不鏽鋼的導熱係數較低，但在加熱期間產(chan) 生的高溫度梯度會(hui) 產(chan) 生相當的熱流，導致冷卻期間兩(liang) 個(ge) 位置之間的溫差較小。

4.2. 質量傳(chuan) 輸

當熔池開始形成時，流體(ti) 將鐵和鉻等元素從(cong) 不鏽鋼側(ce) 輸送到鎳側(ce) ，這些元素與(yu) 鎳混合。同樣，鎳元素從(cong) 鎳側(ce) 傳(chuan) 輸到不鏽鋼側(ce) 。圖6和圖7分別顯示了不同時間內(nei) 鐵在頂麵和橫截麵上的濃度分布。對於(yu) 上表麵，由於(yu) 混合時間不足，在最初的60 ms內(nei) ，熔池中鐵元素的分布不均勻。60ms後，兩(liang) 側(ce) 金屬繼續熔化，熔池尺寸繼續擴大，上表麵濃度分布接近均勻。然而，對於(yu) 橫截麵，鐵元素在60ms時分布不均勻，尤其是在固液界麵附近。鐵元素在橫截麵上均勻分布的時間較長，約為(wei) 90 ms。因此，在上表麵的傳(chuan) 質比橫截麵更快。由於(yu) 溫度梯度和濃度梯度引起的Marangoni應力，上表麵的對流很強。不均勻的元素分布會(hui) 導致較大的Marangoni應力，這反過來會(hui) 加速流體(ti) 流向輸送質量。

圖6 在（a）10ms的不同時間內(nei) ，鐵在上表麵的濃度分布；（b） 30ms；（c） 60ms和（d）500ms。

圖7 在（a）10ms的不同時間內(nei) ，鐵沿橫截麵的濃度分布；（b） 30ms；（c） 60ms；（d） 90ms；（e） 120ms和（f）500ms。

圖8顯示了遠離熱源0.5 mm的兩(liang) 個(ge) 位置的鐵濃度變化。如圖所示，熔池形成後，元素快速混合。因此，在熔化的初始階段，不鏽鋼側(ce) 的鐵濃度降低，而鎳側(ce) 的鐵濃度升高，且速度很快。隨著兩(liang) 個(ge) 位置的濃度差減小，質量傳(chuan) 輸變得更加緩慢。因此，在不鏽鋼和鎳的激光點焊過程中，兩(liang) 個(ge) 位置的濃度差和質量傳(chuan) 輸速度都會(hui) 隨著時間的推移而減小，直到元素分布變得均勻為(wei) 止。

圖8 鐵在不同位置的濃度變化。

對於(yu) 激光焊接，需要均勻的溶質分布，因為(wei) 合金元素的不均勻分布可能會(hui) 嚴(yan) 重影響焊接件的機械性能。混合的均勻性和由此產(chan) 生的濃度分布主要由熔池中的對流決(jue) 定。該數值模型有助於(yu) 預測成分分布，以尋求合適的顯微組織和目標機械性能所需的最佳激光焊接參數。

4.3. 計算結果與(yu) 實驗結果的比較

將實驗確定的熔池橫截麵與(yu) 圖9中相應的計算結果進行比較。觀察到，情況2的計算熔池幾何形狀和尺寸與(yu) 實驗結果吻合較好，而情況1的熔合區更深、更窄。由於(yu) 固體(ti) 鎳的高導電性，鎳側(ce) 熔合區的尺寸小於(yu) 激光束的半徑（1.00 mm）。相反，不鏽鋼側(ce) 的熔合區（1.4mm）要大得多，其尺寸超過了激光束的半徑。

圖9 （a）模擬情況1的實驗和計算熔池橫截麵；（b）模擬情況2；（c）實驗。

圖10顯示了計算和實驗元素分布的比較。掃描軌跡如圖9（c）所示。計算結果與(yu) 實驗結果吻合良好，表明了本文數值模型的有效性。通過Marangoni對流和質量擴散，元素在熔池中幾乎均勻分布，根據Fe–Ni二元相圖，凝固過程中的溶質分配不明顯。

圖10 實驗（a）和計算（b）元素分布。

值得注意的是，由於(yu) 濃度梯度引起的Marangoni應力總是傾(qing) 向於(yu) 使元素均勻分布，因為(wei) 在這種平衡條件下，它的勢能最低。然而，這並不一定意味著在任何激光加工過程中元素分布都應該是均勻的。當非平衡分配係數（kp）遠離單位時，其他因素，如脈衝(chong) 持續時間短或掃描速度快導致混合時間不足，或快速凝固過程中溶質重新分布都不可忽略，會(hui) 導致分布不均勻。在異種金屬激光焊接中，由於(yu) 合金中的活性元素，氣孔、小孔形成和表麵張力變化等其他複雜問題也在熱量和質量傳(chuan) 輸中發揮重要作用，並為(wei) 未來的研究提供了挑戰。

5.結論

采用三維瞬態數值模型研究了不鏽鋼-鎳異種熱電偶激光點焊過程中的傳(chuan) 熱傳(chuan) 質問題。計算的熔合區幾何形狀和元素分布與(yu) 實驗結果吻合良好。調查的一些重要發現如下：

(1)給出了兩(liang) 種情況下的模擬結果，以說明異種熱電偶激光焊接過程中流體(ti) 流動對傳(chuan) 熱的重要性。遠離熔池的溫度場不受流體(ti) 流動的影響。然而，對於(yu) 靠近熱源的位置，當考慮流體(ti) 流動時，加熱期間的峰值溫度和溫度梯度都會(hui) 降低。冷卻速度增加，熔池凝固更快。

(2)由於(yu) 有足夠的混合時間，90ms後鐵元素在熔池中的分布是均勻的。由於(yu) 強對流，物質在上表麵的傳(chuan) 輸比橫截麵更快。在熔池形成的初始階段，質量傳(chuan) 輸速度最高，在不鏽鋼和鎳的激光點焊過程中，質量傳(chuan) 輸速度隨時間而降低。

來源：Heat and mass transfer in laser dissimilar welding of stainless steel and nickel，Applied Surface Science，doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.02.143

參考文獻：H.C. Chen, A.J. Pinkerton, L. Li，Fibre laser welding of dissimilar alloys of Ti-6Al-4V and Inconel 718 for aerospace applications，Int. J. Adv.Manuf. Technol., 52 (2011), pp. 977-987