在顧及產(chan) 品的安全性及對環境影響的同時，還要控製設計的成本，汽車製造商在產(chan) 品開發過程中需要考慮的因素之多，令人震驚。對於(yu) 不斷提升的駕駛安全標準以及越來越受關(guan) 注的減排和成本控製，車輛的設計和車身重量是能夠對上述關(guan) 注點產(chan) 生重要影響的兩(liang) 大因素。

汽車製造商依靠激光拚焊板（laser welded blank，簡稱 LWB）來控製或減少車輛各部件（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(guan) 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(le) 米塔爾（ArcelorMittal）是一家生產(chan) 高強度優(you) 質鋼的公司。這家公司利用數值仿真不斷優(you) 化 LWB 焊接工藝，通過尋找 焊接鋼板的等級和厚度這兩(liang) 項參數的最優(you) 組合，使他們(men) 製造出的焊板既能保證優(you) 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(men) 對鋼板的安裝進行了優(you) 化，從(cong) 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(men) 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(le) 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(ge) 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。

安賽樂(le) 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 。“大功率激光器可以產(chan) 生大量的能量，致使部分金屬蒸發。鋼在熔化過程中，密度會(hui) 迅速減小，體(ti) 積會(hui) 相應增加， 並且物質運動也會(hui) 增強，從(cong) 而產(chan) 生高壓蒸氣。這時會(hui) 生成一 個(ge) ‘匙孔’，它是激光衝(chong) 擊點上的一個(ge) 窄孔。”Gaied 解釋道， “這個(ge) 孔周圍的鋼會(hui) 熔化，形成一個(ge) 熔池。液態鋼冷卻後， 就會(hui) 將兩(liang) 塊鈑金連接起來。”

“多數機械故障發生的根本原因在於(yu) 焊縫中存在缺陷， 這是因為(wei) 焊接點連接著不同的材料。如果連接的處理不當， 最終會(hui) 導致其中的應力過大。”焊接參數不當還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。

Gaied 補充道：“為(wei) 了預測各種焊接情況中可能存在的缺陷，我們(men) 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(men) 可以虛擬測試加工條件對缺陷發生概率的影響，並且還能預測焊接過程中的流體(ti) 動力學、熱力學行為(wei) 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(hui) 對匙孔周圍的傳(chuan) 熱、相變和流體(ti) 流動產(chan) 生影響。特別是由於(yu) 存在相變和熱載荷，匙孔角度和熔池形狀會(hui) 對流體(ti) 流動特性產(chan) 生較大的影響。

“流體(ti) 、熱力學和電學行為(wei) 在這裏交織在一起。”Gaied 說，“隻有清楚地了解焊接中發生的具體(ti) 情況，才能防止這些缺陷的產(chan) 生。我們(men) 需要將所有的物理現象放在一起研究， 才能跟蹤匙孔內(nei) 部及周圍的流體(ti) 流動，並明確地知道其對焊接穩定性產(chan) 生的影響。”

Gaied 的團隊與(yu) 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(ge) 焊接工藝中的變化情況。他們(men) 使用 COMSOL® 軟件在同一仿真模型中進行了多項研究，從(cong) 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）。

不僅(jin) 如此，他們(men) 還測試了改變功率水平、波長和焊接速度，用於(yu) 預測各種工況下的匙孔形狀。由於(yu) 這個(ge) 模型模擬了金屬熔化時的傳(chuan) 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(chan) 生的蒸發現象、液體(ti) - 蒸氣界麵的流體(ti) 動力學，以及熔池的擴大情況（如圖 5 所示）。

對耦合現象的建模揭示了最終的焊接結果

為(wei) 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(ge) 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(hui) 發生局部熔透。局部熔透會(hui) 引起材料咬邊，最終在兩(liang) 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(yu) 實驗結果的對比。

不斷完善的焊接技術以確保安全與(yu) 減排要求

為(wei) 客戶提供合適的激光拚焊板，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(wei) 客戶供應符合汽車碰撞測試規範、重量要求以及成本要求的激光拚焊板。 Gaied 的團隊通過仿真來確定一係列工藝條件，以確保生產(chan) 出無缺陷的焊接點。“了解這些相互作用的物理現象，並將它們(men) 耦合起來進行仿真，而不是並行進行多個(ge) 研究，這給我們(men) 的工作帶來了極大的便利。”Gaied 總結道，“我們(men) 一直致力於(yu) 幫助汽車行業(ye) 減輕車身重量，並確保我們(men) 的焊接產(chan) 品擁有卓越的質量，從(cong) 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