來自美國的研究團隊Kyubok Lee等人在Journal of Manufacturing Processes國際雜志上發(fā)表文章Data-driven investigation of pore formation mechanisms in laser welding of Al-Cu。
01、論文導(dǎo)讀
異種金屬的激光焊接因為其復(fù)雜的物理現(xiàn)象,使我們在探索氣孔的形成機理時面臨更大的挑戰(zhàn)。該研究采用數(shù)據(jù)科學(xué)、三維圖像分析和計算流體動力學(xué)相結(jié)合的多學(xué)科方法,探討了Al-Cu搭接接頭激光焊接中的氣孔形成機理。顯微X射線計算機斷層掃描成像顯示了激光焊接樣品中氣孔的三維形態(tài)和位置數(shù)據(jù),隨后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分得到三種不同的氣孔類型,即熔合區(qū)氣孔、小熔合邊界氣孔和大熔合邊界氣孔。在這些數(shù)據(jù)的支撐下,該研究通過計算流體動力學(xué)模擬更深入地研究氣孔形成機理,模擬了氣泡的運動及其與熔池的復(fù)雜相互作用,為不同氣孔類型的控制機制提供了見解。進(jìn)一步探究了工藝參數(shù)對氣孔形成機理的影響,揭示了工藝參數(shù)對Al-Cu異種金屬激光焊接中氣孔形成的影響。
02、論文概述
該研究旨在通過將三維(3D)氣孔的分布數(shù)據(jù)分析和流體動力學(xué)(CFD)模擬分析相結(jié)合,對Al-Cu異種金屬激光焊接中的氣孔形成機理進(jìn)行全面研究。為實現(xiàn)這一研究目標(biāo),采用四步方法:首先,通過μXCT掃描獲取三維氣孔特征數(shù)據(jù),并利用氣孔表征和聚類進(jìn)行定量氣孔生成數(shù)據(jù)分析。其次,利用分析得到的三維氣孔數(shù)據(jù),對Al-Cu異種金屬激光焊接過程中工藝參數(shù)與氣孔形成進(jìn)行相關(guān)性分析,從而研究其工藝-結(jié)構(gòu)關(guān)系。然后,通過CFD模擬研究了影響氣孔形成機理過程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的調(diào)控機理。最后,通過CFD模擬將不同工藝參數(shù)對應(yīng)的工藝物理特性的變化與氣孔分布的變化聯(lián)系起來,探索了工藝參數(shù)與氣孔形成機理之間完全相關(guān)性所需的物理屬性。
03、圖文解析
圖1. 鋁和銅的激光焊接:(a)試樣幾何形狀示意圖;(b)焊接夾具示意圖;(c)工藝窗口設(shè)計及工藝參數(shù)設(shè)定分布;(d)μXCT掃描的樣品幾何結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2. μXCT圖像在三維和二維橫截面視圖中的氣孔(氣孔以紅色突出顯示)。
圖2顯示了 Al-Cu 異種金屬激光焊接中氣孔分布的四個關(guān)鍵觀察結(jié)果。首先,氣孔分布主要集中在焊縫的熔合邊界。將融合邊界與融合區(qū)進(jìn)行比較,在融合區(qū)內(nèi)僅生成了少量的氣孔。其次,僅在焊縫位于下方的 Cu 區(qū)域觀察到氣孔,而在焊縫的 Al 區(qū)域沒有觀察到氣孔。第三,生成的氣孔普遍尺寸較小,其中大多數(shù)氣孔的直徑小于10μm。最后,氣孔分布隨激光焊接工藝參數(shù)的設(shè)置而變化。能量輸入?yún)?shù)越大,氣孔形成越多,能量輸入?yún)?shù)越小,氣孔形成越少。
圖3. 等值線圖描繪了一系列工藝參數(shù)范圍內(nèi)氣孔數(shù)的變化:(a)氣孔數(shù),(b)總體積,(c)平均長徑比,(d)平均最小孔直徑,(e)平均最大孔直徑,(f)平均孔直徑。
從三維氣孔度分析中獲得的氣孔特征數(shù)據(jù)表示為等值線圖(圖3)。數(shù)據(jù)分析顯示的趨勢與圖 2中的觀察結(jié)果一致。
圖4. 氣孔團聚結(jié)果:(a)主成分1和主成分2的團聚分布;(b)、(c)、(d)最具代表性的分別是團簇LPFB(熔合邊界大氣孔)、團簇SPFB(熔合邊界小氣孔)和團簇PFZ(熔合區(qū)域內(nèi)氣孔)。
通過對三維氣孔的形態(tài)和位置分析,識別出不同類型的氣孔。圖5(a)顯示了三維主成分場中氣孔團聚的結(jié)果。每個聚類在三個主要組成部分中都表現(xiàn)出明確的邊界。圖 5(b)、(c) 和 (d)顯示了每個團簇的代表性氣孔以及 μXCT 橫截面。團聚分布表明,團簇SPFB和PFZ由主成分1區(qū)分,而團簇PFZ與團簇LPFB和SPFB由主成分2區(qū)分。它表明團簇 LPFB 和 SPFB 是根據(jù)孔徑分開的,而團簇 PFZ 則通過氣孔位置或形狀區(qū)分。
圖5. 氣孔分布的統(tǒng)計分析:(a)氣孔體積的分布,(b)各位置的氣孔數(shù)量,(c)各位置的氣孔體積變化,(d)各簇的氣孔體積分布,(e)各簇的氣孔數(shù)量,(f)各簇的氣孔體積變化。
正態(tài)分布,表明數(shù)據(jù)集中在較小的氣孔(圖6(a))。圖6(b)和(c)顯示了基于氣孔位置(熔合邊界或熔合區(qū))的氣孔數(shù)量和體積分布。融合邊界處的氣孔數(shù)量明顯高于在融合區(qū)觀察到的氣孔數(shù)。此外,氣孔位置對體積影響不顯著。圖 6(d)表示每個聚類的體積直方圖,顯示每個聚類保持左偏態(tài)對數(shù)正態(tài)分布。數(shù)據(jù)也表明,團簇LPFB和SPFB根據(jù)氣孔體積有明顯的區(qū)分,而團簇PFZ則具有獨立的分布。圖 6 (e) 顯示了每個簇中分類的氣孔數(shù)量及其位置。數(shù)據(jù)顯示,聚集在PFZ簇中的大多數(shù)氣孔源自位于融合區(qū)的氣孔,而簇LPFB和SPFB則由位于融合邊界的聚集氣孔組成。圖6(f)顯示了每個團簇的氣孔體積分布。觀察到 LPFB 和 SPFB 簇之間的體積分布存在明顯差異,表明它們基于體積和大小特征的區(qū)別。
圖6. 氣孔形成機理分析的三維流線CFD 仿真結(jié)果:(a)三維視圖,(b)縱向視圖,(c)水平視圖,(d)橫截面視圖。
圖6(b)為三維CFD 仿真的縱向視圖。在圖中,綠色的流線代表從鑰匙孔底部產(chǎn)生的氣泡的運動??梢酝ㄟ^綠色流線觀察到三種類型的氣泡運動模式。首先,氣泡回流并到達(dá)Cu區(qū)域的凝固前沿,形成鎖孔誘導(dǎo)的氣孔。其次,氣泡未能到達(dá)凝固前沿,從Cu區(qū)的熔池中逸出的氣泡無法到達(dá)Al區(qū)后方形成的凝固前沿,而在表面破裂。第三,氣泡被鑰匙孔重新吸收。在這種氣孔生成機理機制下,只有到達(dá)Cu區(qū)域凝固前沿的氣泡才會在Cu區(qū)域形成鎖孔誘導(dǎo)的氣孔,將其歸類為團簇PFZ。
圖7. Al-Cu激光焊接中的氣孔生成機理:(a)Al區(qū)域的縱向截面視圖,(b)Al區(qū)域的水平截面視圖,(c)Cu區(qū)域的水平截面視圖。
圖7總結(jié)了Al-Cu異種金屬激光焊接中觀察到的氣孔生成機制。當(dāng)在鎖孔底部形成的氣泡跟隨材料流動,最終到達(dá)熔池末端的凝固前沿,當(dāng)氣泡被捕獲時,就會產(chǎn)生鎖孔誘導(dǎo)的氣孔。該過程導(dǎo)致在融合區(qū)內(nèi)產(chǎn)生氣孔。
圖8. 三種不同情況的CFD仿真結(jié)果代表了氣孔生成機制的變化:(a)高能量輸入條件,(b)中等能量輸入條件,(c)低能量輸入條件。
首先,在高能量輸入條件下,通過形成深鎖孔,產(chǎn)生最深和最大的熔池,如圖8(a)所示。當(dāng)氣孔在鎖孔的前沿形成時,它們沿著黃色流線向后移動,并被更寬的凝固前沿捕獲。這一過程導(dǎo)致更多氣孔的產(chǎn)生,這就解釋了為什么氣孔團簇LPFB和SPFB在高能輸入條件下更為普遍。在中等能量輸入條件下,如圖8(b)所示,形成了中等大小的鎖孔和熔池。與高能輸入熔池相比,形成的團簇LPFB和SPFB氣孔較少。這是由于在鎖孔前緣形成氣泡的區(qū)域較小,而黃色流線與凝固前沿相交的區(qū)域有限。此外,在鎖孔后面形成的氣泡與凝固前沿的行進(jìn)距離較短。然而,由于形成了相對較淺的下凝固前沿,并與其與開放的上凝固前沿直接相連,因此降低了氣泡粘附的可能性。這解釋了團簇PFZ氣孔形成的輕微減少。最后,在低能量輸入條件下,如圖8(c)所示,觀察到一個淺而細(xì)長的鎖孔。快速的焊接速度使細(xì)長的鎖孔將熔融材料迅速向后推。因此,在鎖孔前沿形成的氣泡要么被重新吸收到鎖孔中,要么逃逸到熔池表面。此外,細(xì)長的鎖孔形狀不易塌陷,導(dǎo)致由于鎖孔塌陷而形成的團簇PFZ(融合區(qū)氣孔)氣孔可以忽略不計。
04、總結(jié)
在這項研究中,通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的 3D 氣孔分析和 CFD 仿真,闡明了 Al-Cu 搭接接頭激光焊接中氣孔形成的機制。本研究的主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下:
(1)Al-Cu異種金屬激光焊接中三維氣孔的分布呈現(xiàn)獨特的觀察結(jié)果。首先,氣孔主要集中在焊縫的熔合邊界上。其次,僅在焊縫位于較低位置的 Cu 區(qū)域中觀察到氣孔。第三,大多數(shù)觀察到的氣孔很小,直徑小于 10 μm。
(2)在Al-Cu異種金屬激光焊接中,由于材料性能的差異,氣孔主要出現(xiàn)在Cu區(qū)域。在焊接過程中,Cu形成的熔池比Al淺,使Cu區(qū)域的氣泡更容易附著在凝固前沿,從而形成氣孔。相反,Al區(qū)域的氣泡在基材凝固之前到達(dá)熔池表面,從而阻止了氣孔的形成。
(3)Cu區(qū)域熔合邊界處的氣孔是由鎖孔前沿產(chǎn)生的氣泡引起的。這些氣泡被熔融材料的流動向后攜帶,并粘附在Cu區(qū)域鎖孔一側(cè)的凝固前沿。同時,Cu區(qū)域熔合區(qū)內(nèi)的氣孔是由于鎖孔不穩(wěn)定引起的。在鎖孔底部形成的氣泡會粘附在Cu區(qū)域熔池后部的凝固前沿。
(4)激光焊接的工藝參數(shù)對氣孔形成機理有顯著影響。在高能量輸入條件下,在鎖孔前沿形成更多的氣泡,并在Cu區(qū)域出現(xiàn)更寬的凝固前沿,導(dǎo)致氣孔形成增加。起源于鎖孔底部的氣泡與更寬但更遠(yuǎn)的凝固前沿相遇,僅導(dǎo)致氣孔數(shù)量的適度增加。相反,在低能量輸入條件下,會形成淺而細(xì)長的鎖孔,產(chǎn)生較少的氣泡,從而減少氣孔的形成。
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