在降低排放量、提高駕駛安全性的同時，還要保持成本低廉，汽車工業(yè)當前正面臨著向環(huán)保汽車轉型的挑戰(zhàn)。安賽樂米塔爾（Arcelor Mittal）公司的工程師們正著手優(yōu)化汽車設計中對材料的使用，確保最終設計出的汽車既能符合安全標準，又能減輕對環(huán)境的影響。
在顧及產品的安全性及對環(huán)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(fā)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。
圖1. 上圖：可能用到 LWB 的 區(qū)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(huán)。下圖：激光拼焊板， 右側是對接焊縫的放大圖。
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(guī)定的同時，這些焊板還必須符合車輛碰撞安全性的要求。
安賽樂米塔爾是一家生產高強度優(yōu)質鋼的公司。這家公司利用數(shù)值仿真不斷優(yōu)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(shù)的最優(yōu)組合，使他們制造出的焊板既能保證優(yōu)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，我們對鋼板的安裝進行了優(yōu)化，從而使汽車的特定區(qū)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(fā)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(tài)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生大量的能量，致使部分金屬蒸發(fā)。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’，它是激光沖擊點上的一個窄孔。”Gaied解釋道，“這個孔周圍的鋼會熔化，形成一個熔池。液態(tài)鋼冷卻后，就會將兩塊鈑金連接起來。”
“多數(shù)機械故障發(fā)生的根本原因在于焊縫中存在缺陷，這是因為焊接點連接著不同的材料。如果連接的處理不當，最終會導致其中的應力過大。”焊接參數(shù)不當還可能造成焊接點不穩(wěn)定，導致焊縫中出現(xiàn)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(shù)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(fā)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(tài)。”
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(jié)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。
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）。
“流體、熱力學和電學行為在這里交織在一起。”Gaied說，“只有清楚地了解焊接中發(fā)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(xiàn)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(wěn)定性產生的影響。”
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。
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(tài)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(jù)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(fā)現(xiàn)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。
對耦合現(xiàn)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(tài)，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(jù)焊接速度、激光功率及匙孔大小這三個參數(shù)，對焊接熔深進行了建模。
圖 6. 焊接熔深和焊接缺陷形態(tài)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(xiàn)全熔透，說明熔敷能量密度足夠高。 速度較快時僅僅實現(xiàn)了局部熔透，說明能量不 足，無法達到高質量的焊接。
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(fā)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(tài)的COMSOL分析結果與實驗結果的對比。
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(shù)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(guī)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。
“了解這些相互作用的物理現(xiàn)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。”Gaied總結道，“我們一直致力于幫助汽車行業(yè)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。”
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