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0431-81702023
光學工程
用電磁提高大功率激光焊接質量

不管是船舶還是反應堆容器,焊接在各種可靠的金屬結構的形成過程中都是非常關鍵的一種操作方式。當焊接失敗時,整個結構往往也會失敗,所以對焊接質量的期望只會越來越高。使用局部加熱源的工藝例如焊接,很可能會導致變形的產生。很厚的金屬零部件的焊接過程并不穩定,如果沒有外部力量的話將會難以控制。

  創建小孔

  在大功率激光焊接中,在激光強度最高的區域的少量金屬會蒸發。深熔焊接在工件上會創建一個被稱為“小孔”的垂直空腔。在此過程中,激光束不僅融化金屬,也會產生金屬蒸汽。這種消散的蒸汽對熔融的金屬施加壓力并部分取代它。與此同時,材料繼續融化。結果就是形成一個深且窄并且充滿蒸汽的洞,或者稱之為“小孔”(keyhole),它被熔融的金屬所環繞。隨著激光束的移動,小孔會隨之在工件上移動。熔融的金屬圍繞著小孔流動并在沿途凝固。這就形成了具有均勻內部結構的深且窄的焊縫。

  眾所周知,用深熔焊接來焊接鋁的問題主要是由低粘度引起的熔體高動態行為。再加上高的熱導率,由此產生的熔池很寬。焊接的表面變得不穩定,結果是金屬液滴發生飛濺與噴射,并因而產生未焊滿、咬邊、弧坑、孔洞或空洞等焊接缺陷,所有這些缺陷會對焊接的力學性能產生不利影響。如果材料有缺失,往往需要用電弧焊進行后處理,來填滿缺少的材料或使焊縫的視覺效果更佳,這也是表面質量的一個指標。此外,在某些領域,平滑的焊縫表面變得非常重要,例如食品工業,主要是因為粗糙的表面可能會攜帶細菌。

  不受控制的焊接過程會帶來一個副作用,即加速焊縫金屬的滴落。這些液滴使整個過程變“臟”,并導致焊縫冷卻后材料的缺失。第二, 馬蘭戈尼(Marangoni)效應導致非均勻焊縫的產生,這也是工件中應力和/或變形發生的一個原因。部分焊接熔池在表面張力和電磁力作用下移動,從而引起材料的非均勻分布以及焊接熔池不同部位的凝固速度不同。一旦焊縫固化,由于分布和冷卻時間不均勻,它可能會由不同材料構成。

  減緩熔體流動

  是否有可能抵消這種影響?在德國研究基金會(German Research Foundation)的資助下,BAM德國聯邦材料研究和測量研究所探究了各種方法來控制和削弱這些影響。在這一特定的例子中,我們使用一種恒定的磁場對激光焊接過程施加影響。在COMSOL Multiphysics軟件的幫助下,我們確定了能改進焊縫均勻性的磁場分布情況。

  我們特別想要削弱馬蘭戈尼效應的影響。在表面,激光束施加在金屬上的點具有非常高的溫度,隨著與焊縫之間的距離增加,溫度迅速下降。由此產生的較高的溫度梯度使得金屬在溫度依賴性表面張力的作用下從焊接熔池的中央向外部邊界流動(馬蘭戈尼效應)。我們的目標是實現完美的焊接,這意味著我們需要抑制這種流動,所以能量要進入熔池的深處,而不是在表面擴展。

  完美的焊接將具有平行的側墻,所有深度的固化是同時發生的。而實際上在無外力作用的情況下焊縫更多地是形成一個酒杯形狀(圖1 a),并且凝固界面的曲率很大。這會導致工件上有很大的應力,并且冷卻后發生較大的變形。然而,垂直于焊接方向來施加靜態磁場,會讓焊縫更接近期望中的均勻形狀,像一個“V”(圖1 b-d)。

  

  圖1:焊縫的對稱部位的溫度散點圖顯示,在沒有任何磁場作用下(a),焊接形成酒杯形狀。在加上磁場后(b=0.50T,c=1T和d=2T),形狀開始接近V字形。

      這種能改變焊縫形狀的能力來自Hartmann效應。具體而言,對于導電液體例如熔融金屬來說,磁場會誘導電流的產生并創造出洛侖茲力場,與原始熔體流動方向相反。

  為了演示這種效果,我們模擬了3D傳熱、流體動力學和電磁學,并為此使用CFD模塊和AC/DC模塊。首先,我們模擬了電磁場來計算洛侖茲力;這些結果作為體積力來計算熔池對流的速度和壓力。這使我們能夠解決傳熱問題,速度場來自之前的對流模擬。

  當然,溫度影響著材料的性能,所以我們回過頭來重新計算洛侖茲力,它也取決于流動的速度。這個循環持續進行直至模擬達到穩態解決方案所需要的精度;例如,滿足所涉及的所有物理問題。為了驗證該模型,我們分別在施加磁場和不施加磁場的情況下進行焊接,再切開焊縫并得到其宏觀形貌。然后疊加模擬的結果,結果顯示出良好的一致性(圖2)。

  

  圖2:用16 kW功率的激光以0.5m/min的速度進行焊接,用COMSOL Multiphysics軟件得出的結果與之相疊加。不施加任何磁場的焊縫會形成酒杯形狀(如a所示),在圖b中,B=0.5 T,焊縫更多的像具有直邊的V字形,與酒杯形狀截然不同。(數據來自BAM)

  這一焊接過程極其復雜,感謝COMSOL Multiphysics軟件幫助我們設法獲得了準確的結果。我們認為COMSOL的優點包括易于操作、出色的幾何構建和協調能力,并且能使用預定義的多重物理量(Multiphysics)耦合功能,不過有的選項需要手動調整和修改。例如,具有溫度依賴性的材料屬性,主要來自實驗數據點或解析式,在固相速度模型使用源項,包括重力效應,還有熔化潛熱(latent heat of fusion)。我們可以很方便地在計算中考慮所有這些因素。

  很高興這一軟件能夠比較容易地獲得物理起源的數據。感謝COMSOL Multiphysics的模擬,我們已經確定了潛在影響,并且知道如何對付它們。下一步是學會如何將這方面的知識大規模地付諸實踐。我們已經確定了哪些磁場能改善焊接過程的質量,并且將進一步通過實驗來重新定義整個焊接過程。


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