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0431-81702023
光学工程
用电磁提高大功率激光焊接质量

不管是船舶还是反应堆容器,焊接在各种可靠的金属结构的形成过程中都是非常关键的一种操作方式。当焊接失败时,整个结构往往也会失败,所以对焊接质量的期望只会越来越高。使用局部加热源的工艺例如焊接,很可能会导致变形的产生。很厚的金属零部件的焊接过程并不稳定,如果没有外部力量的话将会难以控制。

  创建小孔

  在大功率激光焊接中,在激光强度最高的区域的少量金属会蒸发。深熔焊接在工件上会创建一个被称为“小孔”的垂直空腔。在此过程中,激光束不仅融化金属,也会产生金属蒸汽。这种消散的蒸汽对熔融的金属施加压力并部分取代它。与此同时,材料继续融化。结果就是形成一个深且窄并且充满蒸汽的洞,或者称之为“小孔”(keyhole),它被熔融的金属所环绕。随着激光束的移动,小孔会随之在工件上移动。熔融的金属围绕着小孔流动并在沿途凝固。这就形成了具有均匀内部结构的深且窄的焊缝。

  众所周知,用深熔焊接来焊接铝的问题主要是由低粘度引起的熔体高动态行为。再加上高的热导率,由此产生的熔池很宽。焊接的表面变得不稳定,结果是金属液滴发生飞溅与喷射,并因而产生未焊满、咬边、弧坑、孔洞或空洞等焊接缺陷,所有这些缺陷会对焊接的力学性能产生不利影响。如果材料有缺失,往往需要用电弧焊进行后处理,来填满缺少的材料或使焊缝的视觉效果更佳,这也是表面质量的一个指标。此外,在某些领域,平滑的焊缝表面变得非常重要,例如食品工业,主要是因为粗糙的表面可能会携带细菌。

  不受控制的焊接过程会带来一个副作用,即加速焊缝金属的滴落。这些液滴使整个过程变“脏”,并导致焊缝冷却后材料的缺失。第二, 马兰戈尼(Marangoni)效应导致非均匀焊缝的产生,这也是工件中应力和/或变形发生的一个原因。部分焊接熔池在表面张力和电磁力作用下移动,从而引起材料的非均匀分布以及焊接熔池不同部位的凝固速度不同。一旦焊缝固化,由于分布和冷却时间不均匀,它可能会由不同材料构成。

  减缓熔体流动

  是否有可能抵消这种影响?在德国研究基金会(German Research Foundation)的资助下,BAM德国联邦材料研究和测量研究所探究了各种方法来控制和削弱这些影响。在这一特定的例子中,我们使用一种恒定的磁场对激光焊接过程施加影响。在COMSOL Multiphysics软件的帮助下,我们确定了能改进焊缝均匀性的磁场分布情况。

  我们特别想要削弱马兰戈尼效应的影响。在表面,激光束施加在金属上的点具有非常高的温度,随着与焊缝之间的距离增加,温度迅速下降。由此产生的较高的温度梯度使得金属在温度依赖性表面张力的作用下从焊接熔池的中央向外部边界流动(马兰戈尼效应)。我们的目标是实现完美的焊接,这意味着我们需要抑制这种流动,所以能量要进入熔池的深处,而不是在表面扩展。

  完美的焊接将具有平行的侧墙,所有深度的固化是同时发生的。而实际上在无外力作用的情况下焊缝更多地是形成一个酒杯形状(图1 a),并且凝固界面的曲率很大。这会导致工件上有很大的应力,并且冷却后发生较大的变形。然而,垂直于焊接方向来施加静态磁场,会让焊缝更接近期望中的均匀形状,像一个“V”(图1 b-d)。

  

  图1:焊缝的对称部位的温度散点图显示,在没有任何磁场作用下(a),焊接形成酒杯形状。在加上磁场后(b=0.50T,c=1T和d=2T),形状开始接近V字形。

      这种能改变焊缝形状的能力来自Hartmann效应。具体而言,对于导电液体例如熔融金属来说,磁场会诱导电流的产生并创造出洛仑兹力场,与原始熔体流动方向相反。

  为了演示这种效果,我们模拟了3D传热、流体动力学和电磁学,并为此使用CFD模块和AC/DC模块。首先,我们模拟了电磁场来计算洛仑兹力;这些结果作为体积力来计算熔池对流的速度和压力。这使我们能够解决传热问题,速度场来自之前的对流模拟。

  当然,温度影响着材料的性能,所以我们回过头来重新计算洛仑兹力,它也取决于流动的速度。这个循环持续进行直至模拟达到稳态解决方案所需要的精度;例如,满足所涉及的所有物理问题。为了验证该模型,我们分别在施加磁场和不施加磁场的情况下进行焊接,再切开焊缝并得到其宏观形貌。然后叠加模拟的结果,结果显示出良好的一致性(图2)。

  

  图2:用16 kW功率的激光以0.5m/min的速度进行焊接,用COMSOL Multiphysics软件得出的结果与之相叠加。不施加任何磁场的焊缝会形成酒杯形状(如a所示),在图b中,B=0.5 T,焊缝更多的像具有直边的V字形,与酒杯形状截然不同。(数据来自BAM)

  这一焊接过程极其复杂,感谢COMSOL Multiphysics软件帮助我们设法获得了准确的结果。我们认为COMSOL的优点包括易于操作、出色的几何构建和协调能力,并且能使用预定义的多重物理量(Multiphysics)耦合功能,不过有的选项需要手动调整和修改。例如,具有温度依赖性的材料属性,主要来自实验数据点或解析式,在固相速度模型使用源项,包括重力效应,还有熔化潜热(latent heat of fusion)。我们可以很方便地在计算中考虑所有这些因素。

  很高兴这一软件能够比较容易地获得物理起源的数据。感谢COMSOL Multiphysics的模拟,我们已经确定了潜在影响,并且知道如何对付它们。下一步是学会如何将这方面的知识大规模地付诸实践。我们已经确定了哪些磁场能改善焊接过程的质量,并且将进一步通过实验来重新定义整个焊接过程。


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