王 昌,周忠鋒

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 引 言

激光釬焊是利用激光的高能量密度實(shí)現(xiàn)局部或微小區(qū)域內(nèi)快速加熱完成釬焊過程,激光釬焊的關(guān)鍵在于合理地控制激光功率分配[1]。激光填絲焊接的產(chǎn)生就是為了解決汽車車身用鍍鋅板難以熔焊的難題,相比于激光熔焊焊接,激光釬焊的焊接速度是激光熔焊焊接的2～3倍,能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程工小變形甚至微弱變形,釬縫金相組織細(xì)小,接頭性能良好,一致性好,密閉性好,能減少汽車在行駛中的噪音。激光填絲焊接技術(shù)首次應(yīng)用在汽車生產(chǎn)是在1998年大眾生產(chǎn)的Bora車身后備箱蓋鍍鋅鋼板的連接中,現(xiàn)如今很多汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的汽車車身、車門等部位開始使用這一技術(shù)[2]。在汽車頂板和側(cè)板之間的卷邊對(duì)接接頭處激光釬焊的成功應(yīng)用,可以提高駕駛艙的抗沖擊強(qiáng)度,更大程度保護(hù)人身安全。用普通民用車型中,包括寶馬、奧迪、大眾等生產(chǎn)的汽車都在使用這一焊接技術(shù),我們的國(guó)產(chǎn)自主品牌如奇瑞、吉利、比亞迪等品牌在新車型上也開始應(yīng)用激光釬焊技術(shù)。影響激光釬焊的主要因素為激光功率、釬焊速度和送絲速度,在工件剛度較差的情況下只能減小熱輸入來(lái)控制變形,但是這樣會(huì)直接導(dǎo)致焊縫的不完整和很差的成形。馬凱[3]通過研究發(fā)現(xiàn)離焦量、激光功率、加熱時(shí)間對(duì)激光釬焊有著重要的影響,還發(fā)現(xiàn)在焊接過程中釬料形成了特殊的雙層界面。劉云祺等[4]通過電弧輔助的方法對(duì)不同厚度的鋁合金板和鍍鋅鋼板進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn),得到了焊接過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變的分布。李雄斌[5]通過鋁合金薄板釬焊分析了各類工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響,并且分析了激光高低功率對(duì)釬焊接頭質(zhì)量的影響。尚曉峰等[6]研究了硬質(zhì)合金與高速鋼的激光釬焊組織及性能,實(shí)驗(yàn)表明在焊接速度v=7 mm/s、功率P=1100 W時(shí)母材與釬料互溶性良好、接頭組織及熱影響區(qū)顯微硬度變化最小,實(shí)現(xiàn)了異種金屬的高質(zhì)量焊接。從文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)來(lái)看,大部分是薄板搭接或者對(duì)接的方式進(jìn)行釬焊,而像車身頂板和側(cè)板之間的卷邊對(duì)接的實(shí)驗(yàn)很少出現(xiàn)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的研究者開始用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究焊接的溫度場(chǎng)的變形之間的關(guān)系。本文將對(duì)鍍鋅鋼板卷邊搭接釬焊過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究,計(jì)算焊接過程中熱載荷的歷史加載過程和其他狀態(tài)量隨著時(shí)間的演變,再結(jié)合熱源模型,獲得焊后焊縫的各項(xiàng)參數(shù)以避免出現(xiàn)焊縫和母材的機(jī)械扭曲和波浪邊緣等情況。

2 激光填絲釬焊模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

激光填絲焊接是高度的非線性瞬態(tài)過程,材料的某些屬性隨著溫度的變化而劇烈變化,在數(shù)值模擬中,通常利用傅里葉分析方法對(duì)非線性、非穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行分析。非線性三維瞬時(shí)熱傳導(dǎo)方程,其傳熱微分方程可表示為:

式中,T為溫度；t為時(shí)間；ρ為密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；c為比熱容；Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度；H為相變潛熱。

在焊接溫度場(chǎng)的模擬中,潛熱對(duì)溫度的分布有很大的影響,在釬料的溫度到達(dá)熔點(diǎn)后,激光束加熱的光斑溫度將保持不變,直至潛熱被母材完全吸收或者釋放。在數(shù)值模擬分析中,相變潛熱常用焓變來(lái)表示,焓的表達(dá)式為:

H=U+PV

式中,H為焓變；U為內(nèi)能；P為壓力；V為體積。

2.2 熱源模型

在建立熱源模型時(shí),設(shè)置室溫為20 ℃,不考慮釬料受熱熔化后的潤(rùn)濕流動(dòng)性和材料的各向同性。同時(shí)我們也假設(shè)激光束不受外部環(huán)境影響并且激光束橫截面的能量分布為高斯分布,所以采用高斯雙橢球熱源模型來(lái)研究激光釬焊的傳熱過程,基于ABAQUS仿真軟件Dflux子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光的移動(dòng)加載,熱源模型表達(dá)式為:

式中,x、y、z為坐標(biāo)值；a、b、c為熱源形狀參量,對(duì)應(yīng)激光橢球熱源的半軸。

激光釬焊過程示意圖如圖1所示,激光照射到釬料上使釬料熔化,形成高溫區(qū)域。

圖1 激光釬焊示意圖

2.3 材料熱物理屬性

本次釬焊數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)選用母材為鍍鋅鋼板,預(yù)焊接長(zhǎng)度100 mm。釬料為CusSi3焊絲,其化學(xué)成分如表1所示,在焊接過程中,隨著溫度的變化,鋼板和釬料的某些物理屬性也會(huì)產(chǎn)生變化,由于存在潛熱和熔池對(duì)流的問題,所以在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中采用有效熱熔法[7]和熱導(dǎo)率修正[8]的方法來(lái)應(yīng)對(duì)對(duì)流傳熱問題。鋼板與釬料的熱熱導(dǎo)率和比熱隨溫度的變化關(guān)系如圖2、3所示,不隨溫度變化的屬性及數(shù)值如表2所示。

圖2 釬料的熱導(dǎo)率和比熱隨溫度變化圖

表1 CuSi3化學(xué)成分

表2 鋼板和釬料不隨溫度變化的材料屬性

2.4 有限元模型

激光填絲釬焊模型分為焊接區(qū)域、熱影響區(qū)域、邊緣區(qū)域。激光釬焊模型如圖4所示,選用六面體熱單元,焊接區(qū)域網(wǎng)格劃分精細(xì),其他區(qū)域自由劃分。在焊接過程中采用生死單元的方法模擬釬料熔化和冷卻的過程,在焊接區(qū)域還未參與焊接的單元設(shè)置為死單元,隨著焊接的進(jìn)行逐漸被激活。

圖3 鋼板的熱導(dǎo)率和比熱隨溫度變化圖

圖4 激光填絲釬焊模型網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 卷邊接頭釬焊溫度場(chǎng)分布

本次模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)激光填絲釬焊溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,激光功率1.2 kW、焊接速度0.02 m/s,整個(gè)焊接過程持續(xù)5 s,在這個(gè)過程中,釬料不斷熔化填入卷邊接頭中形成焊縫。由于采用生死單元方法來(lái)模擬焊縫的形成,所以還未參與焊接的焊縫單元設(shè)置為死單元,在熱傳導(dǎo)中不參與計(jì)算。隨著激光熱源的加載,焊縫逐漸形成,焊縫單元被依次激活,模擬填絲焊接的填縫過程。焊接過程中不同時(shí)刻的溫度分布云圖如圖5所示,從溫度分布云圖可以看出,激光釬焊相比于普通的激光熔焊,在激光作用下形成的高溫焊接區(qū)域是一個(gè)橢球體而不是一個(gè)點(diǎn)。在0.5 s時(shí),等溫線在焊接區(qū)域開始變得稀疏,這說(shuō)明溫度向熱影響區(qū)擴(kuò)散,隨著焊接過程的進(jìn)行,峰值溫度達(dá)到約1390 ℃不變。這是因?yàn)椴牧舷嘧儩摕岬挠绊?釬料融化后溫度不載變化,直到所有潛熱被母材吸收,這段時(shí)間內(nèi),鋼板吸收熱量使熱影響區(qū)域面積逐漸變大。在3 s、4 s時(shí),由圖6可以看到激光熱源前方,溫度梯度很大,熱源后方靠近熱源區(qū)域的等溫線近似于圓形,遠(yuǎn)離激光熱源的區(qū)域等溫線近似于橢圓,沿著焊縫方向被拉長(zhǎng)。在5 s時(shí),邊緣區(qū)域卷邊接頭處峰值溫度影響區(qū)域變大,對(duì)于鋼板來(lái)說(shuō),容易出現(xiàn)焊穿的情況。

圖5 釬焊過程不同時(shí)刻溫度分布云圖

圖6 激光釬焊溫度等值面圖

為進(jìn)一步探究激光釬焊過程中的溫度變化,沿著焊縫方向均勻地取三個(gè)點(diǎn),在釬縫中心處,垂直于釬縫的方向上取兩個(gè)點(diǎn),如圖7所示,其中A點(diǎn)為釬焊焊縫起點(diǎn),B點(diǎn)為中心點(diǎn),C點(diǎn)為止焊點(diǎn),D點(diǎn)和E點(diǎn)中心位置垂直釬焊焊縫方向上與B點(diǎn)間隔3 mm,不同位置的熱循環(huán)曲線圖如圖8所示。從熱循環(huán)曲線結(jié)果來(lái)看,焊接區(qū)域最高溫度在1390 ℃左右,熱影響區(qū)域在600 ℃左右,對(duì)于鍍鋅鋼板的影響不大,保證了整體焊接質(zhì)量。

圖7 釬焊不同位置取點(diǎn)示意圖

圖8 釬縫取點(diǎn)位置熱循環(huán)曲線

3.2 激光功率對(duì)熔池溫度場(chǎng)的影響

激光功率為900 W、1200 W、1500 W時(shí)卷邊對(duì)接激光釬焊熔池的溫度場(chǎng)如圖9所示,激光功率的不同與釬料不同的填充量相對(duì)應(yīng),同時(shí)影響著焊接熔池的溫度分布[9]。當(dāng)激光功率P=900 W時(shí),激光功率較小導(dǎo)致熔池溫度雖達(dá)到釬焊熔點(diǎn)但峰值溫度不高。激光功率P=1500 W時(shí),光斑功率密度較高,使熔池體積變大,高溫區(qū)域過大很容易使釬料出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,并且會(huì)破壞焊縫附近的鍍鋅層。當(dāng)激光功率P=1200 W時(shí),從熔池來(lái)看,峰值溫度處于合適位置,溫度分布較均勻,既可以保證釬料的充分熔化,又能保證和母材充分結(jié)合。通過數(shù)值模擬計(jì)算的方式可以得出當(dāng)激光功率為1200 W時(shí)激光填絲釬焊會(huì)有更好的焊接質(zhì)量。

圖9 不同功率下的熔池溫度場(chǎng)示意圖

4 結(jié) 論

運(yùn)用激光填絲釬焊和鍍鋅鋼板卷邊對(duì)接焊接成形的特點(diǎn),考慮材料熱物理屬性的變化,相變潛熱的影響以及熱傳導(dǎo)等問題后建立了一個(gè)綜合模型。從溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看,激光填絲釬焊的傳熱過程非常迅速,能夠在0.5 s內(nèi)上升1300 ℃,其冷卻速度也比普通熔焊快得多,在止焊位置出現(xiàn)溫度峰值,表明在實(shí)際焊接結(jié)束和轉(zhuǎn)彎時(shí)要注意其溫度的突然變化,及時(shí)調(diào)整熱輸入。通過不同功率下的熔池來(lái)看,過大的熱輸入會(huì)導(dǎo)致母材的破壞,選擇合適的熱輸入功率對(duì)提高填絲釬焊的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。