激光焊接技术在汽车工业中的应用

在降低排放和提高驾驶安全性的同时，保持低成本的同时，汽车行业目前正面临着转变为环保型汽车的挑战。安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）的工程师正在努力优化汽车设计中的材料使用，以确保最终设计的汽车不仅能够满足安全标准，而且还能减少对环境的影响。在考虑产品的安全性及其对环境的影响的同时，还必须控制设计成本。汽车制造商在产品开发过程中需要考虑的因素之多令人震惊。关于不断提高的驾驶安全标准以及对减排和成本控制的日益关注，车辆设计和重量是可以对上述问题产生重要影响的两个主要因素。图1.上方：可能使用LWB的区域示例。橙色部分表示可通过合理的LWB设计帮助减轻重量的组件，例如中心支柱，纵梁，通道和门环。底部：激光拼焊板，右侧是对接焊缝的放大图。汽车制造商依靠激光焊接毛坯（LWB）来控制或减少用于车辆各个部分（例如车架和车身）的材料量。 LWB由不同厚度和等级的钣金组成。参见图1中的LWB应用示例。在满足其他相关规定的同时，这些焊接板还必须满足车辆碰撞安全的要求。安赛乐米塔尔公司是生产高强度，高质量钢的公司。该公司使用数值模拟来不断优化LWB焊接工艺。通过搜索焊接钢板等级和厚度这两个参数的最佳组合，他们制造的焊接钢板可以确保出色的性能并减轻零件的重量。最轻。符合碰撞和排放要求“通过采用先进的高强度压力硬化钢，我们优化了钢板的安装，从而可以在保持强度性能的同时使汽车的特定区域更轻，更薄。最终，我们希望获得出色的焊接质量。为确保焊接符合碰撞测试的安全要求，”安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）焊接工艺建模和模拟研究团队的负责人Sadok Gaied博士说。安全的焊接不得在测试过程中破裂或断裂，否则焊接的零件将无法通过安全测试。图2.激光焊接过程中的锁孔和钢池。当激光沿着两个钢板之间的焊缝移动时，锁孔会随之移动。在此过程中，钢水将被连续注入到钥匙孔周围和后面的空间中。安赛乐米塔尔利用激光焊接的集中热源将固态钢转变为熔融金属，从而形成狭窄而深处的焊缝。激光焊接过程如图2所示。“高功率激光会产生大量能量，导致部分金属蒸发。在钢的熔化过程中，密度会迅速降低，体积会相应增加，物质的运动也会增加，从而产生高压蒸气。这是一个“锁孔”，在激光撞击时它是一个狭窄的孔。”盖德解释说：“孔周围的钢会熔化并形成熔池。液态钢冷却后，它将连接两块金属板。” “大多数机械故障的根本原因在于焊缝中存在缺陷，这是因为焊缝连接到不同的材料。如果连接处理不当，最终将导致过大的压力。”不正确的焊接参数也可能导致焊接。不稳定，导致焊缝中出现气孔，部分渗入或咬边，最终导致连接薄弱。图3显示了不同焊接缺陷的示例。盖德补充说：“为了预测在各种焊接情况下可能存在的缺陷，我们使用模拟研究了诸如激光功率等参数对焊接结果的影响。这样，我们可以虚拟地测试加工条件对缺陷发生概率的影响。 ，并且还可以预测焊接过程的流体动力学和热力学行为以及焊接点的最终形状诠释”了解工作条件如何影响焊接质量。在影响焊接质量，激光功率，激光束上的材料反射，焊接等许多因素中，速度和波长等细节将影响热量传递，相变和锁孔周围的流体流动。特别是由于存在相变和热负荷，锁孔的角度和熔池的形状将对流体流动特性产生更大的影响。图3.上图：由于熔融金属的不正确沉降而形成的孔（左图），复杂流体动力学在焊点中产生的气泡（右图）。底部：钢水飞溅导致在焊接点的顶部和底部形成斜角型底切几何形状，从而在两块钢板之间留出缝隙（左图），模拟结果显示出附近的流体分布。锁孔焊缝中咬边的情况和预测的几何形状（右图）。 “这里的流体，热力学和电学特性相互交织。”盖德说：“只有清楚地了解焊接中发生的特定条件，我们才能预防这些缺陷。为了跟踪它们，我们需要将所有物理现象放在一起进行研究。锁孔内和周围的流体流动，并清楚地知道其对焊接稳定性的影响。”图4. COMSOL软件运行的激光反射仿真结果显示了在不同反射角下的电场模式。这些不同的反射角导致吸收的能量也发生变化。