汽車(chē)制造商依靠激光焊接頭來(lái)定制焊接坯料，以控制或減少車(chē)輛各部件的材料消耗，例如框架和車(chē)身。激光焊接頭由不同厚度和等級(jí)的金屬板組成。請(qǐng)參考圖2中激光焊接頭的應(yīng)用實(shí)例。 1.在滿足其他相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，這些焊接板還必須滿足車(chē)輛碰撞安全的要求。中國(guó)寶鋼是一家生產(chǎn)高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼的公司。公司采用數(shù)值模擬方法，不斷優(yōu)化激光焊頭的焊接工藝。通過(guò)尋找焊接鋼板的等級(jí)和厚度這兩個(gè)參數(shù)的最佳組合，由它們制造的焊接板不僅可以確保優(yōu)異的性能，而且還可以將部件的重量減輕到最輕。

圖1

鋼板采用激光焊頭焊接，以滿足碰撞和放電的要求。

采用先進(jìn)的高強(qiáng)度耐壓淬火鋼，優(yōu)化了鋼板的安裝，使汽車(chē)的某些區(qū)域更輕，更輕，同時(shí)保持強(qiáng)度。最后，我們希望獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量，以確保焊接符合安全碰撞試驗(yàn)的要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，安全焊縫不能破裂或破裂，否則焊件將無(wú)法通過(guò)安全試驗(yàn)。

中國(guó)寶鋼公司采用激光焊頭的集中熱源將固態(tài)鋼轉(zhuǎn)化為熔融金屬，形成窄而深的焊縫。激光焊接頭的焊接過(guò)程如圖2所示。高功率激光產(chǎn)生大量能量，導(dǎo)致一些金屬蒸發(fā)。在鋼的熔化過(guò)程中，密度會(huì)迅速下降，體積也會(huì)相應(yīng)增加，材料運(yùn)動(dòng)也會(huì)增加，從而產(chǎn)生高壓蒸汽。此時(shí)，將產(chǎn)生“鎖孔”，其是激光頭發(fā)射的激光撞擊點(diǎn)中的窄孔。

大多數(shù)機(jī)械故障的根本原因在于焊接缺陷，這是因?yàn)楹缚p與不同的材料相連。如果連接處理不當(dāng)，最終會(huì)導(dǎo)致壓力過(guò)大。

不正確的焊接參數(shù)也可能導(dǎo)致焊點(diǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊點(diǎn)的孔隙，部分穿透或底切，導(dǎo)致連接不穩(wěn)定。圖3顯示了不同焊接缺陷的例子。萬(wàn)順興激光頭專(zhuān)家補(bǔ)充說(shuō)：‘’為了預(yù)測(cè)各種焊接條件下可能存在的缺陷，我們通過(guò)仿真研究了激光頭功率和其他參數(shù)對(duì)焊接結(jié)果的影響。這樣，我們可以實(shí)際測(cè)試其影響。在缺陷發(fā)生概率的條件下，還可以預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中焊接點(diǎn)的流體動(dòng)力學(xué)，熱力學(xué)行為和最終形狀。‘’

圖2

了解激光焊接頭在工作條件下如何影響焊接質(zhì)量。

在影響激光焊頭焊接質(zhì)量的諸多因素中，激光頭功率，激光頭梁材料反射，焊接速度和激光焊頭波長(zhǎng)等細(xì)節(jié)將影響鎖孔周?chē)膫鳠?，相變和流體流動(dòng)。 。特別是由于相變和熱負(fù)荷，鎖孔角和熔池形狀將對(duì)流體流動(dòng)特性產(chǎn)生很大影響。

流體，熱力學(xué)和電學(xué)行為在這里交織在一起?！比f(wàn)順興激光頭專(zhuān)家說(shuō)，“只有清楚地了解焊接的具體情況才能防止這些缺陷。我們需要一起研究所有物理現(xiàn)象，以跟蹤鎖孔內(nèi)外的流體流動(dòng)，并清楚地了解其影響。 

萬(wàn)順興激光頭團(tuán)隊(duì)與武漢理工大學(xué)激光研發(fā)部門(mén)合作，生產(chǎn)COMSOLMultiphysics?軟件，分析整個(gè)焊接過(guò)程中鋼水和實(shí)心鋼的溫度分布，鍵孔角度和流場(chǎng)變化。他們使用COMSOL?軟件在同一仿真模型中進(jìn)行了大量研究。從電磁模型開(kāi)始，他們根據(jù)激光頭發(fā)出的激光反射角確定了材料的反射和能量吸收特性（見(jiàn)圖4）。

圖3

不僅如此，他們還測(cè)試并改變了激光頭的功率水平，波長(zhǎng)和焊接速度，以預(yù)測(cè)各種工作條件下的鎖孔形狀。由于該模型模擬了金屬熔化過(guò)程中的傳熱和相變，團(tuán)隊(duì)成員可以使用該模型分析蒸發(fā)，液 - 氣界面的流體動(dòng)力學(xué)和熔池的膨脹（如圖5所示）。

圖4

對(duì)耦合現(xiàn)象的建模揭示了激光焊接頭最終的焊接結(jié)果

為了預(yù)測(cè)激光焊接頭的焊接點(diǎn)的最終形態(tài)，萬(wàn)順興激光頭研發(fā)團(tuán)隊(duì)和來(lái)武漢理工大學(xué)的研究小組在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊接速度、激光功率及匙孔大小這三個(gè)參數(shù)，對(duì)焊接熔深進(jìn)行了 建模。

高質(zhì)量焊接需要對(duì)鋼板全熔透。當(dāng)能量密度有限、功率過(guò)低或焊接速度較快時(shí)，將會(huì)發(fā)生局部熔透。局部熔透會(huì)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

圖5

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