據(jù)悉，本文對對不銹鋼-鎳異種熱電偶的激光點(diǎn)焊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。

摘要

對不銹鋼-鎳異種熱電偶的激光點(diǎn)焊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究?；诤附尤鄢刂匈|(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒和溶質(zhì)輸運(yùn)方程的求解，采用三維傳熱傳質(zhì)模型對焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算的熔合區(qū)幾何結(jié)構(gòu)和元素分布與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。通過比較考慮對流和不考慮對流兩種情況，分析了流體流動(dòng)對溫度場及其演化的作用。遠(yuǎn)離熔池的溫度場非常相似，但靠近熱源的溫度場差異很大。在熔池形成后的早期階段，由于混合時(shí)間不足，元素鐵在熔池中的分布不均勻。在熔池形成的初始階段，質(zhì)量傳輸?shù)乃俣茸罡?，并且隨著時(shí)間的推移而降低。在不銹鋼和鎳的激光點(diǎn)焊過程中，對流對傳熱和傳質(zhì)都有顯著影響。

1.介紹

脈沖激光點(diǎn)焊廣泛用于航空航天、電信和醫(yī)療行業(yè)中要求高電氣和電子可靠性的小型部件（如微波外殼、電池和其他封裝）的焊接。近幾十年來，隨著原材料成本的上升，為特定產(chǎn)品選擇單一金屬可能成本高昂。在產(chǎn)品中使用不同的金屬和合金為設(shè)計(jì)師和工程師提供了極大的靈活性，與使用單一材料的傳統(tǒng)制造方法相比，這通常會帶來技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。例如，高強(qiáng)度不銹鋼可以與鎳等防腐金屬結(jié)合，以承受高壓容器中的機(jī)械負(fù)荷和化學(xué)腐蝕。

然而，由于兩種金屬的物理和化學(xué)性質(zhì)（如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、熱膨脹系數(shù)和熔化溫度）的差異，許多問題如散熱不足導(dǎo)致的部分穿透，在連接異種金屬時(shí)，由于溶質(zhì)稀釋或熱處理不當(dāng)而形成脆性金屬間化合物或低熔點(diǎn)共晶，可能會使接頭容易出現(xiàn)裂紋和故障。選擇合適的熱處理溫度和金屬材料的成分是解決這些問題并獲得所需組織和機(jī)械性能的有效途徑，這就需要合適的激光焊接參數(shù)。然而，對這些參數(shù)的許多試驗(yàn)似乎很耗時(shí)，對傳熱傳質(zhì)的數(shù)值模擬有助于預(yù)測不同工藝參數(shù)下的溫度和成分。

使用聚焦在鋼側(cè)的激光焊接銅-鋼接頭：（a）接頭S1的宏觀組織，（b）通過EDS線掃描的接頭S1的Fe（K）和Cu（K）強(qiáng)度分布，（c）接頭S2的宏觀組織，以及（d）通過EDS線掃描的接頭S2的Fe（K）和Cu（K）強(qiáng)度分布。

上圖顯示了接頭S1的OM橫截面形態(tài)，其中虛線表示EDS線掃描的位置，圖b顯示了Fe（K）和Cu（K）的相應(yīng)強(qiáng)度分布。可以看出在Cu和Fe板之間的混合區(qū)中存在少量氣孔和裂紋。在接頭S2的混合區(qū)，裂紋和孔隙幾乎被消除，如圖c所示。圖d顯示了沿圖3c所示線的EDS強(qiáng)度分布。通過比較圖3b和圖3d中的結(jié)果，可以看出板厚和激光功率對混合區(qū)中銅元素的分布有重要影響。

近幾十年來，傳熱和流體流動(dòng)的計(jì)算模型已被用于了解類似金屬焊接應(yīng)用中溫度場和速度場的演變。He等人研究了在自由表面平坦的假設(shè)下，不銹鋼激光點(diǎn)焊過程中溫度場和速度場的演變。數(shù)值研究了在硫和氧等表面活性元素存在或不存在的情況下，由熔池表面溫度梯度引起的Marangoni–Benard對流和由熔池內(nèi)密度變化引起的Rayleigh–Benard對流。使用各種模型研究了合金傳導(dǎo)模式激光焊接中元素蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量和質(zhì)量損失。激光加工中固液界面的非平衡凝固性質(zhì)和溶質(zhì)分配也得到了解釋。這些模型大多基本遵循固定網(wǎng)格法，采用焓-孔隙率公式來處理固液相變問題。

銅鎳異種熱電偶激光焊接示意圖。

盡管對相似材料焊接進(jìn)行了許多研究，但很少有研究涉及異種金屬焊接的建模，但人們的興趣正在上升。Zhao及其同事使用三維有限元模型預(yù)測了不同激光功率和掃描速度下的溫度場。然后利用模擬優(yōu)化工藝參數(shù)，以控制兩種金屬界面處的熱輸入，從而抑制Ti6Al4V和42CrMo激光搭接焊接過程中脆性金屬間化合物的形成。他們的模擬忽略了Marangoni對流和質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?。Chung和Wei使用二維模型，基于VOF方法和SIMPLE算法，預(yù)測兩種不互溶金屬連續(xù)焊接中熔合區(qū)的形狀。Phanikumar等人將其擴(kuò)展為三維瞬態(tài)模型，以解決層流流體假設(shè)下銅鎳異種偶件激光焊接過程中的傳熱、流體流動(dòng)和物種守恒問題。Chakraborty和Chakraborty進(jìn)行了非定常雷諾平均Navier-Stokes模擬，通過比較層流和湍流下的結(jié)果來證明湍流效應(yīng)。

本文建立了不銹鋼與鎳激光點(diǎn)焊的三維傳熱傳質(zhì)模型。分析了不同時(shí)刻的溫度場和濃度分布。計(jì)算的熔池尺寸和元素分布與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證該模型。這項(xiàng)工作表明，數(shù)值傳輸現(xiàn)象的應(yīng)用可以顯著增加異種熔焊的定量知識庫。

2.實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用了304不銹鋼和鎳。焊接前用丙酮清潔表面。在一臺具有五軸數(shù)控工作站的1kW Nd:YAG激光材料加工系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。150毫米焦距透鏡用于聚焦激光束。離焦距離為9.5mm，試樣頂面對應(yīng)的光束半徑為1.0mm。使用650 W的激光功率，相互作用時(shí)間為500 ms。圖1顯示了尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的304不銹鋼和鎳板的激光點(diǎn)焊示意圖。

圖1 304不銹鋼-鎳異種熱電偶激光點(diǎn)焊示意圖。

3.數(shù)學(xué)建模

3.1. 主要假設(shè)

本文建立了一個(gè)瞬態(tài)三維模型來模擬不銹鋼-鎳異種熱電偶激光點(diǎn)焊過程中的傳熱傳質(zhì)過程。為了簡化計(jì)算，做出以下假設(shè)：

1.假定熔融金屬為牛頓型且不可壓縮，并使用Boussinesq近似來解釋由于溫度和濃度變化引起的密度變化。流體是層流的。

2.焊接在傳導(dǎo)模式下進(jìn)行，熔池的自由表面是平坦的。不考慮兩個(gè)工件之間的熱接觸電阻。

3.激光束在工作空間頂面的入射通量為高斯分布。

4.假定熔池金屬的相關(guān)物理和熱性能（如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和粘度）與溫度無關(guān)，且固相和液相的物理和熱性能不同，但隨成分呈線性變化。

5.主要元素的二元相圖用于研究合金凝固。

3.2. 控制方程

整個(gè)矩形計(jì)算域被劃分為小的矩形控制體?？刂品匠淘诮诲e(cuò)網(wǎng)格上用控制體積法離散。壓力、溫度、物種濃度等標(biāo)量存儲在計(jì)算單元的中心。速度分量存儲在相應(yīng)的單元面中心。數(shù)值解的一般框架基于SIMPLEC算法。使用159×160×50網(wǎng)格的非均勻網(wǎng)格，在熱源附近使用更細(xì)的網(wǎng)格。最小網(wǎng)格間距為20μm。上表面用于數(shù)值模擬的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 頂部表面用于數(shù)值模擬的網(wǎng)格。

4.結(jié)果和討論

4.1 熱傳輸：流體流動(dòng)對溫度場的影響

傳統(tǒng)的計(jì)算焊接力學(xué)專注于熱應(yīng)力和應(yīng)變場、結(jié)構(gòu)變形和變形以及微觀結(jié)構(gòu)的演變，為了簡單起見，使用傅立葉熱傳導(dǎo)模型預(yù)測溫度場的演變。然而，在異種金屬焊接過程中，熔池中的流體流動(dòng)可能會影響傳熱，并影響溫度場和組分分布。

圖3（a–f）顯示了兩種情況下在加熱期間不同時(shí)間計(jì)算的溫度場和速度場的比較。圖中的輪廓值表示以Kelvin為單位的溫度。黃色和紅色部分代表液體區(qū)域。可以看出，在這兩種情況下，遠(yuǎn)離熔池的溫度場在不同時(shí)間是相似的，這表明了在傳統(tǒng)焊接力學(xué)中忽略流體流動(dòng)和質(zhì)量傳輸?shù)囊恍┖侠硇?。然而，對于靠近熱源的區(qū)域，情況卻截然不同。對于情況1，熔合區(qū)更深、更窄，并且具有半球形，這是由于能量僅通過熱傳導(dǎo)從激光束中心徑向傳輸而產(chǎn)生的。峰值溫度總是在304不銹鋼一側(cè)，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鎳。對于情況2，當(dāng)考慮流體流動(dòng)和質(zhì)量傳輸時(shí)，由于最大熱輸入通量，峰值溫度向激光束中心移動(dòng)。當(dāng)表面張力的溫度系數(shù)為負(fù)值時(shí)，流體從激光束的中心（表面張力變小）流向熔池的外圍，增強(qiáng)了從熱零件到冷零件的能量傳輸。因此，情況2的峰值溫度遠(yuǎn)低于情況1（2423 K vs 3058 K），并且在加熱期間，熔池中的溫度梯度較小。圖4（a–d）顯示了兩種情況在冷卻循環(huán)期間計(jì)算的溫度場和速度場的比較。在激光器關(guān)閉后，情況2的熔池僅保持液態(tài)30 ms，而情況1的時(shí)間要長得多（約140 ms）。

圖3 兩種情況下加熱期間不同時(shí)間的溫度場。

圖4 兩種情況下冷卻期間不同時(shí)間的溫度場。

溫度梯度對熱應(yīng)力的產(chǎn)生至關(guān)重要，溫度本身影響應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)局部溫度和熔化溫度的比率，指定的本構(gòu)模型可能會有所不同，從速率無關(guān)塑性（小于0.5）、速率相關(guān)塑性（0.5–0.8）到線性粘性（大于0.8）。因此，應(yīng)該研究溫度和溫度梯度的演變。圖5顯示了距離熱源0.5 mm的兩個(gè)位置的溫度變化。如圖所示，當(dāng)溫度超過固相線時(shí)，情況2的冷卻速度要高得多。這可以歸因于流體流動(dòng)，除了熱傳導(dǎo)之外，流體流動(dòng)還作為另一種機(jī)制將熱量從熱部件傳輸?shù)嚼洳考?，使熱部件更快冷卻。

圖5 不同位置的焊接熱循環(huán)。

兩種情況下，兩個(gè)位置之間的溫差演變也不同。在加熱期間，情況2的兩個(gè)位置之間的溫差比情況1小得多，因?yàn)榱黧w流動(dòng)有助于增強(qiáng)從熱零件到冷零件的熱傳輸。激光器關(guān)閉后，熔池凝固，流體流動(dòng)減弱并迅速消失。熱傳遞的主要機(jī)制是熱傳導(dǎo)，鎳側(cè)的溫度下降速度比不銹鋼側(cè)快，因?yàn)殒嚲哂懈叩膶?dǎo)熱性。因此，對于情況2，兩個(gè)位置之間的溫差增大，與加熱期間相比，情況1略有不同。盡管不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，但在加熱期間產(chǎn)生的高溫度梯度會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臒崃?，?dǎo)致冷卻期間兩個(gè)位置之間的溫差較小。

4.2. 質(zhì)量傳輸

當(dāng)熔池開始形成時(shí)，流體將鐵和鉻等元素從不銹鋼側(cè)輸送到鎳側(cè)，這些元素與鎳混合。同樣，鎳元素從鎳側(cè)傳輸?shù)讲讳P鋼側(cè)。圖6和圖7分別顯示了不同時(shí)間內(nèi)鐵在頂面和橫截面上的濃度分布。對于上表面，由于混合時(shí)間不足，在最初的60 ms內(nèi)，熔池中鐵元素的分布不均勻。60ms后，兩側(cè)金屬繼續(xù)熔化，熔池尺寸繼續(xù)擴(kuò)大，上表面濃度分布接近均勻。然而，對于橫截面，鐵元素在60ms時(shí)分布不均勻，尤其是在固液界面附近。鐵元素在橫截面上均勻分布的時(shí)間較長，約為90 ms。因此，在上表面的傳質(zhì)比橫截面更快。由于溫度梯度和濃度梯度引起的Marangoni應(yīng)力，上表面的對流很強(qiáng)。不均勻的元素分布會導(dǎo)致較大的Marangoni應(yīng)力，這反過來會加速流體流向輸送質(zhì)量。

圖6 在（a）10ms的不同時(shí)間內(nèi)，鐵在上表面的濃度分布；（b） 30ms；（c） 60ms和（d）500ms。

圖7 在（a）10ms的不同時(shí)間內(nèi)，鐵沿橫截面的濃度分布；（b） 30ms；（c） 60ms；（d） 90ms；（e） 120ms和（f）500ms。

圖8顯示了遠(yuǎn)離熱源0.5 mm的兩個(gè)位置的鐵濃度變化。如圖所示，熔池形成后，元素快速混合。因此，在熔化的初始階段，不銹鋼側(cè)的鐵濃度降低，而鎳側(cè)的鐵濃度升高，且速度很快。隨著兩個(gè)位置的濃度差減小，質(zhì)量傳輸變得更加緩慢。因此，在不銹鋼和鎳的激光點(diǎn)焊過程中，兩個(gè)位置的濃度差和質(zhì)量傳輸速度都會隨著時(shí)間的推移而減小，直到元素分布變得均勻?yàn)橹埂?/p>

圖8 鐵在不同位置的濃度變化。

對于激光焊接，需要均勻的溶質(zhì)分布，因?yàn)楹辖鹪氐牟痪鶆蚍植伎赡軙?yán)重影響焊接件的機(jī)械性能?；旌系木鶆蛐院陀纱水a(chǎn)生的濃度分布主要由熔池中的對流決定。該數(shù)值模型有助于預(yù)測成分分布，以尋求合適的顯微組織和目標(biāo)機(jī)械性能所需的最佳激光焊接參數(shù)。

4.3. 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

將實(shí)驗(yàn)確定的熔池橫截面與圖9中相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。觀察到，情況2的計(jì)算熔池幾何形狀和尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而情況1的熔合區(qū)更深、更窄。由于固體鎳的高導(dǎo)電性，鎳側(cè)熔合區(qū)的尺寸小于激光束的半徑（1.00 mm）。相反，不銹鋼側(cè)的熔合區(qū)（1.4mm）要大得多，其尺寸超過了激光束的半徑。

圖9 （a）模擬情況1的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算熔池橫截面；（b）模擬情況2；（c）實(shí)驗(yàn)。

圖10顯示了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)元素分布的比較。掃描軌跡如圖9（c）所示。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明了本文數(shù)值模型的有效性。通過Marangoni對流和質(zhì)量擴(kuò)散，元素在熔池中幾乎均勻分布，根據(jù)Fe–Ni二元相圖，凝固過程中的溶質(zhì)分配不明顯。

圖10 實(shí)驗(yàn)（a）和計(jì)算（b）元素分布。

值得注意的是，由于濃度梯度引起的Marangoni應(yīng)力總是傾向于使元素均勻分布，因?yàn)樵谶@種平衡條件下，它的勢能最低。然而，這并不一定意味著在任何激光加工過程中元素分布都應(yīng)該是均勻的。當(dāng)非平衡分配系數(shù)（kp）遠(yuǎn)離單位時(shí)，其他因素，如脈沖持續(xù)時(shí)間短或掃描速度快導(dǎo)致混合時(shí)間不足，或快速凝固過程中溶質(zhì)重新分布都不可忽略，會導(dǎo)致分布不均勻。在異種金屬激光焊接中，由于合金中的活性元素，氣孔、小孔形成和表面張力變化等其他復(fù)雜問題也在熱量和質(zhì)量傳輸中發(fā)揮重要作用，并為未來的研究提供了挑戰(zhàn)。

5.結(jié)論

采用三維瞬態(tài)數(shù)值模型研究了不銹鋼-鎳異種熱電偶激光點(diǎn)焊過程中的傳熱傳質(zhì)問題。計(jì)算的熔合區(qū)幾何形狀和元素分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。調(diào)查的一些重要發(fā)現(xiàn)如下：

(1)給出了兩種情況下的模擬結(jié)果，以說明異種熱電偶激光焊接過程中流體流動(dòng)對傳熱的重要性。遠(yuǎn)離熔池的溫度場不受流體流動(dòng)的影響。然而，對于靠近熱源的位置，當(dāng)考慮流體流動(dòng)時(shí)，加熱期間的峰值溫度和溫度梯度都會降低。冷卻速度增加，熔池凝固更快。

(2)由于有足夠的混合時(shí)間，90ms后鐵元素在熔池中的分布是均勻的。由于強(qiáng)對流，物質(zhì)在上表面的傳輸比橫截面更快。在熔池形成的初始階段，質(zhì)量傳輸速度最高，在不銹鋼和鎳的激光點(diǎn)焊過程中，質(zhì)量傳輸速度隨時(shí)間而降低。

來源：Heat and mass transfer in laser dissimilar welding of stainless steel and nickel，Applied Surface Science，doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.02.143

參考文獻(xiàn)：H.C. Chen, A.J. Pinkerton, L. Li，F(xiàn)ibre laser welding of dissimilar alloys of Ti-6Al-4V and Inconel 718 for aerospace applications，Int. J. Adv.Manuf. Technol., 52 (2011), pp. 977-987