來自美國的研究團(tuán)隊(duì)Kyubok Lee等人在Journal of Manufacturing Processes國際雜志上發(fā)表文章Data-driven investigation of pore formation mechanisms in laser welding of Al-Cu。

01、論文導(dǎo)讀

異種金屬的激光焊接因?yàn)槠鋸?fù)雜的物理現(xiàn)象，使我們?cè)谔剿鳉饪椎男纬蓹C(jī)理時(shí)面臨更大的挑戰(zhàn)。該研究采用數(shù)據(jù)科學(xué)、三維圖像分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的多學(xué)科方法，探討了Al-Cu搭接接頭激光焊接中的氣孔形成機(jī)理。顯微X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像顯示了激光焊接樣品中氣孔的三維形態(tài)和位置數(shù)據(jù)，隨后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分得到三種不同的氣孔類型，即熔合區(qū)氣孔、小熔合邊界氣孔和大熔合邊界氣孔。在這些數(shù)據(jù)的支撐下，該研究通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬更深入地研究氣孔形成機(jī)理，模擬了氣泡的運(yùn)動(dòng)及其與熔池的復(fù)雜相互作用，為不同氣孔類型的控制機(jī)制提供了見解。進(jìn)一步探究了工藝參數(shù)對(duì)氣孔形成機(jī)理的影響，揭示了工藝參數(shù)對(duì)Al-Cu異種金屬激光焊接中氣孔形成的影響。

02、論文概述

該研究旨在通過將三維（3D）氣孔的分布數(shù)據(jù)分析和流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬分析相結(jié)合，對(duì)Al-Cu異種金屬激光焊接中的氣孔形成機(jī)理進(jìn)行全面研究。為實(shí)現(xiàn)這一研究目標(biāo)，采用四步方法：首先，通過μXCT掃描獲取三維氣孔特征數(shù)據(jù)，并利用氣孔表征和聚類進(jìn)行定量氣孔生成數(shù)據(jù)分析。其次，利用分析得到的三維氣孔數(shù)據(jù)，對(duì)Al-Cu異種金屬激光焊接過程中工藝參數(shù)與氣孔形成進(jìn)行相關(guān)性分析，從而研究其工藝-結(jié)構(gòu)關(guān)系。然后，通過CFD模擬研究了影響氣孔形成機(jī)理過程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的調(diào)控機(jī)理。最后，通過CFD模擬將不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的工藝物理特性的變化與氣孔分布的變化聯(lián)系起來，探索了工藝參數(shù)與氣孔形成機(jī)理之間完全相關(guān)性所需的物理屬性。

03、圖文解析

圖1. 鋁和銅的激光焊接：（a）試樣幾何形狀示意圖;（b）焊接夾具示意圖;（c）工藝窗口設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)設(shè)定分布;（d）μXCT掃描的樣品幾何結(jié)構(gòu)示意圖。

 圖2. μXCT圖像在三維和二維橫截面視圖中的氣孔（氣孔以紅色突出顯示）。

圖2顯示了 Al-Cu 異種金屬激光焊接中氣孔分布的四個(gè)關(guān)鍵觀察結(jié)果。首先，氣孔分布主要集中在焊縫的熔合邊界。將融合邊界與融合區(qū)進(jìn)行比較，在融合區(qū)內(nèi)僅生成了少量的氣孔。其次，僅在焊縫位于下方的 Cu 區(qū)域觀察到氣孔，而在焊縫的 Al 區(qū)域沒有觀察到氣孔。第三，生成的氣孔普遍尺寸較小，其中大多數(shù)氣孔的直徑小于10μm。最后，氣孔分布隨激光焊接工藝參數(shù)的設(shè)置而變化。能量輸入?yún)?shù)越大，氣孔形成越多，能量輸入?yún)?shù)越小，氣孔形成越少。

圖3. 等值線圖描繪了一系列工藝參數(shù)范圍內(nèi)氣孔數(shù)的變化：（a）氣孔數(shù)，（b）總體積，（c）平均長徑比，（d）平均最小孔直徑，（e）平均最大孔直徑，（f）平均孔直徑。

從三維氣孔度分析中獲得的氣孔特征數(shù)據(jù)表示為等值線圖（圖3）。數(shù)據(jù)分析顯示的趨勢(shì)與圖 2中的觀察結(jié)果一致。

圖4. 氣孔團(tuán)聚結(jié)果：（a）主成分1和主成分2的團(tuán)聚分布;（b）、（c）、（d）最具代表性的分別是團(tuán)簇LPFB（熔合邊界大氣孔）、團(tuán)簇SPFB（熔合邊界小氣孔）和團(tuán)簇PFZ（熔合區(qū)域內(nèi)氣孔）。

通過對(duì)三維氣孔的形態(tài)和位置分析，識(shí)別出不同類型的氣孔。圖5（a）顯示了三維主成分場(chǎng)中氣孔團(tuán)聚的結(jié)果。每個(gè)聚類在三個(gè)主要組成部分中都表現(xiàn)出明確的邊界。圖 5（b）、（c） 和 （d）顯示了每個(gè)團(tuán)簇的代表性氣孔以及 μXCT 橫截面。團(tuán)聚分布表明，團(tuán)簇SPFB和PFZ由主成分1區(qū)分，而團(tuán)簇PFZ與團(tuán)簇LPFB和SPFB由主成分2區(qū)分。它表明團(tuán)簇 LPFB 和 SPFB 是根據(jù)孔徑分開的，而團(tuán)簇 PFZ 則通過氣孔位置或形狀區(qū)分。

圖5. 氣孔分布的統(tǒng)計(jì)分析：（a）氣孔體積的分布，（b）各位置的氣孔數(shù)量，（c）各位置的氣孔體積變化，（d）各簇的氣孔體積分布，（e）各簇的氣孔數(shù)量，（f）各簇的氣孔體積變化。

正態(tài)分布，表明數(shù)據(jù)集中在較小的氣孔（圖6（a））。圖6（b）和（c）顯示了基于氣孔位置（熔合邊界或熔合區(qū)）的氣孔數(shù)量和體積分布。融合邊界處的氣孔數(shù)量明顯高于在融合區(qū)觀察到的氣孔數(shù)。此外，氣孔位置對(duì)體積影響不顯著。圖 6（d）表示每個(gè)聚類的體積直方圖，顯示每個(gè)聚類保持左偏態(tài)對(duì)數(shù)正態(tài)分布。數(shù)據(jù)也表明，團(tuán)簇LPFB和SPFB根據(jù)氣孔體積有明顯的區(qū)分，而團(tuán)簇PFZ則具有獨(dú)立的分布。圖 6 （e） 顯示了每個(gè)簇中分類的氣孔數(shù)量及其位置。數(shù)據(jù)顯示，聚集在PFZ簇中的大多數(shù)氣孔源自位于融合區(qū)的氣孔，而簇LPFB和SPFB則由位于融合邊界的聚集氣孔組成。圖6（f）顯示了每個(gè)團(tuán)簇的氣孔體積分布。觀察到 LPFB 和 SPFB 簇之間的體積分布存在明顯差異，表明它們基于體積和大小特征的區(qū)別。

圖6. 氣孔形成機(jī)理分析的三維流線CFD 仿真結(jié)果：（a）三維視圖，（b）縱向視圖，（c）水平視圖，（d）橫截面視圖。

圖6（b）為三維CFD 仿真的縱向視圖。在圖中，綠色的流線代表從鑰匙孔底部產(chǎn)生的氣泡的運(yùn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^綠色流線觀察到三種類型的氣泡運(yùn)動(dòng)模式。首先，氣泡回流并到達(dá)Cu區(qū)域的凝固前沿，形成鎖孔誘導(dǎo)的氣孔。其次，氣泡未能到達(dá)凝固前沿，從Cu區(qū)的熔池中逸出的氣泡無法到達(dá)Al區(qū)后方形成的凝固前沿，而在表面破裂。第三，氣泡被鑰匙孔重新吸收。在這種氣孔生成機(jī)理機(jī)制下，只有到達(dá)Cu區(qū)域凝固前沿的氣泡才會(huì)在Cu區(qū)域形成鎖孔誘導(dǎo)的氣孔，將其歸類為團(tuán)簇PFZ。

圖7. Al-Cu激光焊接中的氣孔生成機(jī)理：（a）Al區(qū)域的縱向截面視圖，（b）Al區(qū)域的水平截面視圖，（c）Cu區(qū)域的水平截面視圖。

圖7總結(jié)了Al-Cu異種金屬激光焊接中觀察到的氣孔生成機(jī)制。當(dāng)在鎖孔底部形成的氣泡跟隨材料流動(dòng)，最終到達(dá)熔池末端的凝固前沿，當(dāng)氣泡被捕獲時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鎖孔誘導(dǎo)的氣孔。該過程導(dǎo)致在融合區(qū)內(nèi)產(chǎn)生氣孔。

圖8. 三種不同情況的CFD仿真結(jié)果代表了氣孔生成機(jī)制的變化：（a）高能量輸入條件，（b）中等能量輸入條件，（c）低能量輸入條件。

首先，在高能量輸入條件下，通過形成深鎖孔，產(chǎn)生最深和最大的熔池，如圖8（a）所示。當(dāng)氣孔在鎖孔的前沿形成時(shí)，它們沿著黃色流線向后移動(dòng)，并被更寬的凝固前沿捕獲。這一過程導(dǎo)致更多氣孔的產(chǎn)生，這就解釋了為什么氣孔團(tuán)簇LPFB和SPFB在高能輸入條件下更為普遍。在中等能量輸入條件下，如圖8（b）所示，形成了中等大小的鎖孔和熔池。與高能輸入熔池相比，形成的團(tuán)簇LPFB和SPFB氣孔較少。這是由于在鎖孔前緣形成氣泡的區(qū)域較小，而黃色流線與凝固前沿相交的區(qū)域有限。此外，在鎖孔后面形成的氣泡與凝固前沿的行進(jìn)距離較短。然而，由于形成了相對(duì)較淺的下凝固前沿，并與其與開放的上凝固前沿直接相連，因此降低了氣泡粘附的可能性。這解釋了團(tuán)簇PFZ氣孔形成的輕微減少。最后，在低能量輸入條件下，如圖8（c）所示，觀察到一個(gè)淺而細(xì)長的鎖孔?？焖俚暮附铀俣仁辜?xì)長的鎖孔將熔融材料迅速向后推。因此，在鎖孔前沿形成的氣泡要么被重新吸收到鎖孔中，要么逃逸到熔池表面。此外，細(xì)長的鎖孔形狀不易塌陷，導(dǎo)致由于鎖孔塌陷而形成的團(tuán)簇PFZ（融合區(qū)氣孔）氣孔可以忽略不計(jì)。

04、總結(jié)

在這項(xiàng)研究中，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 3D 氣孔分析和 CFD 仿真，闡明了 Al-Cu 搭接接頭激光焊接中氣孔形成的機(jī)制。本研究的主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）Al-Cu異種金屬激光焊接中三維氣孔的分布呈現(xiàn)獨(dú)特的觀察結(jié)果。首先，氣孔主要集中在焊縫的熔合邊界上。其次，僅在焊縫位于較低位置的 Cu 區(qū)域中觀察到氣孔。第三，大多數(shù)觀察到的氣孔很小，直徑小于 10 μm。

（2）在Al-Cu異種金屬激光焊接中，由于材料性能的差異，氣孔主要出現(xiàn)在Cu區(qū)域。在焊接過程中，Cu形成的熔池比Al淺，使Cu區(qū)域的氣泡更容易附著在凝固前沿，從而形成氣孔。相反，Al區(qū)域的氣泡在基材凝固之前到達(dá)熔池表面，從而阻止了氣孔的形成。

（3）Cu區(qū)域熔合邊界處的氣孔是由鎖孔前沿產(chǎn)生的氣泡引起的。這些氣泡被熔融材料的流動(dòng)向后攜帶，并粘附在Cu區(qū)域鎖孔一側(cè)的凝固前沿。同時(shí)，Cu區(qū)域熔合區(qū)內(nèi)的氣孔是由于鎖孔不穩(wěn)定引起的。在鎖孔底部形成的氣泡會(huì)粘附在Cu區(qū)域熔池后部的凝固前沿。

（4）激光焊接的工藝參數(shù)對(duì)氣孔形成機(jī)理有顯著影響。在高能量輸入條件下，在鎖孔前沿形成更多的氣泡，并在Cu區(qū)域出現(xiàn)更寬的凝固前沿，導(dǎo)致氣孔形成增加。起源于鎖孔底部的氣泡與更寬但更遠(yuǎn)的凝固前沿相遇，僅導(dǎo)致氣孔數(shù)量的適度增加。相反，在低能量輸入條件下，會(huì)形成淺而細(xì)長的鎖孔，產(chǎn)生較少的氣泡，從而減少氣孔的形成。