【半岛平台】德国机构用电磁提高大功率激光焊接质量

不管是船舶还是反应堆容器，焊在各种可信的金属结构的构成过程中都是十分关键的一种操作者方式。当焊告终时，整个结构往往也不会告终，所以对焊质量的希望只不会更加低。用于局部冷却源的工艺例如焊，很可能会造成变形的产生。

较厚的金属零部件的焊过程并不平稳，如果没外部力量的话将不会无法掌控。　　创立小孔　　在大功率激光焊中，在激光强度最低的区域的少量金属不会冷却。浅熔焊在工件上不会创立一个被称作小孔的横向空腔。

在此过程中，激光束不仅融化金属，也不会产生金属蒸汽。这种减弱的蒸汽对熔融的金属施加压力并部分代替它。与此同时，材料之后融化。

结果就是构成一个浅且较宽并且充满著蒸汽的洞，或者称作小孔（keyhole），它被熔融的金属所环绕着。随着激光束的移动，小孔不会随之在工件上移动。熔融的金属环绕着小孔流动并在沿途凝结。这就构成了具备均匀分布内部结构的浅且较宽的焊缝。

　　众所周知，用浅熔焊来焊铝的问题主要是由低粘度引发的熔体低动态不道德。再行再加低的热导率，由此产生的熔池很长。焊的表面显得不平稳，结果是金属液滴再次发生溅与喷气，并因而产生并未焊满、嘴巴边、弧坑、孔洞或空洞等焊缺失，所有这些缺失不会对焊的力学性能产生有利影响。

如果材料有缺陷，往往必须用电弧焊展开后处理，来填充缺乏的材料或使焊缝的视觉效果较佳，这也是表面质量的一个指标。此外，在某些领域，光滑的焊缝表面显得十分最重要，例如食品工业，主要是因为坚硬的表面可能会装载细菌。

　　不不受掌控的焊过程不会带给一个副作用，即加快焊缝金属的滴落。这些液滴使整个过程变脏，并造成焊缝加热后材料的缺陷。第二，马兰戈尼（Marangoni）效应造成非均匀分布焊缝的产生，这也是工件中形变和/或变形再次发生的一个原因。部分焊熔池在表面张力和电磁力起到下移动，从而引发材料的非均匀分布以及焊熔池有所不同部位的凝结速度有所不同。

一旦焊缝烧结，由于产于和加热时间不均匀分布，它可能会由有所不同材料包含。　　减慢熔体流动　　否有可能抵销这种影响？在德国研究基金会（GermanResearchFoundation）的资助下，BAM德国联邦材料研究和测量研究所探究了各种方法来掌控和巩固这些影响。在这一特定的例子中，我们用于一种恒定的磁场对激光焊过程施加影响。在COMSOLMultiphysics软件的协助下，我们确认了能改良焊缝均匀分布性的磁场产于情况。

　　我们尤其想巩固马兰戈尼效应的影响。在表面，激光束产生在金属上的点具备十分低的温度，随着与焊缝之间的距离减少，温度很快上升。

由此产生的较高的温度梯度使得金属在温度依赖性表面张力的起到下从焊熔池的中央向外部边界流动（马兰戈尼效应）。我们的目标是构建极致的焊，这意味著我们必须诱导这种流动，所以能量要转入熔池的深处，而不是在表面拓展。　　极致的焊将具备平行的侧墙，所有深度的烧结是同时再次发生的。

而实质上在无外力作用的情况下焊缝更好地是构成一个酒杯形状（图1a），并且凝结界面的曲率相当大。这不会造成工件上有相当大的形变，并且加热后再次发生较小的变形。然而，垂直焊方向来产生静态磁场，不会让焊缝更加相似希望中的均匀分布形状，像一个V（图1b-d）。　　　　图1：焊缝的平面部位的温度散点图表明，在没任何磁场起到下（a），焊构成酒杯形状。

在再加磁场后（b=0.50T，c=1T和d=2T），形状开始相似V字形。　　这种能转变焊缝形状的能力来自Hartmann效应。明确而言，对于导电液体例如熔融金属来说，磁场不会诱导电流的产生并建构出有洛仑兹力场，与完整熔体流动方向忽略。　　为了展示这种效果，我们仿真了3D热传导、流体动力学和电磁学，并为此用于CFD模块和AC/DC模块。

首先，我们仿真了电磁场来计算出来洛仑兹力；这些结果作为体积力来计算出来熔池对流的速度和压力。这使我们需要解决问题热传导问题，速度场来自之前的对流仿真。

　　当然，温度影响着材料的性能，所以我们回过头来新的计算出来洛仑兹力，它也各不相同流动的速度。这个循环持续展开以后仿真超过稳态解决方案所必须的精度；例如，符合所牵涉到的所有物理问题。为了检验该模型，我们分别在产生磁场和不产生磁场的情况下展开焊，再行缝合焊缝并获得其宏观形貌。

然后变换仿真的结果，结果显示出有较好的一致性（图2）。　　　　图2：用16kW功率的激光以0.5m/min的速度展开焊，用COMSOLMultiphysics软件得出结论的结果与之互为变换。不产生任何磁场的焊缝不会构成酒杯形状（如a右图），在图b中，B=0.5T，焊缝更好的像具备直边的V字形，与酒杯形状截然不同。

（数据来自BAM）　　这一焊过程极为简单，感激COMSOLMultiphysics软件协助我们设法取得了精确的结果。我们指出COMSOL的优点还包括更容易操作者、出众的几何建构和协商能力，并且能用于预计义的多重物理量（Multiphysics）耦合功能，不过有的选项必须手动调整和改动。例如，具备温度依赖性的材料属性，主要来自实验数据点或解析式，在固相速度模型用于源项，还包括重力效应，还有熔融潜热（latentheatoffusion）。

我们可以很便利地在计算出来中考虑到所有这些因素。　　很高兴这一软件需要较为更容易地取得物理起源的数据。

感激COMSOLMultiphysics的仿真，我们早已确认了潜在影响，并且告诉如何对付它们。下一步是学会如何将这方面的科学知识大规模地付诸实践。

我们早已确认了哪些磁场能提高焊过程的质量，并且将更进一步通过实验来新的定义整个焊过程。

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