據悉，本文對對不銹鋼-鎳異種熱電偶的激光點焊進行了實驗和數值研究。

摘要

對不銹鋼-鎳異種熱電偶的激光點焊進行了實驗和數值研究?；诤附尤鄢刂匈|量、動量、能量守恒和溶質輸運方程的求解，采用三維傳熱傳質模型對焊接過程進行了數值模擬。計算的熔合區(qū)幾何結構和元素分布與相應的實驗結果吻合良好。通過比較考慮對流和不考慮對流兩種情況，分析了流體流動對溫度場及其演化的作用。遠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，質量傳輸的速度最高，并且隨著時間的推移而降低。在不銹鋼和鎳的激光點焊過程中，對流對傳熱和傳質都有顯著影響。

1.介紹

脈沖激光點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，為特定產品選擇單一金屬可能成本高昂。在產品中使用不同的金屬和合金為設計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，這通常會帶來技術和經濟優(yōu)勢。例如，高強度不銹鋼可以與鎳等防腐金屬結合，以承受高壓容器中的機械負荷和化學腐蝕。

然而，由于兩種金屬的物理和化學性質（如導熱系數、熱容、熱膨脹系數和熔化溫度）的差異，許多問題如散熱不足導致的部分穿透，在連接異種金屬時，由于溶質稀釋或熱處理不當而形成脆性金屬間化合物或低熔點共晶，可能會使接頭容易出現裂紋和故障。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械性能的有效途徑，這就需要合適的激光焊接參數。然而，對這些參數的許多試驗似乎很耗時，對傳熱傳質的數值模擬有助于預測不同工藝參數下的溫度和成分。

使用聚焦在鋼側的激光焊接銅-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）的相應強度分布。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強度分布。通過比較圖3b和圖3d中的結果，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，傳熱和流體流動的計算模型已被用于了解類似金屬焊接應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下，不銹鋼激光點焊過程中溫度場和速度場的演變。數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對流和由熔池內密度變化引起的Rayleigh–Benard對流。使用各種模型研究了合金傳導模式激光焊接中元素蒸發(fā)產生的熱量和質量損失。激光加工中固液界面的非平衡凝固性質和溶質分配也得到了解釋。這些模型大多基本遵循固定網格法，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，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對流和質量傳輸的影響。Chung和Wei使用二維模型，基于VOF方法和SIMPLE算法，預測兩種不互溶金屬連續(xù)焊接中熔合區(qū)的形狀。Phanikumar等人將其擴展為三維瞬態(tài)模型，以解決層流流體假設下銅鎳異種偶件激光焊接過程中的傳熱、流體流動和物種守恒問題。Chakraborty和Chakraborty進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果來證明湍流效應。

本文建立了不銹鋼與鎳激光點焊的三維傳熱傳質模型。分析了不同時刻的溫度場和濃度分布。計算的熔池尺寸和元素分布與相應的實驗結果進行了比較，以驗證該模型。這項工作表明，數值傳輸現象的應用可以顯著增加異種熔焊的定量知識庫。

2.實驗

實驗中使用了304不銹鋼和鎳。焊接前用丙酮清潔表面。在一臺具有五軸數控工作站的1kW Nd:YAG激光材料加工系統(tǒng)上進行了實驗。150毫米焦距透鏡用于聚焦激光束。離焦距離為9.5mm，試樣頂面對應的光束半徑為1.0mm。使用650 W的激光功率，相互作用時間為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焊示意圖。

圖1 304不銹鋼-鎳異種熱電偶激光點焊示意圖。

3.數學建模

3.1. 主要假設

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

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.焊接在傳導模式下進行，熔池的自由表面是平坦的。不考慮兩個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物理和熱性能（如導熱系數、比熱和粘度）與溫度無關，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

整個矩形計算域被劃分為小的矩形控制體。控制方程在交錯網格上用控制體積法離散。壓力、溫度、物種濃度等標量存儲在計算單元的中心。速度分量存儲在相應的單元面中心。數值解的一般框架基于SIMPLEC算法。使用159×160×50網格的非均勻網格，在熱源附近使用更細的網格。最小網格間距為20μm。上表面用于數值模擬的網格如圖2所示。

圖2 頂部表面用于數值模擬的網格。

4.結果和討論

4.1 熱傳輸：流體流動對溫度場的影響

傳統(tǒng)的計算焊接力學專注于熱應力和應變場、結構變形和變形以及微觀結構的演變，為了簡單起見，使用傅立葉熱傳導模型預測溫度場的演變。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間計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?？梢钥闯?，在這兩種情況下，遠離熔池的溫度場在不同時間是相似的，這表明了在傳統(tǒng)焊接力學中忽略流體流動和質量傳輸的一些合理性。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從激光束中心徑向傳輸而產生的。峰值溫度總是在304不銹鋼一側，因為其導熱系數遠低于鎳。對于情況2，當考慮流體流動和質量傳輸時，由于最大熱輸入通量，峰值溫度向激光束中心移動。當表面張力的溫度系數為負值時，流體從激光束的中心（表面張力變小）流向熔池的外圍，增強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)期間計算的溫度場和速度場的比較。在激光器關閉后，情況2的熔池僅保持液態(tài)30 ms，而情況1的時間要長得多（約140 ms）。

圖3 兩種情況下加熱期間不同時間的溫度場。

圖4 兩種情況下冷卻期間不同時間的溫度場。

溫度梯度對熱應力的產生至關重要，溫度本身影響應力-應變關系。根據局部溫度和熔化溫度的比率，指定的本構模型可能會有所不同，從速率無關塑性（小于0.5）、速率相關塑性（0.5–0.8）到線性粘性（大于0.8）。因此，應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的兩個位置的溫度變化。如圖所示，當溫度超過固相線時，情況2的冷卻速度要高得多。這可以歸因于流體流動，除了熱傳導之外，流體流動還作為另一種機制將熱量從熱部件傳輸到冷部件，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，兩個位置之間的溫差演變也不同。在加熱期間，情況2的兩個位置之間的溫差比情況1小得多，因為流體流動有助于增強從熱零件到冷零件的熱傳輸。激光器關閉后，熔池凝固，流體流動減弱并迅速消失。熱傳遞的主要機制是熱傳導，鎳側的溫度下降速度比不銹鋼側快，因為鎳具有更高的導熱性。因此，對于情況2，兩個位置之間的溫差增大，與加熱期間相比，情況1略有不同。盡管不銹鋼的導熱系數較低，但在加熱期間產生的高溫度梯度會產生相當的熱流，導致冷卻期間兩個位置之間的溫差較小。

4.2. 質量傳輸

當熔池開始形成時，流體將鐵和鉻等元素從不銹鋼側輸送到鎳側，這些元素與鎳混合。同樣，鎳元素從鎳側傳輸到不銹鋼側。圖6和圖7分別顯示了不同時間內鐵在頂面和橫截面上的濃度分布。對于上表面，由于混合時間不足，在最初的60 ms內，熔池中鐵元素的分布不均勻。60ms后，兩側金屬繼續(xù)熔化，熔池尺寸繼續(xù)擴大，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間較長，約為90 ms。因此，在上表面的傳質比橫截面更快。由于溫度梯度和濃度梯度引起的Marangoni應力，上表面的對流很強。不均勻的元素分布會導致較大的Marangoni應力，這反過來會加速流體流向輸送質量。

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

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

圖8顯示了遠離熱源0.5 mm的兩個位置的鐵濃度變化。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，不銹鋼側的鐵濃度降低，而鎳側的鐵濃度升高，且速度很快。隨著兩個位置的濃度差減小，質量傳輸變得更加緩慢。因此，在不銹鋼和鎳的激光點焊過程中，兩個位置的濃度差和質量傳輸速度都會隨著時間的推移而減小，直到元素分布變得均勻為止。

圖8 鐵在不同位置的濃度變化。

對于激光焊接，需要均勻的溶質分布，因為合金元素的不均勻分布可能會嚴重影響焊接件的機械性能。混合的均勻性和由此產生的濃度分布主要由熔池中的對流決定。該數值模型有助于預測成分分布，以尋求合適的顯微組織和目標機械性能所需的最佳激光焊接參數。

4.3. 計算結果與實驗結果的比較

將實驗確定的熔池橫截面與圖9中相應的計算結果進行比較。觀察到，情況2的計算熔池幾何形狀和尺寸與實驗結果吻合較好，而情況1的熔合區(qū)更深、更窄。由于固體鎳的高導電性，鎳側熔合區(qū)的尺寸小于激光束的半徑（1.00 mm）。相反，不銹鋼側的熔合區(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的實驗和計算熔池橫截面；（b）模擬情況2；（c）實驗。

圖10顯示了計算和實驗元素分布的比較。掃描軌跡如圖9（c）所示。計算結果與實驗結果吻合良好，表明了本文數值模型的有效性。通過Marangoni對流和質量擴散，元素在熔池中幾乎均勻分布，根據Fe–Ni二元相圖，凝固過程中的溶質分配不明顯。

圖10 實驗（a）和計算（b）元素分布。

值得注意的是，由于濃度梯度引起的Marangoni應力總是傾向于使元素均勻分布，因為在這種平衡條件下，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該是均勻的。當非平衡分配系數（kp）遠離單位時，其他因素，如脈沖持續(xù)時間短或掃描速度快導致混合時間不足，或快速凝固過程中溶質重新分布都不可忽略，會導致分布不均勻。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雜問題也在熱量和質量傳輸中發(fā)揮重要作用，并為未來的研究提供了挑戰(zhàn)。

5.結論

采用三維瞬態(tài)數值模型研究了不銹鋼-鎳異種熱電偶激光點焊過程中的傳熱傳質問題。計算的熔合區(qū)幾何形狀和元素分布與實驗結果吻合良好。調查的一些重要發(fā)現如下：

(1)給出了兩種情況下的模擬結果，以說明異種熱電偶激光焊接過程中流體流動對傳熱的重要性。遠離熔池的溫度場不受流體流動的影響。然而，對于靠近熱源的位置，當考慮流體流動時，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間，90ms后鐵元素在熔池中的分布是均勻的。由于強對流，物質在上表面的傳輸比橫截面更快。在熔池形成的初始階段，質量傳輸速度最高，在不銹鋼和鎳的激光點焊過程中，質量傳輸速度隨時間而降低。

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：H.C. Chen, A.J. Pinkerton, L. Li，Fibre 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