基于CuSi3焊絲的鍍鋅鋼板激光釬焊溫度場及接頭組織分析

劉海江，汪 乾，張 恒，李思良

同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804

0 前言

激光釬焊以功率密度高和方向性優良的激光束作為熱源來熔化釬料，使熔融金屬液與母材完成潤濕鋪展，自然冷卻后實現工件的連接。與其他傳統焊接方式相比，激光釬焊具有焊接速度快、能量密度大、焊件變形小、焊縫深寬比大、易實現自動控制等優勢，被廣泛應用于高強鋼和有鍍層金屬薄板的連接。由于激光釬焊不直接熔化母材，可解決激光深熔焊過程中鋅蒸汽排除困難而導致焊縫氣孔過多、成形不好的問題［1-2］，因此激光釬焊技術廣泛應用于汽車白車身車頂的焊接。近些年來，銅基材料作為填絲金屬大量使用于鍍鋅鋼板的激光釬焊加工，而CuSi3焊絲憑借其優秀的機械性能（包括良好的流動性和剛度）［3］被廣泛采用，但激光釬焊過程中的溫度梯度很大，溫度場的分布將直接對CuSi3焊絲在鍍鋅鋼板表面的熔化、濕潤和鋪展過程造成影響。因此分析研究基于CuSi3焊絲的鍍鋅鋼板激光釬焊的溫度場分布，對研究和調控焊接接頭顯微組織轉變、焊后接頭形變等關鍵參數有著重要的工程指導意義。

由于激光加熱速率快，板材溫度變化劇烈，采用傳統的熱電偶法難以測量靠近熔池區域的溫度。有限元數值模擬是研究焊接溫度場的一種高效方法，但激光釬焊涉及激光束的移動、焊絲的熔融鋪展，物理過程比較復雜，因此相關的研究并不多見。Jeon［4-5］等人基于 ABAQUS 軟件，將激光作為表面熱源，把焊接過程分為六個典型階段，模擬了304不銹鋼和5052鋁合金板的激光釬焊溫度場。趙振龍［6］采用Ansys Workbench軟件，選用高斯移動熱源模型，對汽車頂蓋和側圍進行了激光釬焊溫度場仿真，并與傳統點焊對比得出了激光釬焊工藝的優越性。宋永剛［7］采用ANSYSY有限元分析軟件，研究了焊接速度對激光釬焊CBN的影響。以上研究建立的激光釬焊軸對稱模型相對簡單，沒有考慮釬料的動態填充過程。封小松［8］采用生死單元網格模擬釬料填充過程，分析了鍍鋅鋼板單、雙光束溫度場的不同特點，但僅對激光相關參數進行了研究。

本文采用實驗與數值仿真相結合，對0.7 mm鍍鋅鋼板特殊結構件激光釬焊進行焊接和數值建模，從而模擬鍍鋅板在車頂焊接過程中的實際工程應用場景。在深入分析激光釬焊加熱過程的基礎上，應用ABAQUS有限元分析軟件建立鍍鋅鋼板搭接接頭激光釬焊溫度場模型，對焊接過程中釬縫、母材的溫度變化及激光功率、焊接速度、光斑直徑等焊接參數對溫度場的影響規律進行深入研究，并以工藝實驗數據為檢驗標準驗證仿真模型的可靠性。

1 試驗材料及方法

試驗焊接母材是牌號為GMW2M-ST-SCR2HD 60G60GE的汽車高強度鋼，雙面均有鍍鋅層，鍍鋅厚度為上表面65 g/m2、下表面66 g/m2，母材化學成分如表1所示；激光釬焊使用的填絲材料為CuSi3焊絲，其化學成分如表2所示。板材尺寸為200 mm×75 mm×0.7 mm，采用兩板搭接的形式進行激光釬焊，下部焊接試件為標準平板，上部為標準平板彎成90°直角，彎折邊15 mm，翻邊圓角半徑為2 mm，具體搭接焊接情況如圖1所示。

表1 鍍鋅鋼板母材主要化學成分（質量分數，%）Table 1 Major compositions of galvanized steel（wt.%）

表2 CuSi3焊絲主要化學成分（質量分數，%）Table 2 Major compositions of CuSi3 filler metal（wt.%）

圖1 板材尺寸及搭接示意Fig.1 Schematic diagram of plate size and overlap

焊接光源采用德國通快公司生產的TruDisk-5006型號的碟片式激光器，使用威爾得WPC-600送絲機構進行釬焊送絲，采用KUKAO2ORB-100六軸機器人進行焊接操作，實際焊接工藝參數如表1所示。焊后使用奧林巴斯BX53M正立金相光學顯微鏡觀察焊縫形貌及微觀組織。

表3 鍍鋅鋼板激光釬焊工藝參數Table 3 Laser brazing welding parameters of galvanized

2 溫度場數值模型

2.1 幾何模型定義和網格劃分

在有限元仿真和分析環節，根據實際激光釬焊工藝實驗情況簡化焊接模型，離熱源較遠的母材幾乎不會受到溫度變化影響，為加快仿真計算速度在有限元分析軟件ABAQUS中建立三維模型如下：平板尺寸100 mm×30 mm×0.7 mm；下部焊接試件為標準平板，上部焊接試件為標準平板彎成90°直角，彎折邊長為15 mm，翻邊圓角半徑為2 mm。考慮到母材與焊絲之間的熱效應問題，將模型分為母材基體和焊絲兩部分。激光釬焊數值模型中母材鍍鋅鋼板的密度7 840 kg/m3、焊絲CuSi3密度8 500 kg/m3。鍍鋅鋼板和CuSi3焊絲的基本物理參數如表4所示，熱力學參數如表5所示，室溫為20°C。

表4 鍍鋅鋼板和CuSi3物理參數［9］Table 4 Physical parameters of galvanized steel and CuSi3

表5 鍍鋅鋼板熱力學參數［10］Table 5 Thermodynamic parameters of galvanized steel

激光釬焊過程中，釬料隨著激光熱源的移動而熔化流入焊接區域，隨著釬料的冷卻形成焊縫，該過程對焊接的溫度場有較大影響，故在仿真計算時采用生死單元來模擬釬焊過程，即在釬料依次熔化冷卻形成焊縫的過程中逐步激活焊縫的單元。為增加釬焊仿真的精準性，將釬縫區域及熱源經過路徑附近的網格尺寸細化至0.14 mm；同時為節約計算時間并兼顧計算精度與效率，將網格尺寸隨著距焊縫處距離的增加而逐漸增大至1 mm，細化后模型的網格分布如圖2所示。網格類型采用DC3D20型單元進行劃分，共生成74 900個單元。

圖2 有限元網格劃分Fig.2 Schematic diagram of finite element meshing

2.2 熱源模型

在激光焊接過程中，鍍鋅板試件表面溫度會因為高功率密度的激光而迅速升高，試件表面材料因此快速熔化、汽化產生蒸汽，從而導致汽化膨脹壓力的產生進而出現小孔效應。為了反映出激光焊接過程中小孔效應的作用，體現熱源在深度方向上的能量吸收，激光焊接的數值仿真熱源模型主要使用三維熱源模型或組合熱源模型［10］。由于激光光斑的熱輸入分布與高斯分布函數相吻合，且激光釬焊過程中沒有形成深的熔池，只是溫度的驟升和驟降［11］且激光光源不受氣體物質的影響［12-13］。又通過分析認為該激光釬焊模型是介于深熔焊和熱導焊之間的焊接模型，所以本文采用旋轉高斯體熱源模型和平面高斯熱源模型構成的組合熱源模型。

平面高斯熱源模型的數學表達式為

式中q為熱源密度；qm為最大輸入能量；η為激光功率有效利用系數；r0為熱源的有效半徑；r為焊接試件表面任意一點到光源中心的距離，其計算公式為，其中v為實際焊接速度。平面高斯熱源模型示意如圖3所示。

圖3 平面高斯熱源模型Fig.3 2D Gaussian heat source model

旋轉高斯體熱源模型的數學表達式為

式中q為熱源密度；qm為最大輸入能量；H為熱流的有效作用深度；r0為熱源上表面半徑。旋轉高斯熱源模型示意如圖4所示。

圖4 旋轉高斯熱源模型Fig.4 Rotating Gaussian heat source model

2.3 邊界條件

激光釬焊的焊接過程為典型的非線性瞬態熱傳導問題，其過程方程為：

式中ρ為密度；c為比熱容；T為溫度；t為時間；Kx、Ky、Kz為各方向的導熱系數。

對整個鍍鋅板激光釬焊工藝參數實驗數值模型而言，試件模型的熱輸入qin由旋轉高斯體熱源和平面高斯熱源組合熱源模型所提供；熱量耗散來自于試件整體與環境的熱輻射耗散qrad、試件整體與環境的對流耗散qconv、焊接過程中的液-氣相變潛熱耗散qvap三部分。

數值模型的熱輻射邊界條件可表示為

式中σs為玻爾茲曼常數；ε為表面輻射系數；T∞為室溫。

試件整體表面的對流耗散邊界條件可表示為

式中hc試件整體與室溫環境的換熱系數；T∞為室溫。

母材和釬料因高功率激光表照射而汽化蒸發所造成的液-氣相變潛熱邊界條件可表示為

式中W為蒸發率；L為材料的液-氣相變潛熱。

即該焊接數值模型的整體凈熱輸入可表示為

3 結果與分析

3.1 顯微組織

分別對四種不同焊接參數的焊接接頭顯微組織和釬縫形貌進行觀察和記錄。選取出接頭截面中釬縫兩側區域進行分析，分析區域包含釬料、熱影響區以及母材區，具體選取區域如圖5所示。

圖5 顯微組織分析區域位置示意Fig.5 Illustration of the location of the microstructure area

左側觀測區域顯微組織如圖6所示。由圖可知，近似線能量的焊接接頭顯微組織類型基本相同，但分布和比例隨著焊接線能量的增加變化較為顯著。顯微組織基本由分布于母材區（BM）的等軸晶和靠近熱源處的熱影響區（HAZ）的柱狀晶組成，且隨著線能量的增加柱狀晶的生長趨勢愈發明顯。由圖6a、6b可知，在HAZ和BM的交接區域，顯微組織分界明顯：BM區域以細密的等軸晶為主，其平均尺寸不足10 μm；HAZ則大部分都已經經過高溫轉變為細長的柱狀晶，并夾雜少量尺寸較為粗大的等軸晶，柱狀晶平均長度約為35 μm。HAZ區域的柱狀晶生長方向明顯，垂直于溫度場等溫線并朝向熱源，且柱狀晶的寬度也隨著靠近釬縫而增大。

圖6 試件S1～S4的焊縫及熱影響區顯微組織（左側）Fig.6 Microstructure in WZ and HAZ from S1 to S4（left side）

右側觀測區域的顯微組織如圖7所示。右側顯微組織分布趨勢與左側大致相同，BM區域主要分布為細密的等軸晶，HAZ主要分布為柱狀晶及部分粗大的等軸晶。但與左側顯微組織不同的是右側HAZ區域夾雜的柱狀晶含量減少、尺寸較大的等軸晶數量比例較左側有所提高，該現象在焊接線能量較高時更加顯著；且BM區與HAZ的熔合線明顯程度隨線能量的降低而降低。

圖7 試件S1至S4的焊縫及熱影響區顯微組織（右側）Fig.7 Microstructure in WZ and HAZ from S1 to S4（right side）

焊縫形狀是影響釬焊焊縫質量的關鍵因素之一，本文引用熔焊中的深寬比概念對釬焊焊縫形狀加以表征，來反映鍍鋅板釬焊過程中不同焊接線能量對釬焊焊縫深寬比的影響結果，具體釬縫寬度、深度取值如圖8所示。

圖8 釬縫深寬比示意Fig.8 Schematic diagram of aspect ratio of brazing seam

在四組釬焊試驗中，焊接線能量對釬縫深寬比的影響如圖9所示。四組焊接試件的線能量大小從64.3 J/mm增加至74.4 J/mm，其釬縫深寬比從0.273增大至0.394，反映出焊接熱輸入的增加對焊縫深寬比影響明顯。

圖9 激光焊接線能量對焊縫深寬比的影響Fig.9 Effect of laser welding line energy on the aspect ratio

3.2 溫度場計算結果

采用焊接接頭熱影響區分布情況驗證仿真結果，圖10為S1試件的實際焊接熱影響區分布與相同參數下熱影響區形貌分布對照結果，對照顯示分布結果吻合良好、分布基本一致，驗證了該溫度場有限元模型的準確性。

圖10 S1焊接接頭熱影響區分布截面驗證Fig.10 Verification of the cross section of the distribution in HAZ

以焊接試件S1的溫度場為例可得到整體數值模型焊接過程：釬料熔化形成的焊縫中心在受熱約0.18 s后溫度開始急劇上升，在0.22 s即可到達最高溫度1 384℃，固態釬料隨之熔融為液態金屬流入母材間隙完成潤濕鋪展，此時釬料快速傳熱給母材，溫度降至固相線以下后形成釬縫。隨著激光源的離去、輸入熱源消失，釬料快速冷卻。隨后冷卻速度減緩并一直持續到焊接結束，焊縫中心平均溫度保持在200℃左右至少15 s后并最終降至室溫。

焊接溫度場分布計算結果如圖11所示，可以推斷，鍍鋅板激光釬焊模型總體溫度梯度不大，但隨著焊接線能量的提升溫度場的梯度隨之提升，且形成的溫度場等溫線越寬。隨著冷卻過程的發生，焊接接頭釬料部分的溫度分布逐漸傳導至鍍鋅板母材，由于釬料CuSi3的熱傳導系數小于母材，即其在降溫過程中的熱傳導速度和對流換熱速度都受制于釬料的影響，造成焊縫中心區域溫度很高但溫度梯度較小的情況。

圖11 各焊接工藝參數下的溫度場分布計算結果Fig.11 Calculation results of temperature field distribution from S1 to S4

焊縫區域的焊接熱循環曲線如圖12所示。由圖可知，焊接實驗過程中，焊接線能量對焊縫中心溫度影響并不明顯。不同的焊接線能量其焊件中心點Pcenter的最高溫度略有不同，Pcenter溫度峰值隨著焊接功率的提升有一定增大，但中心最高溫度基本分布在1 400℃附近（見圖12a）。圖12b為焊縫邊緣處貼近母材表面一點Pedge的焊接熱循環曲線，其溫度變化趨勢與Pcenter的焊接熱循環曲線趨勢基本一致，可以看到邊緣Pedge處試件S1～S4的峰值溫度均在1 100℃左右，都已超過鋅鍍層的沸點908℃，因而釬料邊緣處的鍍鋅層在激光釬焊過程中將被汽化燒損。

圖12 焊縫區域的焊接熱循環曲線Fig.12 Welding thermal cycle curve in the welding zones

4 結論與展望

本文對鍍鋅鋼板激光釬焊的受熱過程進行分析，并在此基礎上建立有限元數值模型，結合激光釬焊實驗對鍍鋅鋼板CuSi3焊絲激光釬焊過程進行研究，得到以下結論：

（1）采用旋轉高斯體熱源模型和平面高斯熱源模型構成的組合熱源模型對基于CuSi3焊絲的鍍鋅鋼板激光釬焊過程中的溫度場進行數值仿真，通過實驗焊接接頭熱影響區的分布驗證了數值仿真模型的準確性。

（2）焊接接頭顯微組織隨著靠近釬料而逐漸由細密的晶粒轉變為粗大的晶粒，BM區主要分布為尺寸不足10 μm的等軸晶，HAZ主要分布為尺寸約30 μm的粗大等軸晶，熔合線附近主要分布為垂直于溫度場等溫線方向生長的柱狀晶，柱狀晶寬度隨著靠近熱源也在不斷生長。隨著焊接線能量的提升，焊接接頭的深寬比也呈顯著增大的趨勢。

（3）由于CuSi3焊絲導熱系數遠小于鍍鋅板母材，使得表面焊縫中心溫度場分布梯度較小，焊接線能量對焊縫中心峰值溫度影響不大。焊縫邊緣貼近母材區域溫度在四組參數下均高于鋅鍍層沸點，從而導致焊接試件表面產生氣孔。

（4）后續研究將致力于建立焊縫區域釬料熔化過程的熱-流耦合數值模型，并通過仿真和實驗對釬料濕潤、鋪展的全過程進行研究，以幫助闡述焊接工藝參數對釬縫深寬比的影響機理。