在降低排放量、提高駕駛安全性的同時，還要保持成本低廉，汽車工業當前正面臨著向環保汽車轉型的挑戰。安賽樂米塔爾（Arcelor Mittal）公司的工程師們正著手優化汽車設計中對材料的使用，確保最終設計出的汽車既能符合安全標準，又能減輕對環境的影響。

在顧及產品的安全性及對環境影響的同時，還要控制設計的成本，汽車制造商在產品開發過程中需要考慮的因素之多，令人震驚。對于不斷提升的駕駛安全標準以及越來越受關注的減排和成本控制，車輛的設計和車身重量是能夠對上述關注點產生重要影響的兩大因素。

圖1. 上圖：可能用到 LWB 的 區域示例。橙色部分表示通過 合理的 LWB 設計，能幫助減輕 重量的組件，例如中立柱、縱梁、 通道和門環。下圖：激光拼焊板， 右側是對接焊縫的放大圖。

汽車制造商依靠激光拼焊板（laser welded blank，簡稱LWB）來控制或減少車輛各部件（如車架和車身）的材料用量。LWB是由厚度和等級不同的鈑金組成，參見圖1中的LWB應用示例。在滿足其他相關規定的同時，這些焊板還必須符合車輛碰撞安全性的要求。

安賽樂米塔爾是一家生產高強度優質鋼的公司。這家公司利用數值仿真不斷優化LWB焊接工藝，通過尋找焊接鋼板的等級和厚度這兩項參數的最優組合，使他們制造出的焊板既能保證優良的性能，又能將零件的重量減至最輕。

符合碰撞和排放要求

“通過采用先進的高強度壓力硬化鋼，我們對鋼板的安裝進行了優化，從而使汽車的特定區域在保持強度性能的同時更加輕薄。最終，我們期望獲得卓越的焊接質量，以確保焊接符合碰撞測試的安全要求”，安賽樂米塔爾公司焊接過程建模及仿真研究團隊的負責人Sadok Gaied博士如是說。一個安全的焊接不能在測試過程中發生破裂或折斷，否則焊接件將無法通過安全性測試。

圖2. 激光焊接過程中的匙孔和鋼水池。當激光沿兩塊鋼板之間的焊 縫移動時，匙孔也會隨之移動，在此過程中，鋼水會不斷注入匙孔 周圍和后部的空間。

安賽樂米塔爾公司利用激光焊接的集中熱源將固態鋼轉變成熔融金屬，用來形成窄而深的焊縫，激光焊接過程見圖2。“大功率激光器可以產生大量的能量，致使部分金屬蒸發。鋼在熔化過程中，密度會迅速減小，體積會相應增加，并且物質運動也會增強，從而產生高壓蒸氣。這時會生成一個‘匙孔’，它是激光沖擊點上的一個窄孔。”Gaied解釋道，“這個孔周圍的鋼會熔化，形成一個熔池。液態鋼冷卻后，就會將兩塊鈑金連接起來。”

“多數機械故障發生的根本原因在于焊縫中存在缺陷，這是因為焊接點連接著不同的材料。如果連接的處理不當，最終會導致其中的應力過大。”焊接參數不當還可能造成焊接點不穩定，導致焊縫中出現氣孔、部分熔透或咬邊，最終造成連接不牢固。圖3顯示了不同焊接缺陷的示例。

Gaied補充道：“為了預測各種焊接情況中可能存在的缺陷，我們用仿真來研究諸如激光功率等參數對焊接結果的影響。通過這種方式，我們可以虛擬測試加工條件對缺陷發生概率的影響，并且還能預測焊接過程中的流體動力學、熱力學行為以及焊接點的最終形態。”

了解工作條件如何影響焊接質量

在影響焊接質量的諸多因素中，激光功率、材料對激光束的反射、焊接速度及波長等細節都會對匙孔周圍的傳熱、相變和流體流動產生影響。特別是由于存在相變和熱載荷，匙孔角度和熔池形狀會對流體流動特性產生較大的影響。

圖3. 上圖：熔融金屬未正確下陷形成的孔（左圖）；復雜的流體力 學特性在焊接點中造成的氣泡（右圖）。下圖：鋼水噴濺導致在焊 接點頂部和底部形成了坡口型咬邊的幾何結構，進而在兩塊鋼板之 間留下的間隙（左圖）；仿真結果顯示了匙孔附近的流體分布情況 以及預測的焊接點中咬邊的幾何結構（右圖）。

“流體、熱力學和電學行為在這里交織在一起。”Gaied說，“只有清楚地了解焊接中發生的具體情況，才能防止這些缺陷的產生。我們需要將所有的物理現象放在一起研究，才能跟蹤匙孔內部及周圍的流體流動，并明確地知道其對焊接穩定性產生的影響。”

圖4. COMSOL 軟件運行的激光反射仿真結果顯示了不同反射角下 的電場模，這些不同的反射角導致吸收的能量大小也各不相同。