FLOW-3D 模流分析：电池组圆形光束对焊接过程中气孔形成的影响

摘要
为降低电池组重量与成本，铝部件正逐步替代铜部件。激光焊接因其热影响区窄、非接触等优势，在电池制造中备受关注。然而，铝焊接易产生气孔，影响产品可靠性。本研究通过多物理场计算流体动力学（CFD）模型，结合实验验证，探讨了圆形与拖尾激光束对焊接过程中匙孔行为及气孔形成的影响。研究发现，拖尾光束能有效减小匙孔颈缩，降低气孔形成概率。

关键词：电池组制造、铝焊接、激光束整形、多物理场计算流体动力学（CFD）模拟、焊接气孔、匙孔颈缩。

引言
铝1060合金因其轻质与良好延展性，在电池组制造中成为铜的理想替代品。激光焊接虽具优势，但气孔问题尤为突出，尤其是匙孔不稳定导致的气孔。传统方法如优化参数或光束振荡虽有效，但激光束整形通过调整能量分布，为气孔控制提供了新思路。本研究通过CFD模拟，对比圆形与拖尾光束对熔池动力学与气孔形成的影响。

方法与模型
研究采用CFD软件FLOW-3D建立模型，模拟激光焊接过程中的热-流耦合现象。模型考虑了多次反射、相变、反冲压力及匙孔追踪等关键物理过程。实验使用AA1060铝合金，在重叠配置下进行焊接，激光功率为2650 W，焊接速度为100 mm/s。对比了圆形光束与拖尾椭圆形和方形光束的效果。模型通过网格敏感性分析验证，最终采用50 µm网格以保证准确性。

所选激光束形状的强度分布图（未按比例绘制）—(a) 圆形光斑；(b) 拖尾椭圆形光斑；以及 (c) 拖尾方形光斑。

结果与讨论

1.圆形光束的气孔形成机制
圆形光束能量集中，形成深而窄的匙孔。熔池内流体因马兰戈尼效应和反冲压力形成涡流，导致匙孔颈缩。颈缩会限制蒸汽逸出，使匙孔内压力升高，最终引发坍塌，形成气孔。快速凝固进一步阻碍气泡逸出，增加气孔残留。

(a) 计算区域，(b) 边界条件的定义。

(a) 100 mm/s 速度下光束形状（1）的网格敏感性研究，以及 (b) 50 µ m 网格尺寸下光束形状（1）的焊缝轮廓和气孔验证。

2.拖尾光束的优势
拖尾光束（椭圆形与方形）在行进方向上延长了熔池，形成更宽的匙孔开口和层流流动。匙孔后壁呈弧形，促进熔融金属向后流动，减少颈缩与坍塌事件。方形光束的K值（匙孔深宽比）降至3.1，坍塌事件为零，显著降低气孔形成。此外，拖尾光束形成的焊缝界面更平滑，减少了应力集中。

使用圆形光斑的焊接参数2650 W激光功率和170 mm/s速度的模拟结果显示了焊缝中心平面的横截面。(a)-(f)显示了不同时间间隔的孔隙度演变，而(f)-(j)显示了温度分布，(k)-(o)显示了相同时间框架的压力分布。箭头表示熔池中的速度场。

3.焊接界面与能量输入
拖尾光束虽需更高能量输入，但能实现更稳定的焊接过程与更优的焊缝质量。圆形光束形成的波纹状界面易导致机械性能下降，而拖尾光束改善了界面形态，提升了焊缝可靠性。

(a) 柱状图显示了 K 比率作为匙孔稳定性的表示，并附有相应的坍塌事件次数和线性激光能量，以及 (b) 模拟光束形状的纵截面。多媒体内容可在线获取。

结论

• 圆形光束易形成深窄匙孔，加剧颈缩与气孔形成。
• 拖尾光束通过扩大熔池与降低流体速度，有效抑制匙孔坍塌，减少气孔。
• 匙孔几何形状与焊接界面平滑度对焊缝质量至关重要。
• 拖尾光束虽需更高能量，但为气孔控制与焊缝优化提供了有效途径。

未来研究将聚焦于光束能量分布的优化，以平衡能耗与焊接质量，推动激光束整形在异种材料焊接中的应用。

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