激光脉冲形状对合金焊接时的显微组织和热裂纹的影响（二）

江苏激光联盟导读：

本文主要综述了激光脉冲的形状特征及其激光脉冲的应用，通过讨论裂纹敏感性的标准、脉冲形状焊接时消除焊接裂纹的机理进行了分析，脉冲形状改变和裂纹标准的未来发展趋势也进行了展望。

（接上文脉冲激光特性、复合焊）

3.6. 脉冲激光器在混合焊接中的应用

对于自动化焊接技术的应用，有必要减少焊接中的缺陷，提高焊接制造速度。激光束轴与GTAW电极尖端之间的距离将严重影响焊接工艺的稳定性。在5mm厚的5083铝合金脉冲激光-MIG混合焊接中，后置MIG可以提高钥匙孔的稳定性，降低孔隙率。图19中显示了分离距离和MIG焊枪头方向的影响。

利用脉冲激光诱导TIG焊接可以减少孔隙率和焊缝元件的损失。对于同样具有脉冲特性的激光和电弧焊，当脉冲激光照射MIG焊接液滴的固液界面时，Jia等人发现，激光作为一种额外的分离力，显著提高了焊接过程的稳定性；通过改变液滴的应力状态，促进了短路转移和喷雾转移，有效地提高了传递频率。如图20所示，与内相激光MIG混合焊接相比，反激光-MIG波形复合焊接具有更大的穿透性，更少的焊接溅射，更少的孔隙率，和改进的拉伸性能。

▲图19 光纤激光-MIG复合焊焊接AA5083铝合金时，分离距离对焊缝形貌和焊接质量的影响

4. 热裂化现象的预测

固化裂纹，也称为铸件中的热裂纹，是在有限的凝固条件下发生的晶间或树突状裂纹。铸造和焊接是凝固条件有限的常见例子。溶解裂解通常涉及在熔化区晶界存在液体膜。液体膜也可能存在于热影响区或部分熔融区，并可能导致另一种形式的破裂，称为液化破裂。目前提出的裂纹灵敏度模型大多来自铸造理论，根据其机理可分为三个理论：基于机械理论、基于非机械理论、基于机械理论和非机械理论。已经有一些研究需要对其中一些焊接模型进行修改。

4.1. 基于机械理论

普罗霍罗夫模型假设，当应变积累超过临界值时，可能发生裂纹。普罗霍罗夫认为，糊状区域是一个单一的实体，并定义了凝固发生时的可塑性。在凝固过程中，糊状区域的延性降低。延性降低的温度范围称为脆性温度范围(BTR)。BTR通常在凝固温度范围内，但由于晶粒边界形成液体膜形成溶质分离和局部溶质线温度下降，BTR可以扩展到溶质线以下的温度。应变在凝固开始时就开始积累。如果发生凝固裂纹，总累积应变（A）超过延性极限（εmin），即线A比临界应变切线更陡。如果累积应变保持在εmin以下，则不会出现裂缝。这一理论的缺点是它没有考虑在液体膜上的应变定位。基于BTR的假设，Dmin和线性自由收缩Δεfree的差值，明显应变Δεapp，在这个时间间隔内，Δεres是最小值。

与普罗霍罗夫相比，诺维科夫的热裂解准则忽略了明显的应变。从力学的角度，研究了合金凝固的热裂纹敏感性。热裂纹是由浆体中相对于浆体的收缩应变决定的。诺维科夫认为，在凝固过程中，合金由于糊状区域的凝固收缩和附近的热收缩而收缩。首先，固体金属和液体金属之间的密度差会导致体积收缩。另一方面，材料的热膨胀系数会影响热收缩率。与焊接和铸件一样，工件的凝固过程也存在限制，如：金属的刚性模具会阻碍收缩；焊件的夹紧使得在固化过程中难以释放应力。他提出了凝固范围内的“塑性储备”Pr，即断裂εfr从凝固温度到固相温度的伸长率与线性收缩εsh之间的积分差，即“脆性”温度范围ΔTbr。根据在最终凝固过程中所经历的相对应变。Magnin等人认为热裂纹灵敏度(HCS)是在溶质温度下的圆周塑性应变εθ和实验测定的在溶质温度附近的断裂应变εfr的商。提出了一种可用于定性和定量预测热撕裂的标准。

当HCS大于1时，就会发生裂缝。

▲图20 上图：同步脉冲调制的时候，同相（a）和反相（b）时的激光-电弧复合焊的波形

第二组图：在不同耦合模式下激光-电弧复合焊时的横截面和焊缝形貌

第三组图：同相时激光-电弧复合焊时得到的高速摄影结果

下图：同相时激光-电弧复合焊时的液滴过渡转移的示意图

4.2. 基于非力学理论

费勒的热撕裂理论是一种非力学理论，主要集中于凝固过程中液体金属的补充和收缩，模型示意图如图21所示，热裂解是由于液体金属补充不足引起的，这与流体在与凝固收缩竞争时难以通过糊状有关。Feurer考虑了两个方面，SPV和SRG，分别代表通过树突状网络的最大体积流量（供给项）和体积凝固收缩。固相收缩率是由固相密度与液相之间的差异引起的。收缩率的计算公式如下：

其中fl为液体的体积分数；λ2为次树突臂之间的距离。Ps为有效进料压力，L为多孔网络的长度，为相干位置与溶系体温度的距离，c为树突状网络的曲率常数，单位η为液相粘度，γSL为固体液体界面能量，ρ为浆体的平均密度；g为重力常数，h为与熔体表面的距离，ρl和ρs分别为液体和固体密度，fl和fs分别为树枝状网络中的液体，固体体积分数；PO、PM和PC分别为大压、静压和毛细管压力。

▲图21 热撕裂理论的示意图

其中，V为质量不变的固化膏体的体积元素，t为时间。Clyne和Davies提出的热撕裂标准是基于Feurer的假设，即液体金属在凝固的最后阶段难以自由移动，因此该阶段产生的应变不能通过补充液体金属来改变所产生的应变。裂纹灵敏度系数由可能导致热撕裂的脆弱时间段电视与应力缓解过程的可用时间tr的比值来定义，在此期间将发生大量的液体金属补充。热裂纹灵敏度(HCS)如下：

其中t0.99为实体积分数fs为0.99的时间，t0.9为fs为0.9的时间，t0.4为fs为0.4的时间。卡德曼提出的模型考虑了铸件的速度、铸锭的直径和合金的组成。基于克莱恩、戴维斯和费勒的热开裂理论，该模型可用于预测二元合金和商业合金[110]直接冷铸造过程中热撕裂的敏感率。热撕裂指数如下：

其中t0.99为fs=0.99；t0.4为fs=0.40的时间；tcr为供给不足的时间。时间tcr是根据费勒的标准确定的。

4.3. 基于机械理论和非机械理论

拉帕兹、德雷泽特和格雷莫德提出了著名的RDG模型，它考虑了单轴拉伸变形和收缩给料。液态的供给方向与柱状晶体的生长方向相反，拉伸变形方向垂直于柱状晶体的生长方向。RDG标准建立在晚期液体的基础上，受浆液区域渗透性的限制。离糊状区域凝固的前沿越近，渗透性就越高。沿糊状区域下降是渗透性和应变率的函数。如果局部压力小于临界压力，空腔开始产生。与经验公式不同，这个模型在物理学上是合理的基础上。

布拉奇尼进一步开发了RDG标准。然后提出了固相塑性变形和空腔生长的标准。将该模型应用于柱状树突和等轴树突。临界应变速率的显式关系表明，临界应变速率随着固体分数的增加而减小。王等人同时考虑了机械因素和冶金因素，研究了焊接速度对6013铝合金纤维激光焊接凝固裂纹灵敏度的影响。建立了圆柱形粒径的有限元模型，计算了糊状区域的应变定位。周等采用临界直径法研究了在不同的情况下7075合金的半固态热裂趋势。对于半固态浆料，提高模具温度或降低铸件温度可显著降低热裂解趋势。同时，对RDG指南的应用和发展进行了研究，凝固模型如图22所示。

▲图22 在接种的铝合金中等轴枝晶生长的示意图

图24中显示了铝锡合金的薄晶界共晶体，表明非常晚期广泛的桥接加剧了裂纹的敏感性。为了解决二元铝合金在凝固过程中与裂纹敏感度有关的一些基本问题。Liu和Kou计算并验证了|dT/d(fS)1/2)|作为裂纹敏感性指标的有效性。普通铝弧焊的二次枝晶臂间距的λ2和数据λ2-tf(tf为局部凝固时间)表明，铝弧焊发生了反向扩散。在各种共晶温度TE和可变平衡分离系数k（0-0.87）的条件下，对二元铝合金体系进行了研究。结果表明，当TE极低，TE的k很高时，裂纹灵敏度仍较低，增加反向扩散对裂纹灵敏度降低的影响，这是铝镁或锌的裂纹灵敏度低于铝铜的原因。在TE和k极低的情况下，裂纹灵敏度可能非常高，这与Al-Sn严重的裂纹灵敏度相一致。仍然使用最大|dT/d(fS)1/2）|作为裂纹敏感度指数，Liu和Kou计算了三元铝合金体系的裂纹敏感度。背向扩散对裂纹敏感性的影响与以往的研究一致。Han等人采用Kou标准作为合金元素添加的函数，对铝合金合金体系的HCS进行了量化，验证了Kou标准在铝合金合金中的适用性。

▲图23 |dT/d(fS)1/2)|在近 (f S)1/2 = 1 时对液相供给的影响: (a) Al合金 A356; (b) Al 合金 A206

Soysal和Kou研究了填充金属在减少2024Al和6061Al焊缝固化裂缝中的有效性。通过横向运动焊接性(TMW)试验来评价其有效性，如图25所示。焊接结果表明，填充金属4043Al和4145Al可以有效地减少2024Al的焊接裂纹，但Al 4145的效果更好。富硅相形成后，固相分数在冷却过程中迅速增加，使富铝树突结合起来抵抗开裂。

▲图24 共晶Al-Sn合金的晶粒边界的共晶表明非常晚的大量的桥接来家中裂纹的敏感性：(a)早期的桥接的示意图； (b) 相对大的角度 θ的案例; (c) Al-5Cu ; (d) 潜在的非常晚的广泛的桥接的例子; (e) 非常小的角度θ的例子 ; (f) (g) Al-Sn合金；在（a）和（d）中，fS = 0.907 或 (fSB)1/2 = 0.95

▲图25 用来评估凝固裂纹可能性的测试示意图

5.脉冲激光焊接中热裂纹的抑制方法

焊接残余应力对5083铝合金的裂纹增长率有显著影响。在混合焊接中，裂缝可以通过一个额外的热源来消除。横断面裂纹如图26所示。是高强度铝合金的激光焊接和混合激光/弧焊/电弧焊。横向拉伸应变主要是在焊接熔变区由冷却阶段引起的。可以使用一个额外的热源来改变温度分布，从而减少了裂纹的趋势。热裂纹的作用机理仍是一个值得进一步研究的问题。结合所提出的热裂纹灵敏度标准和裂纹解决的主要研究，可以从以下三个方面考虑脉冲激光焊接中消除热裂纹的机理。

▲图26 在AA7075铝合金焊接时得到的横向裂纹

5.1. 相位组成和元素的扩散

频率增加，从而减少了Mg与其他元素的相互作用。Liu等人对AA6063-T6铝合金激光点焊工艺的仿真结果表明，当温度低于相干温度时，累积应变随浆状区域固体分数的增加而增加。如图27所示。随着凝固过程的进行，焊缝顶部和中部附近的裂纹灵敏度非常高。虽然铝镁合金的凝固间隔较宽，但在凝固过程中仍具有良好的抗裂性。刘等人发现，通过对5086铝合金电弧焊过程中糊状面积的淬火，在固化过程中发生了大量的Mg反扩散，使得树突晶粒广泛结合，可以抵抗早期的晶间裂纹。反向扩散对裂纹磁化率的影响如图28所示。

▲图27 溶质偏析对蘑菇区在r = 0.2 mm在时的机械应变的影响：（a）没有偏析时；（b）有偏析时

▲图28 上图背部扩散对裂纹敏感性的影响： (a) Al-Cu合金; (b) Al-Mg合金；

下图：在弧焊时的淬火和测量的冷却曲线： (a) 俯视图观察时在蘑菇区的和焊接熔池的结果； (b)在垂直方向插入热电偶到熔池中；（c）在插入热电偶之后，倾倒的熔融金属到淬火的蘑菇区（垂直截面）TL: 液相线温度; TE: 共晶温度。

脉冲成形的使用可以改善激光焊接接头的结构，减少熔融池中的材料混合程度，从而提高CP-Ti和不锈钢板不同焊缝的强度。方等人使用较低的脉冲激光功率形成（Cu、Nb）固体溶液，而不是（Nb、Ti）固体溶液，成功抑制了裂纹的形成。Beiranvand等人对铝镁合金的计算表明，随着激光脉冲频率的增加，凝固速率的降低而降低，因此凝固裂纹的灵敏度降低。同时，由于持续蒸发，最终焊接金属Mg的Mg浓度降低，从而增加了HCS。但降低凝固速率对HCS的影响比降低Mg含量更为明显。

▲图29 凝固图

5.2. 微结构演化

在凝固的最后阶段，Agarwal等人观察到细胞间区域的液体进食，如图29所示。平均液体流速为450-500μm/s。计算出的压差约为104Pa，以导致液体流动。结果表明，凝固收缩率和变形率均小于给液速率。

当采用熔融工艺进行激光焊接时，2024铝合金在焊接中容易发生凝固裂纹，在基础材料中容易发生液化裂纹。液化裂纹通常是凝固裂纹的起点。通过回填修复液化晶界可以抑制熔变区裂缝的产生。在低激光脉冲能量下，由于低热梯度和应力的影响，裂纹形成趋势减少。谢赫等人提出，为了抑制固化裂纹，允许的凝固速率与易损区域的长度成反比。通过适当控制降压脉冲成形，可以避免凝固裂纹。本研究提出的模型也可以通过修改Feurer准则，很好地预测基金属初始温度对裂纹灵敏度的影响，如图30所示。

▲图30 SPV液体流动和影响因素的示意图： (a) Feurer用于枝晶结构的Feurer的标准； (b) 用于胞结构的修正后的Feurer的标准

Hekmatjou和Naffakh-Mooavy发现，通过预热可以避免5456铝合金脉冲激光焊接的热开裂。单独增加平均激光功率、脉冲频率和降低脉冲持续时间也会降低热裂纹的灵敏度，如图31所示。主要是由于冷却速率的降低，导致凝固模式从柱状晶粒转变为等轴晶粒，以及液化晶界的回填。

▲图31 在脉冲激光焊接5456铝合金的时候焊接形貌的改变

如图32所示，初始裂纹形成方向与镁合金脉冲激光焊接凝固条件的变化有关。在不同的焊接条件下，糊状区域会在不同的方向上形成初始裂纹，然后使裂纹沿晶界传播。利用脉冲成形可以显著降低熔融池的凝固速率，防止在敏感方向上以纵横比小于0.8的初始裂纹形成，从而消除固化裂纹。

高温合金在焊接过程中难以避免液化裂缝是一个难题。Montazeri和Ghaini采用焊预热处理技术研究了低功率脉冲Nd：YAG激光焊接IN738LC的液化裂解行为。结果表明，合金的液化裂纹主要与γ-γ共晶、碳质物、硼化物和镍锌金属间化合物。在焊接的加热循环中，硼化物颗粒降低了热影响区非平衡晶间液化的起始温度。在脉冲激光焊接的快速凝固条件下，目前对奥氏体不锈钢微观结构和焊接凝固裂纹敏感性的预测并不准确。Lippold发现凝固裂纹与凝固行为的转变有关。当该结构主要为奥氏体时，其裂纹灵敏度较高。Ardakani 和Naffakh-Moosavy通过热输入水平低于15J/mm，消除了科瓦尔合金和AISI304l之间的不同焊接裂纹。主要是由于熔融池没有足够的时间来混合，存在细树晶结构和硬化元素。

▲图32 上图：应变速率和液体流速的示意图：（a）在出事裂纹形成之前；（b）在出事裂纹形成之后

中图：在激光点焊AZ31镁合金时得到的凝固裂纹

下图： 在矩形脉冲和步进降低时到10ms-0.3P脉冲的条件下的点焊I、II 和 III

5.3. 应力生长

焊缝附近热膨胀产生的压缩载荷可以防止热裂缝，平衡了焊缝中的凝固收缩。在AA6014铝合金的激光束焊接过程中，Hagenlocher 等人显示了与激光束焊接中线裂纹形成相关的应变时间演化特征，如图33所示。在热裂纹开始过程中，压缩应变首先减小，然后在中心裂纹传播过程中拉伸应变增大。当凝固过程中既没有拉伸应变，也没有明显的压缩应变和应变速率时，就会出现热裂纹。

▲图33 熔池的相对位置对焊接的负应变速率的影响（灰色表示负应变速率的分布）

Bergmann等人提高了铝脉冲的可焊接性由二极管激光器叠加而进行的激光焊接。由于二极管激光器的预热，增强了焊接能量的吸收，促进了良好的固化条件，有效地避免了热裂纹，如图34所示。

▲图34 叠加对长度方向界面的影响

vonWitzendorff等人发现，在考虑作为应变速率指标的界面速度条件下，应变速率相对于激光脉冲冷却时间的斜率以对数的方式增加。然后利用脉冲成形，使凝固初期发生快速凝固过程，当熔融池具有较大的液体分数时，脉冲成形如图35所示。虽然实验并没有完全消除6082铝合金的凝固裂纹，但通过减小脉冲之间的裂纹半径和适当的重叠比，后者脉冲激光完全覆盖了之前脉冲激光的裂纹区域，最终避免了裂纹的继承。

▲图35 上图：脉冲形状来控制瞬时的应变发展和凝固裂纹

中图：高速摄影观察到的可见的辐射状形态：途High-speed observation of visible radiation. Upper上部的系列：RD – 3.5 ms – 1.8 kW (a) 和等轴晶裂纹 (b) ;较低洗礼：SD – 10 ms – 1.8 kW, (c)裂纹.

下图：俯视图观察到的点焊

6.总结和展望

与电弧焊和连续激光焊接方法相比，脉冲激光焊接的应用历史相对较短。在连续焊接过程中，附加材料是避免裂纹等缺陷的常见方法。然而，对于一些涉及脉冲激光焊接的微连接技术，添加电线等方法是不可行的。一方面，通过编辑脉冲成形，可以同时实现焊接的预热和冷却速率。另一方面，添加一个额外的热源也是解决避免热开裂等问题的有效方法。在工业应用中，铝合金、镁合金等轻金属不仅能满足机械部件的强度要求，还能满足绿色开发产品的轻质要求。提出了铝合金和镁合金焊接时存在的孔隙度、热裂纹等问题。已经证明，在脉冲激光焊接中，脉冲成形可以降低焊接凝固过程中的冷却速率，消除裂缝，也可以通过池振荡或焊点重熔来消除孔隙度。镍基超合金的液化裂纹与镍基超材料的相组成密切相关，在脉冲激光器中也是不可避免的。

在脉冲激光器低热输入的条件下，可以显著改善铝合金、镍基超合金和不锈钢板的焊接变形。通过对预测合金裂纹敏感性的指标的讨论，我们可以更全面地了解合金在焊接过程中凝固裂纹的形成过程和原因。因此，根据铸件条件，这些指标不适用于脉冲激光器中快速冷却的凝固条件。有必要进一步优化已提出的裂纹灵敏度指标，以期今后能够准确预测脉冲激光焊接条件下合金的裂纹灵敏度。

全文完

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文章来源：A review on the effect of laser pulse shaping on the microstructure and hot cracking behavior in the welding of alloys,Optics & Laser Technology,Volume 140, August 2021, 107094,https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107094

参考文献：

1,Behavior and stability of droplet transfer under laser-MIG hybrid welding with synchronized pulse modulations，Journal of Manufacturing Processes，Volume 54, June 2020, Pages 70-79，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.02.017

2,Using pulse shaping to control temporal strain development and solidification cracking in pulsed laser welding of 6082 aluminum alloys，Journal of Materials Processing Technology，Volume 225, November 2015, Pages 162-169，https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.06.007