摘要：卢森堡大学的科研人员综述报道了通过控制晶粒组织和化学成分抑制激光焊接过程中的凝固裂纹研究进展。相关论文以“A review: Suppression of the solidification cracks in the laser welding proce

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卢森堡大学的科研人员综述报道了通过控制晶粒组织和化学成分抑制激光焊接过程中的凝固裂纹研究进展。相关论文以“A review: Suppression of the solidification cracks in the laser welding process by controlling the grain structure and chemical compositions”为题发表在《Journal of Advanced Joining Processes》上。

异种材料组合的激光束焊接是一种有效的连接技术，因其能够实现高速、灵活且精确的焊接，在多种工业应用中颇具价值。然而，像凝固裂纹这样的焊接缺陷是焊接过程中面临的一些挑战。在过去的十年里，许多研究都在为解决这一问题付出大量努力。不过，关于通过改变晶粒组织来预防凝固裂纹的措施，仍有待开展更全面的研究。在深入理解凝固裂纹机理理论之后，科研人员综述了有关冶金因素在激光焊接凝固裂纹中关键作用的研究。该研究考虑了晶粒组织、金属间化合物以及激光焊接参数的影响，从而提出抑制凝固裂纹的预防措施。研究成果表明，晶粒细化剂、激光束摆动、超声振动以及采用双激光源是抑制或尽量减少凝固裂纹的主要策略。此外，在钢-硬质合金以及铜-铝等异种材料的激光束焊接中，脆性金属间化合物被认为是导致凝固裂纹敏感性增加的主要原因之一。本文讨论了近期通过各种激光参数和设置来避免金属间化合物形成或减少其数量的方法。

图1.工件上的激光束焊接（左），凝固区、糊状区和熔化区（右）

图2.临界应变的测量方法

图3.激光焊接中熔池的示意图

图4.无摆动（左）和有摆动（右）的熔池

图5.a)泪滴状熔池形状，b)椭圆形熔池形状

图6.熔池示意图，a、b)无摆动，c、d)横向摆动，e、f)纵向摆动，g、h)圆形摆动

图7.超声振动辅助激光焊接 a)焊接模式 b)超声振动示意图 c)熔池中的振动机理

图8.熔合区附近的微观组织，a、b) 无超声辅助振动（激光焊接） c、d)后置超声辅助激光焊接（T-ULW）

图9.a)未预热时的胞状组织，b)在300℃预热时的等轴晶粒

图10.a)速度为2mm/s时的弯曲柱状晶粒，b)速度为8mm/s时的弯曲柱状晶粒和等轴晶粒，c)速度为11.5mm/s时等轴晶粒比例较高的弯曲柱状晶粒

图11.a)二氧化碳激光焊接，b)沿柱状晶粒的凝固裂纹，c)双激光源焊接，d)由于等轴晶粒中更高的渗透性而无裂纹的焊缝

图12.a)硬质碳化钨-钢接头中的凝固裂纹 b)硬质合金界面中的碳化钨和碳化物

图13.铝-铜激光焊接中的不同区域

图14.沿富铜金属间化合物的裂纹

凝固裂纹是激光束焊接过程中的一个关键问题。它对激光焊接部件的工业应用有着显著影响。本文综述了凝固裂纹的机理理论，讨论了同种材料激光焊接中晶粒组织的影响，以及异种材料焊接中金属间化合物（IMC）对凝固裂纹敏感性（SCS）的关键作用。然后提出了一些抑制或尽量减少凝固裂纹的策略。基于上述综述，本文总结出以下结论：

1.基于机理理论，凝固裂纹通常在凝固过程中由于残余液膜的出现而沿晶界产生。在连贯区和凝固过程中，当晶界之间存在一层薄的残余液膜时，晶粒会根据吸引力和排斥力发生聚结流动。当枝晶达到特定的相互作用距离时，如果晶界处的能量小于固液接触处能量的两倍，液膜就会变得不稳定，晶粒便会合并。如果不是这样，液膜则是稳定的，并使枝晶保持分离状态。由于凝固过程中晶界处存在残余液膜且达到了临界温度，熔合区就会出现凝固裂纹。

2.焊缝的微观组织对凝固裂纹的产生有着显著影响。晶粒尺寸和形状直接影响糊状区晶界上的应变分布。柱状晶焊缝中心线处的应变集中程度高于等轴晶，这可能会导致凝固裂纹。残余液膜的薄弱路径会导致应变在柱状晶中完全集中，而这些柱状晶的边界在中心线处排列整齐。然而，细小的等轴晶或球状晶会显著降低凝固裂纹敏感性。等轴晶的形成增加了晶界数量，并在凝固过程中降低了应变集中程度。实际上，等轴晶中液体通过更多晶界的高渗透性有助于承受更大的变形。

3.振动辅助激光焊接的晶粒细化具有多种优势，比如更显著的材料混合、增强的湍流、更高的热量产生、更大的工艺窗口、一致的晶粒生长以及较低的凝固裂纹敏感性。由于超声衰减引起的强烈强制对流和无序流动，会使焊接熔池具有更均匀的温度分布。在凝固阶段，超声振动会使形核颗粒数量增加并细化晶粒。例如，后置超声辅助激光焊接（T-ULW）中，由于超声空化作用，枝晶和晶界会被破坏。等轴晶数量会增加，并且会产生没有凝固裂纹的额外晶界。

4.摆动激光焊接可以扩大辐射区域并形成熔融湍流熔池。摆动激光的驱动力可以破坏枝晶，使溶质更易移动。圆形摆动比无摆动的激光焊接以及纵向和横向摆动能形成更宽的熔池。由于持续的圆形熔体流穿过糊状区，枝晶之间会产生强烈的湍流。圆形熔体流通过将破碎的枝晶推向熔体区并形成晶核，从而促进等轴晶的形成。光束摆动通过控制胞状晶的生长并将其转变为等轴晶，实现了低凝固裂纹敏感性的焊接。

5.除了采用双激光源之外，其他方法，如添加细化材料、脉冲激光焊接、预热处理以及优化激光参数等，也能将柱状晶转变为等轴晶，从而降低各种合金焊接中的凝固裂纹敏感性。

6.异种材料的激光焊接可能会导致金属间化合物的形成，这会影响接头的机械强度，并且被认为是凝固裂纹的主要原因之一。金属间化合物形成的主要原因包括不同材料之间原子尺寸、电负性、晶体结构和化合价的差异。金属间化合物的延展性较差，对焊缝有不利影响，因为它们可能是凝固过程中产生热裂纹的主要原因。摆动激光焊接、添加填充材料以及调整激光束光斑等是预防凝固裂纹的措施。然而，更多的研究可能会有所帮助，比如热处理和超声辅助激光焊接在抑制或尽量减少异种材料焊接中脆性化合物方面的作用。

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来源：江苏激光联盟