研究团队采用可调环模式光束对铝合金远程激光焊接中焊缝微观结构进行调整，防止凝固开裂真相究竟是什么？

　　英国沃里克大学、印度理工学院一组研究团队采用可调环模式光束对AA6005铝合金远程激光焊接中焊缝微观结构进行调整，防止凝固开裂。相关研究成果以“Tailoring the weld microstructure to prevent solidification cracking in remote laser welding of AA6005 aluminium alloys using adjustable ring mode beam”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

　　凝固裂纹是铝合金焊接中普遍存在的缺陷，采用晶粒细化策略可以有效地减轻凝固裂纹。本文研究了利用可调环模式(ARM)激光束调整6xxx系列铝合金焊缝区晶粒结构以降低中线开裂敏感性的可行性。采用一种由高速摄像机和自适应数字图像相关组成的过程监控方法，对自约束试验台激光焊接过程中的应变发展进行了研究。结果表明，焊缝中心的横向应变与核心/环功率比呈抛物线状关系，在功率比为~ 1.5时，无论所使用的总功率如何，均可确定最小应变。显微组织分析表明，增大核心/环功率比可使柱状和等轴晶细化。此外，功率比的增大促进了二次等轴晶粒的形成，这与ARM激光器的特性有关。总体而言，在研究的材料和焊接配置中确定了1.5的微调功率比，受益于改善的微观结构和降低的热应变，以实现中心线无裂纹焊接。

　　关键字：凝固微观结构;可调环模式(ARM)激光焊接;光束整形;晶粒细化;数字图像相关技术(DIC)

　　本研究采用尺寸为100mm(长)× 50mm(宽)× 3mm(厚)的AA6005-T6板材。焊接前用丙酮清洗样品，去除污垢和污渍。如图1所示，利用自加载热裂试验装置在重叠节点配置中研究开裂行为。采用10kW相干高光FL10000-ARM光纤激光器，波长1080nm，瑞利长度5.3mm。激光系统与Precitec YW52 (GmbH) WeldMaster Scan & Track焊接头相结合，其准直长度为150mm，焦距为300mm。在聚焦平面上得到的核心束直径为200μm，环束直径为590μm。

　　图1所示。(a)使用原位高速相机成像的自约束试验台设置示意图;(b) DIC随机散斑样本，显示相机视觉的详细视场位置。

　　图2所示。恒总功率为6000W时，不同功率比下可调环模式(ARM)激光器的稳态光束强度分布。

　　采用基于有限元的数字图像相关(FE-DIC)技术对激光焊接过程中产生的热应变进行了研究，方法是将焊接区附近的连续二维图像进行相关，并计算沿X和Y方向的位移，如图3所示。采用Photron FASTCAM NOVA S6高速相机以20000fps帧率和20μs曝光时间获取图像(图1)。在焊接前，使用Kontakt石墨气溶胶和Combat氮化硼气溶胶在样品表面产生随机图案，在图案过程中用塑料胶带覆盖焊缝，来尽量减少喷雾的污染。此外，使用CAVILUX激光照明(808 nm波长)在焊缝上产生自然斑点。

　　图3所示。FE-DIC应变场测量示意图和P点位置，用于跟踪热应变的时间发展和识别中线裂缝的形成。(白色虚线表示t = 0时的初始条件，红线表示t = 20 ms时的过程。此外，黄线表示在t = 20 ms时在P点观察到的拉伸应变)

　　激光束轮廓对焊缝形貌的影响

　　图4为不同功率比下焊缝的二维模拟能量沉积分布图及相应的焊缝截面。能量沉积剖面在横向方向上呈现出三个峰值(图1 (b)中的Y轴)。在激光路径拐点附近观察到的两个峰值是焊缝振荡的结果，而焊缝中心线的峰值是由于斜坡序列中使用的功率增加而产生的。总的来说，由于峰值光束强度的增加，随着功率比的增加，沉积的能量水平更高，如图2所示。此外，如图4所示，当功率比超过1.5时，初级峰值强度从较低功率比下的焊缝中心线过渡到拐点。这个功率比为1.5，结果是均匀的沉积剖面，总结了在所有三个峰附近更高强度的好处。当功率比接近2.5时，转折点附近的能量沉积显著增加，并增强了形成带孔隙的深锁孔的倾向。功率比大于1.5时，熔深增加，焊缝出现“W”形区，体现了能量沉积随功率比增加的特征。此外，可以看出，在0.36 ~ 1.0的功率比范围内，发生中线开裂。

　　图4所示。(a)截面光学显微图，(b)模拟能量沉积剖面，(c)不同功率比下焊接速度V = 50 mm/s，摆动幅度= 2.0 mm，频率= 100 Hz，总功率= 6000W的焊缝几何形状。

　　激光束轮廓对热应变的影响

　　图6所示。等高线图显示(a)峰值横向峰值应变的演变(b)在不同功率比和总激光功率下，通过染料渗透试验确定的中心线裂纹行为。注意，确定了三个处理窗口，包括中线无裂纹区、过渡区和中线裂纹区。(在过渡区，观察到小而离散的中线裂缝)

　　图5所示。(a) r = 0.36时P点应变随时间变化的等高线图;(b) P = 6000W时不同功率比下焊缝应变峰值位置的横向应变场;(c) P点应变随时间变化的等高线图。

　　图6 (a)绘制了从图5 (c)的时间应变曲线中提取的功率比函数的峰值应变演变图。通过对三次相同焊接试验的结果进行平均计算，确定了每种焊接条件下的结果。

　　激光束轮廓对焊缝晶粒组织的影响

　　利用电子背散射衍射(EBSD)对不同功率比下的焊缝晶粒结构进行了表征，并绘制了整个焊缝区域横向的逆极图(IPF)图，如图7所示。在每个焊缝中，根据其晶粒形态划分了三个区域。

　　图7所示。EBSD IPF图显示了不同功率比和恒定总功率P = 6000W下焊缝的晶粒结构。请注意，在r=0.36和r=0.67时，由于非局部分布特征，C区没有在图中突出显示。

　　图8为A区晶粒尺寸和等轴晶粒面积分数随功率比变化的变化规律。当功率比从0.36增加到1.5时，A区的平均晶粒尺寸从93.33μm增加到107.9μm，当功率比增加到2.5时，A区的平均晶粒尺寸减小到95.6μm。

　　图8所示。当总功率为6000 W时，不同功率比下A区等轴晶的平均晶粒尺寸和面积分数分布。

　　图9所示。(a)平均晶粒尺寸和面积分数分布，(b) LAGB和HAGB频率分布，(c)总功率恒定为6000 W时，不同功率比下B区柱状晶粒织构的(100) 逆极图。

　　C区表现为在熔合区底部形成二次等轴晶粒，观察到其取向是随机的。图10 (a)示出了在平均晶粒尺寸为30 μm到最大平均晶粒尺寸为50 μm的晶粒上用滤光片配制的结晶图。另一方面，图10 (b)总结了不同功率比下C区平均晶粒尺寸和二次等轴晶粒面积分数的发展情况。这表明功率比的增加导致晶粒尺寸的轻微增大，但值得注意的是，在C区观察到的晶粒比在A区观察到的晶粒更细。

　　图10所示。(a)在总功率为6000W时，不同功率比下C区二次等轴晶粒的平均晶粒尺寸和面积分数分布。

　　功率比对二次等轴晶形成的影响

　　图11为功率比为0.36和1.5但总功率不同时焊缝纵向截面晶粒结构的相似对比，可保证焊缝熔深相似，熔深为4.8 mm。当功率比为0.36时，晶粒粗大，柱状晶粒拉长，二次等轴晶粒的面积分数减少。此外，当功率比为0.36时，二次等轴晶粒(由箭头表示)的迁移路径更加垂直。这证实了在功率比为0.36时，分离颗粒的迁移得到了极大的促进，二次等轴颗粒的不同分布的来源与激光源的特性密切相关。由于激光与材料的相互作用面积较大，光束强度较低，环形光束在厚度方向上的能量分配效率较低，因此在功率比为0.36时，由于两种情况的焊缝熔深几乎相同，预计熔池上部区域的峰值温度较高。这导致在垂直方向上的热梯度升高，驱使更多的分离颗粒向熔池上部区域移动，这些颗粒随后将被熔化。

　　图11所示。(a)功率比为0.36、总功率为6500W和(b)功率比为1.5、总功率为6000W时焊缝的纵向截面EBSD IPF图和晶粒尺寸沿厚度方向分布。

　　功率比对裂纹萌生部位的影响

　　裂纹沿着应力集中区(SCZ)附近的粗柱状晶粒边界扩展，如图12 (a)所示。图12 (b)- (d)显示了在三种情况下(即中心线裂纹区、过渡范围和中心线无裂纹区)产生的焊缝的SCZ中，采用线截法计算的局部晶粒结构和晶界数(NGB)。由于沿晶界分布的应变在很大程度上取决于晶界总数(NGB)，因此讨论了SCZ附近局部晶粒结构的演变以及由此导致的中线裂纹的发生与不同的功率比有关。

　　图12所示。(a)不同功率比作用在焊缝上的应变示意图及裂纹产生的应力集中区(SCZ);功率比分别为(b) r = 0.36， (c) r = 1.5， (d) r = 2.5。需要注意的是，NGB(晶界数)是使用线截法计算的，在应力集中区以45度角相交。

　　上述结果清楚地表明，ARM激光功率比的变化直接影响焊接过程中产生的晶粒结构和热应变，从而导致不同程度的裂纹敏感性。图13总结了与裂纹敏感性相关的三种机制。首先，对比图13中P2、P3和P4处的功率比可以发现，峰值能量沉积的增加导致熔深的增加，同时由于凝固前沿热梯度的减小，熔合区产生的热应变减小。其次，SCZ (B区)柱状晶粒的细化。随着功率比的增加，柱状晶粒的晶粒尺寸和织体水平减小，例如从P2 (r=0.36)到P3 (r=1.5)，总功率降低，例如从P6 (6500 W)到P2 (6000 W)，导致开裂的可能性有限。最后，由于晶粒脱离而形成的二次等轴晶增加了晶界的数量，释放了累积的热应力。从图13可以看出，较高的功率比(P1、P3、P4和P5)导致二次等轴晶粒比例增大，这是由于离体晶粒向熔合区顶部迁移的程度降低。利用上述机制，ARM的复杂光束轮廓可以用来控制热应变和定制凝固条件，特别是在SCZ附近。

　　图13所示。在激光总功率与功率比等高线图上用临界应变映射晶状体内的晶粒结构。

　　总结：

　　研究了可调环模(ARM)对6005铝合金远程激光焊接中焊缝晶粒组织裁剪和热应变控制的影响，探讨了光束整形对降低中心裂纹敏感性的作用。通过调整ARM激光器的核心/环功率比产生不同的光束轮廓，并结合自约束测试装置，采用进程内数字图像相关(DIC)技术评估其开裂敏感性。主要研究结果总结如下：

　　•ARM激光对熔合区的晶粒细化有明显的影响，特别是在重叠焊缝的应力集中区，在那里通常会产生中线裂纹。较高的功率比(r≥1)会导致柱状晶粒细化。它还促进了二次等轴晶的形成，导致SCZ的晶界变大，有利于减缓裂纹敏感性。然而，过大的功率比(r≥2)会增加裂纹的敏感性，由于能量沉积增加而导致孔隙的频繁形成，从而导致锁孔失稳。

　　•在低功率比(r≈0.36)条件下，二次等轴晶粒的受限形成与ARM激光器的特性有关。较大的激光-材料相互作用面积，从而降低了能量穿透厚度方向的能力，导致锁眼底部附近的热梯度较大，有利于分离晶粒向熔合区顶部迁移，随后由于高温而溶解。

　　•焊接中心的横向应变与ARM激光的功率比呈抛物线状关系，在功率比为~ 1.5时，无论使用的总功率如何，最小应变都是确定的。此外，总功率的增加导致峰值横向应变的增长。热应变的减小与热梯度的减小有关，表现为柱状晶粒的细化和织构的减小以及二次等轴晶粒的形成导致的应变松弛。

　　•建议采用优化的功率比为1.5来实现中线无裂纹焊接，从而充分利用所研究材料和焊接结构的精细组织和减轻热应变。

　　这项研究为 ARM 光束焊接选择性晶粒结构开辟了道路，从而强化了应力集中特征，降低了材料的裂纹敏感性。鉴于这些研究结果，未来的研究可侧重于调查过程中动态光束整形对控制晶粒结构和裂纹敏感性的影响。

　　相关论文链接：

　　Tailoring the weld microstructure to prevent solidification cracking in remote laser welding of AA6005 aluminium alloys using adjustable ring mode beam

　　Venkat Vivek Pamarthi , Tianzhu Sun , Abhishek Das , Pasquale Franciosa

　　https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.154