英國沃里克大學(xué)、印度理工學(xué)院一組研究團(tuán)隊(duì)采用可調(diào)環(huán)模式光束對AA6005鋁合金遠(yuǎn)程激光焊接中焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，防止凝固開裂。相關(guān)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”為題發(fā)表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

凝固裂紋是鋁合金焊接中普遍存在的缺陷，采用晶粒細(xì)化策略可以有效地減輕凝固裂紋。本文研究了利用可調(diào)環(huán)模式(ARM)激光束調(diào)整6xxx系列鋁合金焊縫區(qū)晶粒結(jié)構(gòu)以降低中線開裂敏感性的可行性。采用一種由高速攝像機(jī)和自適應(yīng)數(shù)字圖像相關(guān)組成的過程監(jiān)控方法，對自約束試驗(yàn)臺激光焊接過程中的應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，焊縫中心的橫向應(yīng)變與核心/環(huán)功率比呈拋物線狀關(guān)系，在功率比為~ 1.5時(shí)，無論所使用的總功率如何，均可確定最小應(yīng)變。顯微組織分析表明，增大核心/環(huán)功率比可使柱狀和等軸晶細(xì)化。此外，功率比的增大促進(jìn)了二次等軸晶粒的形成，這與ARM激光器的特性有關(guān)?？傮w而言，在研究的材料和焊接配置中確定了1.5的微調(diào)功率比，受益于改善的微觀結(jié)構(gòu)和降低的熱應(yīng)變，以實(shí)現(xiàn)中心線無裂紋焊接。

關(guān)鍵字：凝固微觀結(jié)構(gòu);可調(diào)環(huán)模式(ARM)激光焊接;光束整形;晶粒細(xì)化;數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)

本研究采用尺寸為100mm(長)× 50mm(寬)× 3mm(厚)的AA6005-T6板材。焊接前用丙酮清洗樣品，去除污垢和污漬。如圖1所示，利用自加載熱裂試驗(yàn)裝置在重疊節(jié)點(diǎn)配置中研究開裂行為。采用10kW相干高光FL10000-ARM光纖激光器，波長1080nm，瑞利長度5.3mm。激光系統(tǒng)與Precitec YW52 (GmbH) WeldMaster Scan & Track焊接頭相結(jié)合，其準(zhǔn)直長度為150mm，焦距為300mm。在聚焦平面上得到的核心束直徑為200μm，環(huán)束直徑為590μm。

圖1所示。(a)使用原位高速相機(jī)成像的自約束試驗(yàn)臺設(shè)置示意圖；(b) DIC隨機(jī)散斑樣本，顯示相機(jī)視覺的詳細(xì)視場位置。

圖2所示。恒總功率為6000W時(shí)，不同功率比下可調(diào)環(huán)模式(ARM)激光器的穩(wěn)態(tài)光束強(qiáng)度分布。

采用基于有限元的數(shù)字圖像相關(guān)(FE-DIC)技術(shù)對激光焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變進(jìn)行了研究，方法是將焊接區(qū)附近的連續(xù)二維圖像進(jìn)行相關(guān)，并計(jì)算沿X和Y方向的位移，如圖3所示。采用Photron FASTCAM NOVA S6高速相機(jī)以20000fps幀率和20μs曝光時(shí)間獲取圖像(圖1)。在焊接前，使用Kontakt石墨氣溶膠和Combat氮化硼氣溶膠在樣品表面產(chǎn)生隨機(jī)圖案，在圖案過程中用塑料膠帶覆蓋焊縫，來盡量減少噴霧的污染。此外，使用CAVILUX激光照明(808 nm波長)在焊縫上產(chǎn)生自然斑點(diǎn)。

圖3所示。FE-DIC應(yīng)變場測量示意圖和P點(diǎn)位置，用于跟蹤熱應(yīng)變的時(shí)間發(fā)展和識別中線裂縫的形成。(白色虛線表示t = 0時(shí)的初始條件，紅線表示t = 20 ms時(shí)的過程。此外，黃線表示在t = 20 ms時(shí)在P點(diǎn)觀察到的拉伸應(yīng)變)

激光束輪廓對焊縫形貌的影響

圖4為不同功率比下焊縫的二維模擬能量沉積分布圖及相應(yīng)的焊縫截面。能量沉積剖面在橫向方向上呈現(xiàn)出三個(gè)峰值(圖1 (b)中的Y軸)。在激光路徑拐點(diǎn)附近觀察到的兩個(gè)峰值是焊縫振蕩的結(jié)果，而焊縫中心線的峰值是由于斜坡序列中使用的功率增加而產(chǎn)生的?？偟膩碚f，由于峰值光束強(qiáng)度的增加，隨著功率比的增加，沉積的能量水平更高，如圖2所示。此外，如圖4所示，當(dāng)功率比超過1.5時(shí)，初級峰值強(qiáng)度從較低功率比下的焊縫中心線過渡到拐點(diǎn)。這個(gè)功率比為1.5，結(jié)果是均勻的沉積剖面，總結(jié)了在所有三個(gè)峰附近更高強(qiáng)度的好處。當(dāng)功率比接近2.5時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的能量沉積顯著增加，并增強(qiáng)了形成帶孔隙的深鎖孔的傾向。功率比大于1.5時(shí)，熔深增加，焊縫出現(xiàn)“W”形區(qū)，體現(xiàn)了能量沉積隨功率比增加的特征。此外，可以看出，在0.36 ~ 1.0的功率比范圍內(nèi)，發(fā)生中線開裂。

圖4所示。(a)截面光學(xué)顯微圖，(b)模擬能量沉積剖面，(c)不同功率比下焊接速度V = 50 mm/s，擺動幅度= 2.0 mm，頻率= 100 Hz，總功率= 6000W的焊縫幾何形狀。

激光束輪廓對熱應(yīng)變的影響

圖6所示。等高線圖顯示(a)峰值橫向峰值應(yīng)變的演變(b)在不同功率比和總激光功率下，通過染料滲透試驗(yàn)確定的中心線裂紋行為。注意，確定了三個(gè)處理窗口，包括中線無裂紋區(qū)、過渡區(qū)和中線裂紋區(qū)。(在過渡區(qū)，觀察到小而離散的中線裂縫)

圖5所示。(a) r = 0.36時(shí)P點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化的等高線圖;(b) P = 6000W時(shí)不同功率比下焊縫應(yīng)變峰值位置的橫向應(yīng)變場;(c) P點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化的等高線圖。

圖6 (a)繪制了從圖5 (c)的時(shí)間應(yīng)變曲線中提取的功率比函數(shù)的峰值應(yīng)變演變圖。通過對三次相同焊接試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算，確定了每種焊接條件下的結(jié)果。

激光束輪廓對焊縫晶粒組織的影響

利用電子背散射衍射（EBSD）對不同功率比下的焊縫晶粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并繪制了整個(gè)焊縫區(qū)域橫向的逆極圖(IPF)圖，如圖7所示。在每個(gè)焊縫中，根據(jù)其晶粒形態(tài)劃分了三個(gè)區(qū)域。

圖7所示。EBSD IPF圖顯示了不同功率比和恒定總功率P = 6000W下焊縫的晶粒結(jié)構(gòu)。請注意，在r=0.36和r=0.67時(shí)，由于非局部分布特征，C區(qū)沒有在圖中突出顯示。

圖8為A區(qū)晶粒尺寸和等軸晶粒面積分?jǐn)?shù)隨功率比變化的變化規(guī)律。當(dāng)功率比從0.36增加到1.5時(shí)，A區(qū)的平均晶粒尺寸從93.33μm增加到107.9μm，當(dāng)功率比增加到2.5時(shí)，A區(qū)的平均晶粒尺寸減小到95.6μm。

圖8所示。當(dāng)總功率為6000 W時(shí)，不同功率比下A區(qū)等軸晶的平均晶粒尺寸和面積分?jǐn)?shù)分布。

圖9所示。(a)平均晶粒尺寸和面積分?jǐn)?shù)分布，(b) LAGB和HAGB頻率分布，(c)總功率恒定為6000 W時(shí)，不同功率比下B區(qū)柱狀晶粒織構(gòu)的(100) 逆極圖。

C區(qū)表現(xiàn)為在熔合區(qū)底部形成二次等軸晶粒，觀察到其取向是隨機(jī)的。圖10 (a)示出了在平均晶粒尺寸為30 μm到最大平均晶粒尺寸為50 μm的晶粒上用濾光片配制的結(jié)晶圖。另一方面，圖10 （b)總結(jié)了不同功率比下C區(qū)平均晶粒尺寸和二次等軸晶粒面積分?jǐn)?shù)的發(fā)展情況。這表明功率比的增加導(dǎo)致晶粒尺寸的輕微增大，但值得注意的是，在C區(qū)觀察到的晶粒比在A區(qū)觀察到的晶粒更細(xì)。

圖10所示。(a)在總功率為6000W時(shí)，不同功率比下C區(qū)二次等軸晶粒的平均晶粒尺寸和面積分?jǐn)?shù)分布。

功率比對二次等軸晶形成的影響

圖11為功率比為0.36和1.5但總功率不同時(shí)焊縫縱向截面晶粒結(jié)構(gòu)的相似對比，可保證焊縫熔深相似，熔深為4.8 mm。當(dāng)功率比為0.36時(shí)，晶粒粗大，柱狀晶粒拉長，二次等軸晶粒的面積分?jǐn)?shù)減少。此外，當(dāng)功率比為0.36時(shí)，二次等軸晶粒(由箭頭表示)的遷移路徑更加垂直。這證實(shí)了在功率比為0.36時(shí)，分離顆粒的遷移得到了極大的促進(jìn)，二次等軸顆粒的不同分布的來源與激光源的特性密切相關(guān)。由于激光與材料的相互作用面積較大，光束強(qiáng)度較低，環(huán)形光束在厚度方向上的能量分配效率較低，因此在功率比為0.36時(shí)，由于兩種情況的焊縫熔深幾乎相同，預(yù)計(jì)熔池上部區(qū)域的峰值溫度較高。這導(dǎo)致在垂直方向上的熱梯度升高，驅(qū)使更多的分離顆粒向熔池上部區(qū)域移動，這些顆粒隨后將被熔化。

圖11所示。(a)功率比為0.36、總功率為6500W和(b)功率比為1.5、總功率為6000W時(shí)焊縫的縱向截面EBSD IPF圖和晶粒尺寸沿厚度方向分布。

功率比對裂紋萌生部位的影響

裂紋沿著應(yīng)力集中區(qū)(SCZ)附近的粗柱狀晶粒邊界擴(kuò)展，如圖12 (a)所示。圖12 (b)- (d)顯示了在三種情況下(即中心線裂紋區(qū)、過渡范圍和中心線無裂紋區(qū))產(chǎn)生的焊縫的SCZ中，采用線截法計(jì)算的局部晶粒結(jié)構(gòu)和晶界數(shù)(NGB)。由于沿晶界分布的應(yīng)變在很大程度上取決于晶界總數(shù)(NGB)，因此討論了SCZ附近局部晶粒結(jié)構(gòu)的演變以及由此導(dǎo)致的中線裂紋的發(fā)生與不同的功率比有關(guān)。

圖12所示。(a)不同功率比作用在焊縫上的應(yīng)變示意圖及裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)(SCZ);功率比分別為(b) r = 0.36， (c) r = 1.5， (d) r = 2.5。需要注意的是，NGB(晶界數(shù))是使用線截法計(jì)算的，在應(yīng)力集中區(qū)以45度角相交。

上述結(jié)果清楚地表明，ARM激光功率比的變化直接影響焊接過程中產(chǎn)生的晶粒結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)變，從而導(dǎo)致不同程度的裂紋敏感性。圖13總結(jié)了與裂紋敏感性相關(guān)的三種機(jī)制。首先，對比圖13中P2、P3和P4處的功率比可以發(fā)現(xiàn)，峰值能量沉積的增加導(dǎo)致熔深的增加，同時(shí)由于凝固前沿?zé)崽荻鹊臏p小，熔合區(qū)產(chǎn)生的熱應(yīng)變減小。其次，SCZ (B區(qū))柱狀晶粒的細(xì)化。隨著功率比的增加，柱狀晶粒的晶粒尺寸和織體水平減小，例如從P2 (r=0.36)到P3 (r=1.5)，總功率降低，例如從P6 (6500 W)到P2 (6000 W)，導(dǎo)致開裂的可能性有限。最后，由于晶粒脫離而形成的二次等軸晶增加了晶界的數(shù)量，釋放了累積的熱應(yīng)力。從圖13可以看出，較高的功率比(P1、P3、P4和P5)導(dǎo)致二次等軸晶粒比例增大，這是由于離體晶粒向熔合區(qū)頂部遷移的程度降低。利用上述機(jī)制，ARM的復(fù)雜光束輪廓可以用來控制熱應(yīng)變和定制凝固條件，特別是在SCZ附近。

圖13所示。在激光總功率與功率比等高線圖上用臨界應(yīng)變映射晶狀體內(nèi)的晶粒結(jié)構(gòu)。

總結(jié)：

研究了可調(diào)環(huán)模(ARM)對6005鋁合金遠(yuǎn)程激光焊接中焊縫晶粒組織裁剪和熱應(yīng)變控制的影響，探討了光束整形對降低中心裂紋敏感性的作用。通過調(diào)整ARM激光器的核心/環(huán)功率比產(chǎn)生不同的光束輪廓，并結(jié)合自約束測試裝置，采用進(jìn)程內(nèi)數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)評估其開裂敏感性。主要研究結(jié)果總結(jié)如下：

?ARM激光對熔合區(qū)的晶粒細(xì)化有明顯的影響，特別是在重疊焊縫的應(yīng)力集中區(qū)，在那里通常會產(chǎn)生中線裂紋。較高的功率比(r≥1)會導(dǎo)致柱狀晶粒細(xì)化。它還促進(jìn)了二次等軸晶的形成，導(dǎo)致SCZ的晶界變大，有利于減緩裂紋敏感性。然而，過大的功率比(r≥2)會增加裂紋的敏感性，由于能量沉積增加而導(dǎo)致孔隙的頻繁形成，從而導(dǎo)致鎖孔失穩(wěn)。

?在低功率比(r≈0.36)條件下，二次等軸晶粒的受限形成與ARM激光器的特性有關(guān)。較大的激光-材料相互作用面積，從而降低了能量穿透厚度方向的能力，導(dǎo)致鎖眼底部附近的熱梯度較大，有利于分離晶粒向熔合區(qū)頂部遷移，隨后由于高溫而溶解。

?焊接中心的橫向應(yīng)變與ARM激光的功率比呈拋物線狀關(guān)系，在功率比為~ 1.5時(shí)，無論使用的總功率如何，最小應(yīng)變都是確定的。此外，總功率的增加導(dǎo)致峰值橫向應(yīng)變的增長。熱應(yīng)變的減小與熱梯度的減小有關(guān)，表現(xiàn)為柱狀晶粒的細(xì)化和織構(gòu)的減小以及二次等軸晶粒的形成導(dǎo)致的應(yīng)變松弛。

?建議采用優(yōu)化的功率比為1.5來實(shí)現(xiàn)中線無裂紋焊接，從而充分利用所研究材料和焊接結(jié)構(gòu)的精細(xì)組織和減輕熱應(yīng)變。

這項(xiàng)研究為 ARM 光束焊接選擇性晶粒結(jié)構(gòu)開辟了道路，從而強(qiáng)化了應(yīng)力集中特征，降低了材料的裂紋敏感性。鑒于這些研究結(jié)果，未來的研究可側(cè)重于調(diào)查過程中動態(tài)光束整形對控制晶粒結(jié)構(gòu)和裂紋敏感性的影響。

相關(guān)論文鏈接：

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