高強(qiáng)鋼激光焊接凝固裂紋研究現(xiàn)狀

韓鵬薄，黃瑞生，李小宇，楊義成，孫靜濤

摘要： 采用激光自熔焊、激光填絲焊及激光-電弧復(fù)合焊進(jìn)行高強(qiáng)鋼焊接時(shí)均會(huì)出現(xiàn)熱裂紋，且以凝固裂紋為主。針對(duì)該問題，文中綜合論述了近些年激光及其復(fù)合焊高強(qiáng)鋼凝固裂紋的研究情況，介紹了凝固裂紋的特點(diǎn)、形成機(jī)制及防止措施。從目前的研究結(jié)果來看，高強(qiáng)鋼激光焊接中凝固裂紋以焊縫縱向裂紋為主，國(guó)內(nèi)外主要從化學(xué)成分、熔池幾何形狀、焊接參數(shù)、拘束度4個(gè)影響因素研究凝固裂紋的形成，研究側(cè)重于熔池的凸起部分和深寬比對(duì)凝固裂紋形成的影響，凸起部分會(huì)造成凝固延遲、產(chǎn)生大的拉應(yīng)力、促進(jìn)S，P雜質(zhì)元素的偏析;較大的深寬比會(huì)造成局部應(yīng)力集中從而引發(fā)裂紋產(chǎn)生。采用不同工藝方法改變焊縫幾何形狀是解決激光焊接凝固裂紋的一個(gè)重要方向。

關(guān)鍵詞：? 高強(qiáng)鋼; 激光焊接; 凝固裂紋; 形成機(jī)制; 防止措施

中圖分類號(hào)： TG 456.7

Research status of solidification cracks in laser welding of high-strength steel

Han Pengbo， Huang Ruisheng， Li Xiaoyu， Yang Yicheng， Sun Jingtao

（Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， China）

Abstract： Hot cracks， mainly solidification cracks， occurred when laser welding， laser wire filling and laser-arc hybrid welding were used in high strength steel welding. For the problem in the paper， the research status of solidification crack in high-strength steel by laser welding and laser-arc hybrid welding in recent years was comprehensively discussed， characteristics， formation mechanism and preventive measures of solidification cracks were introduced. According to the current research results， the solidification cracks in laser welding of high-strength steel were mainly longitudinal cracks in the weld. The formation of solidification cracks was mainly studied at home and abroad from four influence factors of chemical composition， molten pool geometry， welding parameters， and restraint intensity. The focus was on the influence of convex part and depth-to-width ratio of the molten pool on the formation of solidification crack. The convex part would cause solidification delay， generate large tensile stress， and promote the segregation of S and P impurity elements. Larger depth-to-width ratio would cause local stress concentration and then cause cracks. Changing the weld geometry by different techniques was an important direction to solve the solidification cracks in laser welding.

Key words：? ?high-strength steel; laser welding; solidification cracks; formation mechanism; preventive measures

0前言

高強(qiáng)鋼具有減輕結(jié)構(gòu)重量、強(qiáng)度高、塑韌性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中厚板高強(qiáng)鋼在造船、建筑、機(jī)械制造及壓力容器制造等行業(yè)中的應(yīng)用非常普遍。焊接是高強(qiáng)鋼推廣應(yīng)用中的重要加工手段，提高中厚板高強(qiáng)鋼的焊接效率一直是工程技術(shù)人員所追求的目標(biāo)。目前針對(duì)中厚板焊接發(fā)展了多種高效電弧焊接技術(shù)，主要有用于T. I. M. E.，A-TIG，熱絲TIG、窄間隙埋弧焊、多絲焊、機(jī)器人雙面雙弧焊等，但是上述的焊接技術(shù)共同存在坡口尺寸大、焊接速度慢、熱輸入高、變形應(yīng)力大、組織性能惡化等問題。激光焊接因具備能量密度集中、熔深大、變形量低、效率高和焊接速度快等特點(diǎn)廣泛用于中厚板高強(qiáng)鋼的焊接[1-3]。

長(zhǎng)期以來，高強(qiáng)鋼的冷裂敏感性是大家關(guān)注的主要問題，但是研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)鋼在激光焊接中出現(xiàn)了熱裂紋，并以凝固裂紋為主，從而影響焊接構(gòu)件的服役周期。焊接凝固裂紋是否形成主要取決于凝固裂紋阻力與凝固驅(qū)動(dòng)力的大小，凝固裂紋阻力是高溫下焊縫金屬的塑性，凝固裂紋驅(qū)動(dòng)力是焊接熔池的凝固收縮及外部拘束作用下產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變，當(dāng)拉伸應(yīng)變大于焊縫金屬在該溫度時(shí)的塑性時(shí)，凝固裂紋就會(huì)產(chǎn)生[4]。激光焊接技術(shù)形成的高深寬比的熔池幾何形狀和焊接過程復(fù)雜的物理現(xiàn)象導(dǎo)致的凝固裂紋與傳統(tǒng)焊接技術(shù)產(chǎn)生的差異較大，因此，應(yīng)從不同于傳統(tǒng)弧焊角度去揭示凝固裂紋的產(chǎn)生原因。目前德國(guó)、日本等國(guó)家相關(guān)學(xué)者對(duì)高強(qiáng)激光焊凝固裂紋研究較為深入，而國(guó)內(nèi)對(duì)高強(qiáng)鋼激光及其復(fù)合焊凝固裂紋的產(chǎn)生研究尚少，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)制未展開深入討論。文中對(duì)國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋼激光焊接中的凝固裂紋研究進(jìn)行綜述，為后續(xù)研究凝固裂紋形成機(jī)制及抑制措施提供一定思路，從而對(duì)高強(qiáng)鋼的優(yōu)質(zhì)高效焊接提供一定的指導(dǎo)作用。

1高強(qiáng)鋼激光焊凝固裂紋特點(diǎn)

對(duì)于中厚板高強(qiáng)鋼激光焊接方法主要包括激光自熔焊、窄間隙激光填絲焊、激光-電弧復(fù)合焊接等，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道不同學(xué)者采用上述焊接方法焊接高強(qiáng)鋼時(shí)均發(fā)現(xiàn)了凝固裂紋。

1.1激光自熔焊中的凝固裂紋

激光自熔焊接多采用高功率激光焊接，其最大熔深對(duì)激光功率的依賴呈現(xiàn)近指數(shù)增加。近年來，萬瓦級(jí)高功率激光焊接已成為國(guó)內(nèi)外熱門的前沿焊接技術(shù)之一，利用萬瓦激光的超高功率密度，可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，相同板厚條件下，可在很大程度上減少焊道層數(shù)，從而降低層間清理次數(shù)并減少不必要的坡口加工等，可極大提高焊接效率，特別是在中厚板鋼的焊接中具有高效優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)[5]。隨著研究的深入，裂紋問題得到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，Nielsen[6]和Nasim等人[7]及Matsuda 等人[8]均發(fā)現(xiàn)高功率激光自熔焊接厚板時(shí)形成的深窄焊縫中產(chǎn)生了凝固裂紋，裂紋均為處于焊縫中心的縱向裂紋（沿熔深方向裂紋），如圖1[7]所示。

趙琳[9]在研究10 kW光纖激光焊接中也發(fā)現(xiàn)了相似的縱向凝固裂紋。

1.2窄間隙激光填絲焊中的凝固裂紋

目前激光填絲焊的研究主要集中在窄間隙焊接中，將窄間隙技術(shù)與激光焊接相結(jié)合，在降低焊縫填充量的同時(shí)提高焊接效率、改善焊接質(zhì)量、降低接頭變形和殘余應(yīng)力，能夠滿足大型厚壁構(gòu)件低應(yīng)力和高質(zhì)量的焊接要求[10]。早在1992年P(guān)hilips等人[11]對(duì)HY80和HY100高強(qiáng)鋼進(jìn)行窄間隙激光熱絲單道焊，激光功率為15 kW，發(fā)現(xiàn)焊縫頂部出現(xiàn)凝固裂紋。Rittichai等人[12]采用熱絲焊9Cr1Mo鋼時(shí)裂紋也出現(xiàn)在焊縫中心靠近頂部，如圖2[12]所示。張益文[13]和曹浩[14]在高強(qiáng)鋼窄間隙激光填絲過程中出現(xiàn)了相似的情況。

1.3激光-電弧復(fù)合焊中的凝固裂紋

激光-電弧復(fù)合焊是將激光和電弧2種不同的熱源復(fù)合，既發(fā)揮了2種熱源的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了各自的不足，因此具有焊接速度快、橋接能力好、深寬比理想和裝配精度要求低等優(yōu)勢(shì)，是一種新型高效的焊接方法[15]。但是近些年來不同的研究人員在采用激光-電弧復(fù)合焊接高強(qiáng)鋼時(shí)同樣出現(xiàn)了熱烈紋， Gebhardt等人[16]在焊接15 mm厚高強(qiáng)鋼S460NH管壁時(shí)產(chǎn)生中心線凝固裂紋，出現(xiàn)在焊縫底部寬度局部增加的區(qū)域。Bakir等人[17]也做了與Gebhardt等人相似的研究，在焊縫底部發(fā)現(xiàn)了縱向裂紋，橫向裂紋（沿熔寬方向裂紋）和十字形裂紋，如圖3所示[17]。Barbetta等人[18]同樣在16 kW高功率激光-電弧復(fù)合焊接X70鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)熱裂紋問題，不同的是裂紋出現(xiàn)在焊縫截面中部，如圖4所示[18]。

上述研究表明：高強(qiáng)鋼激光及其復(fù)合焊中出現(xiàn)的凝固裂紋并不是偶然現(xiàn)象，其產(chǎn)生位置和形貌各不相同，情況復(fù)雜，同時(shí)又具有一定的規(guī)律性，均處于焊縫中心線上。

2高強(qiáng)鋼激光焊凝固裂紋形成機(jī)制

為進(jìn)一步了解激光焊接凝固裂紋的形成機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了化學(xué)成分、熔池幾何形狀、焊接參數(shù)、拘束度等對(duì)冶金與力學(xué)因素的影響，特別是對(duì)焊縫幾何特征與凝固裂紋關(guān)系進(jìn)行了較為深入的研究。

2.1化學(xué)成分對(duì)凝固裂紋的影響

隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、微合金化及控軋控冷等冶金技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，高強(qiáng)鋼中的雜質(zhì)元素越來越少，但對(duì)于某些碳含量高、合金元素含量多的高強(qiáng)鋼，由于激光焊接快速冷卻使焊縫凝固時(shí)元素偏析趨勢(shì)更加明顯，即使在相對(duì)較低的濃度下，雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致碳鋼和低合金鋼嚴(yán)重開裂，其熱裂紋是焊接工藝中的難題。

張甫[19]與雷正龍等人[20]分別采用激光-MAG 復(fù)合焊接42CrMo和30CrMnSiA環(huán)形焊縫時(shí)發(fā)現(xiàn)凝固裂紋，兩者裂紋斷面上C，S，P 偏聚程度遠(yuǎn)高于其他位置，確定焊接中的凝固裂紋是由 C，S，P 偏聚形成低熔點(diǎn)的液態(tài)薄膜加上焊接熱應(yīng)力直接作用于結(jié)晶面上拉開液膜形成裂紋。

Pineda Huitron等人[21]在分析結(jié)構(gòu)鋼激光焊凝固裂紋時(shí)認(rèn)為由于激光焊接過程中的快速加熱和冷卻，沒有足夠的時(shí)間在凝固過程中通過擴(kuò)散形成沉淀物，也沒有足夠的時(shí)間在加熱循環(huán)過程中溶解現(xiàn)有的沉淀物，這些沉淀物會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中從而作為裂紋形成的位置。

2.2熔池幾何形狀對(duì)凝固裂紋的影響

20世紀(jì)80年代早期Irie等人[22-23]對(duì)深穿透電子束焊接的研究證明了熔池形狀對(duì)凝固裂紋形成的重要性，將電子束焊接過程中形成的縱向凝固裂紋分為2種：一種是在較高的焊接速度范圍內(nèi)由于狹窄的后凝固壁處缺少熔融金屬引起的;另一種是在較低的焊接速度范圍內(nèi)，熔合線在焊接的后方方向上會(huì)明顯凹入，導(dǎo)致凝固的局部延遲，從而產(chǎn)生縱向裂紋。由于激光焊接會(huì)產(chǎn)生與電子束相似的熔池，近些年來一些學(xué)者針對(duì)激光及激光復(fù)合焊接中的熔池形狀與凝固裂紋的關(guān)系進(jìn)行了較為深入的研究。

對(duì)于激光焊接形成的焊縫形狀常見的有酒杯形、梨形、半球形、釘子形等。Matsuda等人[8]主要研究了“酒杯形”和“井形”焊縫的形狀對(duì)激光焊接SNCM 420高強(qiáng)鋼熱裂紋的影響。通過試驗(yàn)和計(jì)算得出當(dāng)焊縫截面越接近“酒杯形”時(shí)越不容易出現(xiàn)裂紋，但并沒有給出解釋。

在深穿透高功率激光束作用下，熔池某處界面變寬，稱為凸起部分，文獻(xiàn)[9，18]研究表明凸起造成了該區(qū)域的延遲凝固和應(yīng)力集中，共同促進(jìn)了凝固裂紋產(chǎn)生。2014年Barbetta[18]研究了高功率激光電弧復(fù)合焊接X70鋼中凝固裂紋形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)凝固缺陷與熔池凸起有很強(qiáng)的相關(guān)性。每一個(gè)凝固缺陷都出現(xiàn)在熔池的凸起區(qū)，凸起角度定義如圖5[18]所示，其數(shù)值越大表示焊縫凝固裂紋敏感性越大。

德國(guó)聯(lián)邦材料與測(cè)試研究所（BAM）和柏林工業(yè)大學(xué)Artinov等人近些年來一直在進(jìn)行高功率激光焊接技術(shù)及數(shù)值模擬方面的研究，他們?cè)贐arbetta研究的基礎(chǔ)上對(duì)高功率激光焊接S355鋼中熔池深度的中部出現(xiàn)的凸起區(qū)域及其時(shí)間演變進(jìn)行觀察，如圖6[24]所示，建立熱源模型[25]、獲得穩(wěn)定熔池形狀[26]，從而得出凸起部分主要是由溫度梯度帶來的表面張力差異和激光源運(yùn)動(dòng)引起上表面和下表面的熱毛細(xì)流動(dòng)形成的，并指出觀察到的熔池形狀對(duì)凝固過程中的時(shí)間相關(guān)和局部應(yīng)力分布有顯著影響，從而影響凝固裂紋的形成[27]，為進(jìn)一步研究了凸起部分對(duì)激光焊接厚壁結(jié)構(gòu)凝固裂紋的影響，采用拉梅曲線獲得三維熔池界面[28]建立結(jié)晶模型獲得擴(kuò)散和宏觀偏析情況，指出凸起部分會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的凝固行為延遲、產(chǎn)生最大拉應(yīng)力、增加了S元素的偏析，進(jìn)而促進(jìn)高功率激光焊接中熱裂紋的產(chǎn)生[29]，如圖7[29]和圖8[29]所示。趙琳等人[9]研究同樣表明小孔不穩(wěn)定性引起了熔池后部凝固前沿形狀的變化，導(dǎo)致匙孔凸起部位凝固落后于凹陷部位，增加了焊縫凝固裂紋的敏感性。

Gebhardt等人[30]同樣關(guān)注到焊接形成的凸起部分，他同樣發(fā)現(xiàn)凸起區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中且為拉應(yīng)力。另外在未熔透焊模型的焊縫根部，應(yīng)力集中是由于焊縫下面的冷而硬的金屬材料對(duì)焊縫的收縮產(chǎn)生阻力而引起的，這能夠解釋在焊縫根部出現(xiàn)的凝固裂紋。同樣在2014年Wiklund等人[31]針對(duì)低合金高強(qiáng)鋼S420進(jìn)行高功率激光電弧復(fù)合焊接，主要研究了凝固裂紋與其周圍焊縫和熱影響區(qū)橫截面的幾何特征之間的關(guān)系。如圖9[31]所示，得出當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)界面傾角較大時(shí)，一般不出現(xiàn)裂紋，圖9d上半部分，并認(rèn)為橫截面和熱傳導(dǎo)的幾何特征可以作為產(chǎn)生或抑制熱裂紋的指標(biāo)，并且比應(yīng)力場(chǎng)等更容易評(píng)估和優(yōu)化。這與Bakir等人[17]在2020最新研究結(jié)果一致，并給出2點(diǎn)原因，一是因?yàn)檎J(rèn)為焊縫的側(cè)角越大，越有利于雜質(zhì)浮到焊縫表面，二是焊縫中寬度增加減小了熱應(yīng)力從而降低了裂紋傾向。

由于激光焊能量集中，會(huì)產(chǎn)生大的深寬比，有文獻(xiàn)研究了窄間隙激光填絲焊深寬比對(duì)熱裂紋形成的影響，Philips等人[11]在對(duì)高強(qiáng)鋼進(jìn)行窄間隙激光熱絲單道焊時(shí)認(rèn)為促進(jìn)凝固裂紋的因素可能是的高深寬比的焊縫上產(chǎn)生相對(duì)較高的應(yīng)變。Phaoniam等人[12]采用同樣方法焊接9Cr1Mo鋼，研究得出當(dāng)焊縫深寬比在0.6～1.2之間，會(huì)出現(xiàn)凝固裂紋，深寬比大于1.5左右反而不容易出現(xiàn)裂紋，通過三維有限元方法進(jìn)行了焊縫熔池凝固時(shí)的應(yīng)變計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明焊縫中心靠近表面處應(yīng)變最大，與實(shí)際出現(xiàn)裂紋位置相符。

以上研究表明熔池幾何形狀對(duì)激光焊中產(chǎn)生的凝固裂紋有很大影響：一是凸起部分會(huì)導(dǎo)致凝固延遲，應(yīng)力集中，雜質(zhì)元素的偏析促進(jìn)裂紋的形成。二是不同的深寬比同樣會(huì)影響焊縫凝固過程中的應(yīng)力狀態(tài)，一般認(rèn)為加大深寬比增大裂紋敏感性。

2.3焊接參數(shù)對(duì)凝固裂紋的影響

激光焊主要的焊接參數(shù)有焊接速度、激光功率、光絲間距、送絲速度、離焦量等，這些參數(shù)影響焊接過程中應(yīng)力狀態(tài)與液態(tài)金屬凝固行為，進(jìn)而影響熱裂紋的形成。文獻(xiàn)研究表明[7，9，13，16-17，34-35]：當(dāng)焊接速度、激光功率、固體激光器離焦量增加，送絲速度減少時(shí)會(huì)增加凝固裂紋敏感性。

Shuster等人[32]在研究13 mm厚的低合金高強(qiáng)鋼 S355N激光焊接工藝時(shí)指出當(dāng)焊接速度高于0.8 m/min時(shí)，接頭裂紋多為焊縫中心縱向裂紋。在裂紋表面觀察到規(guī)則樹枝晶排列特征，認(rèn)為激光焊縫的冷卻速度超過結(jié)晶生長(zhǎng)速度時(shí)，凝固過程在樹狀晶相互交叉連接時(shí)完成，在樹枝晶之間形成空隙，從而形成裂紋。

Matsuda等人[8]研究了焊接參數(shù)對(duì)SNCM 420高強(qiáng)鋼焊縫橫截面裂紋總長(zhǎng)度影響，隨著焊接速度、激光功率及離焦量的增加，裂紋總長(zhǎng)度數(shù)量也不斷增加，并且在熔深保持不變的情況下也得到相同的規(guī)律。Gebhardt等人[16]采用激光-MAG復(fù)合焊工藝對(duì)超過10 mm厚度的S460NH厚壁管進(jìn)行了未熔透焊接試驗(yàn)，研究了焊接參數(shù)對(duì)凝固裂紋形成的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：送絲速度減少和激光功率增加都會(huì)顯著增加裂紋數(shù)量而焊接速度的影響不明顯，與張益文[14]所得結(jié)果一致。文獻(xiàn)[18]對(duì)S690QL厚壁高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了激光復(fù)合焊接試驗(yàn)，還表明在相同的臨界約束強(qiáng)度下，焊接速度的降低、離焦量的減小、送絲速度增加均會(huì)使焊縫根部裂紋數(shù)量顯著減少。

Schaefer等人[33-34]從發(fā)現(xiàn)42CrMoS4高強(qiáng)鋼激光深熔焊中出現(xiàn)熱裂紋后，持續(xù)研究了焊接工藝參數(shù)如激光功率、焊接速度、離焦量等對(duì)裂紋形成的影響。從 X射線無損探傷圖來看熱裂紋表現(xiàn)出一種明顯的周期性，并定義累積裂紋長(zhǎng)度為各段裂紋的長(zhǎng)度之和與焊縫長(zhǎng)度的比值。試驗(yàn)結(jié)果表明累積裂紋長(zhǎng)度隨焊接速度的增大而增加，另外在假定焊縫熔深恒定的情況下，累積裂紋長(zhǎng)度隨焊接熱輸入的增加而減少。在這之前Schaefer等人[35]提出了多示蹤粒子軌跡的方法來評(píng)估特征熔體流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)位置會(huì)對(duì)熔體流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響熔池幾何形狀。還研究了CO2激光器和固體激光器不同離焦量對(duì)裂紋長(zhǎng)度的影響，對(duì)于CO2激光器來說，隨著離焦量的增大，裂紋長(zhǎng)度減少，有趣的是對(duì)于固體激光器來說得到是相反的結(jié)果，但是與趙琳等人[9]和Bakir等人[17]采用固體激光器焊接所得結(jié)果一致。

焊接工藝參數(shù)對(duì)凝固裂紋的影響實(shí)質(zhì)上也是通過改變力學(xué)與冶金因素，但是可以發(fā)現(xiàn)無論改變哪種工藝參數(shù)，宏觀上表現(xiàn)為焊縫幾何形狀的改變，是否可以通過焊縫幾何特征作為裂紋產(chǎn)生的判據(jù)值得進(jìn)一步深入研究。

2.4拘束度對(duì)凝固裂紋的影響

從近些年來的研究工作來看，人們普遍認(rèn)為凝固開裂是由于糊狀區(qū)液膜的拉伸斷裂造成的，因此，臨界應(yīng)力、應(yīng)變或應(yīng)變率經(jīng)常作為熱裂紋形成的標(biāo)準(zhǔn)。不同學(xué)者對(duì)力學(xué)因素方面進(jìn)行了研究。

Matsuda等人[8]研究了約束條件下和無約束條件下對(duì)SNCM 420高強(qiáng)鋼激光焊縫橫截面裂紋總長(zhǎng)度的影響，結(jié)果表明約束條件下的裂紋敏感性明顯大于無約束條件。Quiroz等人[36]采用IRC試驗(yàn)用于研究在不同約束條件下激光焊接下的熱裂紋敏感性，用17 kW激光功率零對(duì)接間隙焊接15 mm厚高強(qiáng)度S690QL，得到與Matsuda相似的結(jié)果，隨著約束強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致更高的熱裂紋敏感性，主要表現(xiàn)在裂紋數(shù)量和長(zhǎng)度的增加。陳根余等人[37]以應(yīng)變率與裂紋產(chǎn)生的密切關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)研究了42CrMo環(huán)形焊縫接頭處凝固裂紋的產(chǎn)生，結(jié)果同樣表明裂紋與焊接過程應(yīng)變率有很大相關(guān)性，應(yīng)變率較小的工藝裂紋明顯減少。

3高強(qiáng)鋼激光焊凝固裂紋防止措施

目前防止凝固裂紋的產(chǎn)生措施應(yīng)從冶金和焊接工藝兩方面考慮。

3.1冶金方面

S，P等雜質(zhì)元素對(duì)凝固裂紋的形成具有就決定性作用，Matsuda等人[8]指出S的影響是P的1.8倍，Philips等人[11]通過增加送絲速度后，改善了母材稀釋率，S含量顯著降低。張甫[19]激光電弧復(fù)合焊接42CrMo時(shí)，將坡口改為 U，V 結(jié)合形式，以降低打底焊中母材稀釋率并且更換為低S，P和抗熱裂熱強(qiáng)性好的焊絲，有效防止了凝固裂紋的產(chǎn)生。

3.2工藝方面

Petzet等人[38]采用多激光束使出現(xiàn)熱裂紋的固液區(qū)呈現(xiàn)壓應(yīng)力來防止焊接中的熱裂紋。曹浩[14]通過調(diào)整焊接工藝控制焊接熱輸入，減緩冷卻速率，減小深寬比，抑制了窄間隙焊接中裂紋的產(chǎn)生。Phaoniam等人[13]在窄間隙熱絲焊中還發(fā)現(xiàn)在較高的深寬比下，表現(xiàn)出比其它深寬比更低的高溫應(yīng)變，能夠有效降低凝固裂紋。除此之外Schaefer等人[39]提出通過激光功率的時(shí)間調(diào)制來減少鋼中凝固裂紋的形成，焊接速度在特定調(diào)制頻率范圍內(nèi)可以完全防止熱裂紋產(chǎn)生。

4結(jié)論

（1）激光焊接具有能量密度集中、大熔深等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)中厚板高強(qiáng)鋼高效優(yōu)質(zhì)焊接的先進(jìn)工藝方法。但是激光及其復(fù)合焊易產(chǎn)生凝固裂紋，其產(chǎn)生與大深寬比、熔池的凸起部分有密切關(guān)系。

（2）目前國(guó)外對(duì)于高強(qiáng)鋼激光焊接中凝固裂紋形成機(jī)制的研究采用定性和定量相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)熔池的凸起部分會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的凝固行為延遲、產(chǎn)生最大拉應(yīng)力、增加了S等元素的偏析，一定的深寬比會(huì)增大不同位置的應(yīng)力-應(yīng)變，均提高了凝固裂紋敏感性。而國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較少，大部分研究仍處于定性階段。凸起部分產(chǎn)生原因以及與凝固裂紋之間的關(guān)系需進(jìn)一步深入研究。

（3）在高強(qiáng)鋼激光焊接應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注焊縫形狀與凝固裂紋之間的關(guān)系，焊縫形狀反映了冶金、力學(xué)、工藝三者之間的相互作用;再通過采用數(shù)值模擬手段模擬熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)明確裂紋形成機(jī)制;采用雙光束或多光束激光焊、熱絲焊等工藝改變焊縫形狀來減少或消除熱裂紋都是將來研究的重點(diǎn)。

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