江蘇鐳射聯盟導讀：
本文主要綜述了鐳射脈衝的形狀特徵及其鐳射脈衝的應用，透過討論裂紋敏感性的標準、脈衝形狀焊接時消除焊接裂紋的機理進行了分析，脈衝形狀改變和裂紋標準的未來發展趨勢也進行了展望。
（接上文脈衝鐳射特性、複合焊）
3.6. 脈衝鐳射器在混合焊接中的應用
對於自動化焊接技術的應用，有必要減少焊接中的缺陷，提高焊接製造速度。鐳射束軸與GTAW電極尖端之間的距離將嚴重影響焊接工藝的穩定性。在5mm厚的5083鋁合金脈衝鐳射-MIG混合焊接中，後置MIG可以提高鑰匙孔的穩定性，降低孔隙率。
圖19
中顯示了分離距離和MIG焊槍頭方向的影響。
利用脈衝鐳射誘導TIG焊接可以減少孔隙率和焊縫元件的損失。對於同樣具有脈衝特性的鐳射和電弧焊，當脈衝鐳射照射MIG焊接液滴的固液介面時，Jia等人發現，鐳射作為一種額外的分離力，顯著提高了焊接過程的穩定性；透過改變液滴的應力狀態，促進了短路轉移和噴霧轉移，有效地提高了傳遞頻率。如
圖20
所示，與內相鐳射MIG混合焊接相比，反鐳射-MIG波形複合焊接具有更大的穿透性，更少的焊接濺射，更少的孔隙率，和改進的拉伸效能。
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圖19
光纖鐳射-MIG複合焊焊接AA5083鋁合金時，分離距離對焊縫形貌和焊接質量的影響
4. 熱裂化現象的預測
固化裂紋，也稱為鑄件中的熱裂紋，是在有限的凝固條件下發生的晶間或樹突狀裂紋。鑄造和焊接是凝固條件有限的常見例子。溶解裂解通常涉及在熔化區晶界存在液體膜。液體膜也可能存在於熱影響區或部分熔融區，並可能導致另一種形式的破裂，稱為液化破裂。目前提出的裂紋靈敏度模型大多來自鑄造理論，根據其機理可分為三個理論：
基於機械理論、基於非機械理論、基於機械理論和非機械理論
。已經有一些研究需要對其中一些焊接模型進行修改。
4.1. 基於機械理論
普羅霍羅夫模型假設，當應變積累超過臨界值時，可能發生裂紋。普羅霍羅夫認為，糊狀區域是一個單一的實體，並定義了凝固發生時的可塑性。在凝固過程中，糊狀區域的延性降低。延性降低的溫度範圍稱為脆性溫度範圍（BTR）。BTR通常在凝固溫度範圍內，但由於晶粒邊界形成液體膜形成溶質分離和區域性溶質線溫度下降，BTR可以擴充套件到溶質線以下的溫度。應變在凝固開始時就開始積累。如果發生凝固裂紋，總累積應變（A）超過延性極限（εmin），即線A比臨界應變切線更陡。如果累積應變保持在εmin以下，則不會出現裂縫。這一理論的缺點是它沒有考慮在液體膜上的應變定位。基於BTR的假設，Dmin和線性自由收縮Δεfree的差值，明顯應變Δεapp，在這個時間間隔內，Δεres是最小值。
與普羅霍羅夫相比，諾維科夫的熱裂解準則忽略了明顯的應變。從力學的角度，研究了合金凝固的熱裂紋敏感性。熱裂紋是由漿體中相對於漿體的收縮應變決定的。諾維科夫認為，在凝固過程中，合金由於糊狀區域的凝固收縮和附近的熱收縮而收縮。首先，固體金屬和液體金屬之間的密度差會導致體積收縮。另一方面，材料的熱膨脹係數會影響熱收縮率。與焊接和鑄件一樣，工件的凝固過程也存在限制，如：金屬的剛性模具會阻礙收縮；焊件的夾緊使得在固化過程中難以釋放應力。他提出了凝固範圍內的“塑性儲備”Pr，即斷裂εfr從凝固溫度到固相溫度的伸長率與線性收縮εsh之間的積分差，即“脆性”溫度範圍ΔTbr。根據在最終凝固過程中所經歷的相對應變。Magnin等人認為熱裂紋靈敏度（HCS）是在溶質溫度下的圓周塑性應變εθ和實驗測定的在溶質溫度附近的斷裂應變εfr的商。提出了一種可用於定性和定量預測熱撕裂的標準。
當HCS大於1時，就會發生裂縫。
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圖20
上圖：同步脈衝調製的時候，同相（a）和反相（b）時的鐳射-電弧複合焊的波形
第二組圖：在不同耦合模式下鐳射-電弧複合焊時的橫截面和焊縫形貌
第三組圖：同相時鐳射-電弧複合焊時得到的高速攝影結果
下圖：同相時鐳射-電弧複合焊時的液滴過渡轉移的示意圖
4.2. 基於非力學理論
費勒的熱撕裂理論是一種非力學理論，主要集中於凝固過程中液體金屬的補充和收縮，模型示意圖
如圖21
所示，熱裂解是由於液體金屬補充不足引起的，這與流體在與凝固收縮競爭時難以透過糊狀有關。Feurer考慮了兩個方面，SPV和SRG，分別代表透過樹突狀網路的最大體積流量（供給項）和體積凝固收縮。固相收縮率是由固相密度與液相之間的差異引起的。收縮率的計算公式如下：
其中fl為液體的體積分數；λ2為次樹突臂之間的距離。Ps為有效進料壓力，L為多孔網路的長度，為相干位置與溶系體溫度的距離，c為樹突狀網路的曲率常數，單位η為液相粘度，γSL為固體液體介面能量，ρ為漿體的平均密度；g為重力常數，h為與熔體表面的距離，ρl和ρs分別為液體和固體密度，fl和fs分別為樹枝狀網路中的液體，固體體積分數；PO、PM和PC分別為大壓、靜壓和毛細管壓力。
▲圖21
熱撕裂理論的示意圖
其中，V為質量不變的固化膏體的體積元素，t為時間。Clyne和Davies提出的熱撕裂標準是基於Feurer的假設，即液體金屬在凝固的最後階段難以自由移動，因此該階段產生的應變不能透過補充液體金屬來改變所產生的應變。裂紋靈敏度係數由可能導致熱撕裂的脆弱時間段電視與應力緩解過程的可用時間tr的比值來定義，在此期間將發生大量的液體金屬補充。熱裂紋靈敏度（HCS）如下：
其中t0。99為實體積分數fs為0。99的時間，t0。9為fs為0。9的時間，t0。4為fs為0。4的時間。卡德曼提出的模型考慮了鑄件的速度、鑄錠的直徑和合金的組成。基於克萊恩、戴維斯和費勒的熱開裂理論，該模型可用於預測二元合金和商業合金［110］直接冷鑄造過程中熱撕裂的敏感率。熱撕裂指數如下：
其中t0。99為fs=0。99；t0。4為fs=0。40的時間；tcr為供給不足的時間。時間tcr是根據費勒的標準確定的。
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拉帕茲、德雷澤特和格雷莫德提出了著名的RDG模型，它考慮了單軸拉伸變形和收縮給料。液態的供給方向與柱狀晶體的生長方向相反，拉伸變形方向垂直於柱狀晶體的生長方向。RDG標準建立在晚期液體的基礎上，受漿液區域滲透性的限制。離糊狀區域凝固的前沿越近，滲透性就越高。沿糊狀區域下降是滲透性和應變率的函式。如果區域性壓力小於臨界壓力，空腔開始產生。與經驗公式不同，這個模型在物理學上是合理的基礎上。
布拉奇尼進一步開發了RDG標準。然後提出了固相塑性變形和空腔生長的標準。將該模型應用於柱狀樹突和等軸樹突。臨界應變速率的顯式關係表明，臨界應變速率隨著固體分數的增加而減小。王等人同時考慮了機械因素和冶金因素，研究了焊接速度對6013鋁合金纖維鐳射焊接凝固裂紋靈敏度的影響。建立了圓柱形粒徑的有限元模型，計算了糊狀區域的應變定位。周等採用臨界直徑法研究了在不同的情況下7075合金的半固態熱裂趨勢。對於半固態漿料，提高模具溫度或降低鑄件溫度可顯著降低熱裂解趨勢。同時，對RDG指南的應用和發展進行了研究，凝固模型
4.3. 基於機械理論和非機械理論
所示。
如圖22
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在接種的鋁合金中等軸枝晶生長的示意圖
圖22
中顯示了鋁錫合金的薄晶界共晶體，表明非常晚期廣泛的橋接加劇了裂紋的敏感性。為了解決二元鋁合金在凝固過程中與裂紋敏感度有關的一些基本問題。Liu和Kou計算並驗證了|dT/d（fS）1/2）|作為裂紋敏感性指標的有效性。普通鋁弧焊的二次枝晶臂間距的λ2和資料λ2-tf（tf為區域性凝固時間）表明，鋁弧焊發生了反向擴散。在各種共晶溫度TE和可變平衡分離係數k（0-0。87）的條件下，對二元鋁合金體系進行了研究。結果表明，當TE極低，TE的k很高時，裂紋靈敏度仍較低，增加反向擴散對裂紋靈敏度降低的影響，這是鋁鎂或鋅的裂紋靈敏度低於鋁銅的原因。在TE和k極低的情況下，裂紋靈敏度可能非常高，這與Al-Sn嚴重的裂紋靈敏度相一致。仍然使用最大|dT/d（fS）1/2）|作為裂紋敏感度指數，Liu和Kou計算了三元鋁合金體系的裂紋敏感度。背向擴散對裂紋敏感性的影響與以往的研究一致。Han等人採用Kou標準作為合金元素新增的函式，對鋁合金合金體系的HCS進行了量化，驗證了Kou標準在鋁合金合金中的適用性。
圖24
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|dT/d（fS）1/2）|在近 （f S）1/2 = 1 時對液相供給的影響： （a） Al合金 A356； （b） Al 合金 A206
Soysal和Kou研究了填充金屬在減少2024Al和6061Al焊縫固化裂縫中的有效性。透過橫向運動焊接性（TMW）試驗來評價其有效性，如
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所示。焊接結果表明，填充金屬4043Al和4145Al可以有效地減少2024Al的焊接裂紋，但Al 4145的效果更好。富矽相形成後，固相分數在冷卻過程中迅速增加，使富鋁樹突結合起來抵抗開裂。
圖23
共晶Al-Sn合金的晶粒邊界的共晶表明非常晚的大量的橋接來家中裂紋的敏感性：（a）早期的橋接的示意圖； （b） 相對大的角度 θ的案例； （c） Al-5Cu ； （d） 潛在的非常晚的廣泛的橋接的例子； （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
圖25
▲圖24
用來評估凝固裂紋可能性的測試示意圖
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焊接殘餘應力對5083鋁合金的裂紋增長率有顯著影響。在混合焊接中，裂縫可以透過一個額外的熱源來消除。橫斷面裂紋如
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所示。是高強度鋁合金的鐳射焊接和混合鐳射/弧焊/電弧焊。橫向拉伸應變主要是在焊接熔變區由冷卻階段引起的。可以使用一個額外的熱源來改變溫度分佈，從而減少了裂紋的趨勢。熱裂紋的作用機理仍是一個值得進一步研究的問題。結合所提出的熱裂紋靈敏度標準和裂紋解決的主要研究，可以從以下三個方面考慮脈衝鐳射焊接中消除熱裂紋的機理。
圖25
在AA7075鋁合金焊接時得到的橫向裂紋
5.脈衝鐳射焊接中熱裂紋的抑制方法
頻率增加，從而減少了Mg與其他元素的相互作用。Liu等人對AA6063-T6鋁合金鐳射點焊工藝的模擬結果表明，當溫度低於相干溫度時，累積應變隨漿狀區域固體分數的增加而增加。如
圖26
所示。隨著凝固過程的進行，焊縫頂部和中部附近的裂紋靈敏度非常高。雖然鋁鎂合金的凝固間隔較寬，但在凝固過程中仍具有良好的抗裂性。劉等人發現，透過對5086鋁合金電弧焊過程中糊狀面積的淬火，在固化過程中發生了大量的Mg反擴散，使得樹突晶粒廣泛結合，可以抵抗早期的晶間裂紋。反向擴散對裂紋磁化率的影響如
▲圖26
所示。
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5.1. 相位組成和元素的擴散
溶質偏析對蘑菇區在r = 0。2 mm在時的機械應變的影響：（a）沒有偏析時；（b）有偏析時
圖27
圖28
上圖背部擴散對裂紋敏感性的影響： （a） Al-Cu合金； （b） Al-Mg合金；
下圖：在弧焊時的淬火和測量的冷卻曲線： （a） 俯檢視觀察時在蘑菇區的和焊接熔池的結果； （b）在垂直方向插入熱電偶到熔池中；（c）在插入熱電偶之後，傾倒的熔融金屬到淬火的蘑菇區（垂直截面）TL： 液相線溫度； TE： 共晶溫度。
脈衝成形的使用可以改善鐳射焊接接頭的結構，減少熔融池中的材料混合程度，從而提高CP-Ti和不鏽鋼板不同焊縫的強度。方等人使用較低的脈衝鐳射功率形成（Cu、Nb）固體溶液，而不是（Nb、Ti）固體溶液，成功抑制了裂紋的形成。Beiranvand等人對鋁鎂合金的計算表明，隨著鐳射脈衝頻率的增加，凝固速率的降低而降低，因此凝固裂紋的靈敏度降低。同時，由於持續蒸發，最終焊接金屬Mg的Mg濃度降低，從而增加了HCS。但降低凝固速率對HCS的影響比降低Mg含量更為明顯。
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凝固圖
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在凝固的最後階段，Agarwal等人觀察到細胞間區域的液體進食，如圖29所示。平均液體流速為450-500μm/s。計算出的壓差約為104Pa，以導致液體流動。結果表明，凝固收縮率和變形率均小於給液速率。
當採用熔融工藝進行鐳射焊接時，2024鋁合金在焊接中容易發生凝固裂紋，在基礎材料中容易發生液化裂紋。液化裂紋通常是凝固裂紋的起點。透過回填修復液化晶界可以抑制熔變區裂縫的產生。在低鐳射脈衝能量下，由於低熱梯度和應力的影響，裂紋形成趨勢減少。謝赫等人提出，為了抑制固化裂紋，允許的凝固速率與易損區域的長度成反比。透過適當控制降壓脈衝成形，可以避免凝固裂紋。本研究提出的模型也可以透過修改Feurer準則，很好地預測基金屬初始溫度對裂紋靈敏度的影響，如
圖27
所示。
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SPV液體流動和影響因素的示意圖： （a） Feurer用於枝晶結構的Feurer的標準； （b） 用於胞結構的修正後的Feurer的標準
Hekmatjou和Naffakh-Mooavy發現，透過預熱可以避免5456鋁合金脈衝鐳射焊接的熱開裂。單獨增加平均鐳射功率、脈衝頻率和降低脈衝持續時間也會降低熱裂紋的靈敏度，如圖31所示。主要是由於冷卻速率的降低，導致凝固模式從柱狀晶粒轉變為等軸晶粒，以及液化晶界的回填。
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圖28
在脈衝鐳射焊接5456鋁合金的時候焊接形貌的改變
如
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所示，初始裂紋形成方向與鎂合金脈衝鐳射焊接凝固條件的變化有關。在不同的焊接條件下，糊狀區域會在不同的方向上形成初始裂紋，然後使裂紋沿晶界傳播。利用脈衝成形可以顯著降低熔融池的凝固速率，防止在敏感方向上以縱橫比小於0。8的初始裂紋形成，從而消除固化裂紋。
高溫合金在焊接過程中難以避免液化裂縫是一個難題。Montazeri和Ghaini採用焊預熱處理技術研究了低功率脈衝Nd：YAG鐳射焊接IN738LC的液化裂解行為。結果表明，合金的液化裂紋主要與γ-γ共晶、碳質物、硼化物和鎳鋅金屬間化合物。在焊接的加熱迴圈中，硼化物顆粒降低了熱影響區非平衡晶間液化的起始溫度。在脈衝鐳射焊接的快速凝固條件下，目前對奧氏體不鏽鋼微觀結構和焊接凝固裂紋敏感性的預測並不準確。Lippold發現凝固裂紋與凝固行為的轉變有關。當該結構主要為奧氏體時，其裂紋靈敏度較高。Ardakani 和Naffakh-Moosavy透過熱輸入水平低於15J/mm，消除了科瓦爾合金和AISI304l之間的不同焊接裂紋。主要是由於熔融池沒有足夠的時間來混合，存在細樹晶結構和硬化元素。
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上圖：應變速率和液體流速的示意圖：（a）在出事裂紋形成之前；（b）在出事裂紋形成之後
中圖：在鐳射點焊AZ31鎂合金時得到的凝固裂紋
下圖： 在矩形脈衝和步進降低時到10ms-0。3P脈衝的條件下的點焊I、II 和 III
圖29
焊縫附近熱膨脹產生的壓縮載荷可以防止熱裂縫，平衡了焊縫中的凝固收縮。在AA6014鋁合金的鐳射束焊接過程中，Hagenlocher 等人顯示了與鐳射束焊接中線裂紋形成相關的應變時間演化特徵，如
5.2. 微結構演化
所示。在熱裂紋開始過程中，壓縮應變首先減小，然後在中心裂紋傳播過程中拉伸應變增大。當凝固過程中既沒有拉伸應變，也沒有明顯的壓縮應變和應變速率時，就會出現熱裂紋。
圖30
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熔池的相對位置對焊接的負應變速率的影響（灰色表示負應變速率的分佈）
Bergmann等人提高了鋁脈衝的可焊接性由二極體鐳射器疊加而進行的鐳射焊接。由於二極體鐳射器的預熱，增強了焊接能量的吸收，促進了良好的固化條件，有效地避免了熱裂紋，如
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所示。
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疊加對長度方向介面的影響
vonWitzendorff等人發現，在考慮作為應變速率指標的介面速度條件下，應變速率相對於鐳射脈衝冷卻時間的斜率以對數的方式增加。然後利用脈衝成形，使凝固初期發生快速凝固過程，當熔融池具有較大的液體分數時，脈衝成形如
圖30
所示。雖然實驗並沒有完全消除6082鋁合金的凝固裂紋，但透過減小脈衝之間的裂紋半徑和適當的重疊比，後者脈衝鐳射完全覆蓋了之前脈衝鐳射的裂紋區域，最終避免了裂紋的繼承。
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上圖：脈衝形狀來控制瞬時的應變發展和凝固裂紋
中圖：高速攝影觀察到的可見的輻射狀形態：途High-speed observation of visible radiation。 Upper上部的系列：RD – 3。5 ms – 1。8 kW （a） 和等軸晶裂紋 （b） ；較低洗禮：SD – 10 ms – 1。8 kW， （c）裂紋。
下圖：俯檢視觀察到的點焊
，時長00：12
，時長00：12
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與電弧焊和連續鐳射焊接方法相比，脈衝鐳射焊接的應用歷史相對較短。在連續焊接過程中，附加材料是避免裂紋等缺陷的常見方法。然而，對
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。一方面，透過編輯脈衝成形，可以同時實現焊接的預熱和冷卻速率。另一方面，新增一個額外的熱源也是解決避免熱開裂等問題的有效方法。在工業應用中，鋁合金、鎂合金等輕金屬不僅能滿足機械部件的強度要求，還能滿足綠色開發產品的輕質要求。提出了鋁合金和鎂合金焊接時存在的孔隙度、熱裂紋等問題。已經證明，在脈衝鐳射焊接中，脈衝成形可以降低焊接凝固過程中的冷卻速率，消除裂縫，也可以透過池振盪或焊點重熔來消除孔隙度。鎳基超合金的液化裂紋與鎳基超材料的相組成密切相關，在脈衝鐳射器中也是不可避免的。
在脈衝鐳射器低熱輸入的條件下，可以顯著改善鋁合金、鎳基超合金和不鏽鋼板的焊接變形。透過對預測合金裂紋敏感性的指標的討論，我們可以更全面地瞭解合金在焊接過程中凝固裂紋的形成過程和原因。因此，根據鑄件條件，這些指標不適用於脈衝鐳射器中快速冷卻的凝固條件。有必要
圖31
，以期今後能夠準確預測脈衝鐳射焊接條件下合金的裂紋靈敏度。
全文完
江蘇鐳射聯盟鐳射紅感謝您的關注
文章來源：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
參考文獻：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。0172，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
圖32
原創作品！
