激光焊接HAZ裂纹的焊接热输入影响研究

摘要

激光焊接作为一种高效、高精度的焊接技术，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。然而，激光焊接过程中产生的热影响区（HAZ）裂纹一直是影响焊接质量的关键因素之一。本文旨在探讨焊接热输入对激光焊接HAZ裂纹的影响，通过分析不同热输入条件下的组织变化和裂纹形成机理，为优化焊接工艺提供理论依据。

引言

激光焊接通过聚焦高能激光束于工件表面，形成高功率密度的热源，实现材料的快速熔化和凝固。然而，激光焊接过程中产生的HAZ裂纹问题一直备受关注。HAZ裂纹不仅影响焊接件的强度和韧性，还可能导致焊接件的失效。因此，研究焊接热输入对HAZ裂纹的影响具有重要意义。

焊接热输入对HAZ组织的影响

焊接热输入是激光焊接过程中的重要参数，它直接影响焊缝及HAZ的组织和性能。随着焊接热输入的增加，焊缝及HAZ的温度梯度减小，冷却速度降低，导致晶粒长大和相变过程的变化。在连续激光焊接中，热输入通常通过调整激光功率、焊接速度和光束直径等参数来控制。而在脉冲激光焊接中，除了这些参数外，还可以通过调整脉冲能量、脉冲持续时间和脉冲频率等参数来控制热输入。

研究表明，随着焊接热输入的增加，HAZ中的粗晶区、细晶区和回复再结晶区的组织形态和性能均发生变化。粗晶区以交错网状长条状铁素体组织为主，韧性较好；细晶区以细小的多边形铁素体为主，韧性次之；回复再结晶区没有发生明显相变，晶粒略有长大，与母材组织相近。同时，随着热输入的增加，这些区域的韧窝尺寸逐渐减小，深度逐渐减薄，冲击韧性逐渐下降。

HAZ裂纹的形成机理

HAZ裂纹的形成与焊接过程中的热应力、组织变化及液态金属的填充行为密切相关。在激光焊接过程中，焊缝及HAZ经历快速加热和冷却过程，导致热应力和组织应力的产生。当这些应力超过材料的强度极限时，就会产生裂纹。

HAZ裂纹主要分为凝固裂纹和液化裂纹两种类型。凝固裂纹是在焊缝凝固过程中产生的，由于液态金属的填充不足或凝固速率过快，导致固相骨架之间产生空隙，进而形成裂纹。液化裂纹则是在焊接热循环作用下，HAZ中的某些区域发生再结晶或相变，导致晶界弱化，进而在热应力作用下产生裂纹。

焊接热输入对HAZ裂纹的影响

焊接热输入对HAZ裂纹的影响主要体现在两个方面：一是影响HAZ的组织形态和性能，从而改变裂纹的形成条件；二是影响焊接过程中的热应力和组织应力，从而直接影响裂纹的产生。

随着焊接热输入的增加，HAZ中的粗晶区和细晶区的晶粒尺寸增大，韧性下降，使得裂纹更容易在这些区域产生。同时，热输入的增加还会导致焊接过程中的热应力和组织应力增大，进一步加剧了裂纹的产生。此外，焊接热输入还会影响液态金属的填充行为，从而影响凝固裂纹的形成。当热输入过大时，液态金属的凝固速率过快，液相回填能力不足，容易导致凝固裂纹的产生。

优化焊接热输入以抑制HAZ裂纹的措施

为了抑制激光焊接HAZ裂纹的产生，可以从优化焊接热输入的角度出发，采取以下措施：

• 合理控制激光功率、焊接速度和光束直径等参数，以降低焊接热输入。


• 在脉冲激光焊接中，通过调整脉冲能量、脉冲持续时间和脉冲频率等参数，实现更精确的热输入控制。


• 采用预热或复合热源等方式，降低熔池的冷却速度，给到液相充分的时间填满固相之间孔隙，避免裂纹产生。


• 优化焊缝形状和尺寸，减小焊缝宽度，降低回填距离，从而减少裂纹的产生。


• 选择合适的焊接材料和焊接工艺，以提高材料的抗裂性能。

结论

激光焊接HAZ裂纹是影响焊接质量的关键因素之一。焊接热输入对HAZ裂纹的形成具有重要影响。通过合理控制焊接热输入、优化焊缝形状和尺寸以及选择合适的焊接材料和工艺等措施，可以有效地抑制激光焊接HAZ裂纹的产生，提高焊接件的质量和可靠性。