將鋼材列為輕量化材料，似乎有些不妥。但通過選擇合適的合金成分和加熱,可以定制鋼材的機械屬性，在這一點上，鋼材超越了幾乎所有其他材料，具有巨大的應(yīng)用潛力。例如可以用高強度鋼制造更小、更輕、更薄的部件，與那些用 常規(guī)鋼制成的更厚、更重的部件相比，能夠吸收與其相同的能量。但與此時，因為受到容易開裂的影響，這些材料對連接工藝造成了很大的挑戰(zhàn)。尤其是軸對稱的圓形部件——傳動裝置中齒輪和軸的連接便是一個典型的示例。

 

在連接過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一個特定的問題：在焊縫末端，需要降低激光率，以防止形成末端焊疤。這些裂紋會降低焊縫在運行情況下的長期強度，因此無法達(dá)到 DIN EN ISO13919 標(biāo)準(zhǔn)。

 

熱裂紋和冷裂紋

目前避免冷裂紋的常用方式有兩種。一種是在焊接中添加另一種材料作為填充焊絲，改變局部合金成分。另一種是將部件預(yù)熱到一定的高溫。這兩種方法的原理都是減少焊縫中產(chǎn)生的馬氏體（一種高硬度的鋼材成分），因為過多的此類晶體結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致高度硬化，并因體積的膨脹而使連接區(qū)產(chǎn)生較大的張力。

 

相反，熱裂紋的成因是由于部件中合金成分、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及焊縫位置之間復(fù)雜的相互影響。此外，決定工件熱負(fù)荷的焊接工藝參數(shù)也會對其造成影響。焊接工藝中的熱裂紋是在液態(tài)金屬固化過程中形成的，也就是在冷卻過程中形成的。材料會同時受到壓力和張力的影響，并沿晶界（內(nèi)結(jié)晶）出現(xiàn)破裂，其中部分顯示出低熔點相累積。

 

熱裂紋很小，通常不超過數(shù)毫米。這項研究專注于實際熔覆中形成的熱裂紋。這些固化裂紋通常深埋于表面之下，難以檢測。與冷裂紋相比，熱裂紋通過掃描電子顯微鏡（SEM）可以看到自由固化的樹突表面（見圖1）。

圖1：掃面電子顯微鏡下可見自由固化樹突表面，這是熱裂紋的典型特性。

 

匙孔是關(guān)鍵

 

在深熔焊接中，焊接的能量傳遞發(fā)生在激光束汽化材料的過程中。產(chǎn)生的汽化壓力會形成深入的充滿蒸汽的孔洞，也就是匙孔。由于匙孔本身的動態(tài)特性,當(dāng)沿著焊縫推進(jìn)時，激光束產(chǎn)生的熔融材料在熔池內(nèi)發(fā)生流體運動。熔融的金屬在匙孔周圍流動。使熔池后部產(chǎn)生渦流，從而影響熔池的三維幾何結(jié)構(gòu)。匙孔、熔體流動、熱裂紋這三者的關(guān)聯(lián)在于：匙孔、熔體流動、熱裂紋存在一個周期性，而這個周期就是匙孔的震蕩頻率和熔池形成相對應(yīng)熱裂紋的頻率。

 

反之亦然，也就是說，熔池渦流和焊池幾何結(jié)構(gòu)會受到匙孔能量傳遞方式的影響。有多種測量技術(shù)可用于這些熔池運動的分析。最新開發(fā)的一種方式是：通過創(chuàng)建焊接池中流體現(xiàn)象的中值圖像，獲取流體運動的足跡。這項技術(shù)在熔池中引入了其他微粒，并借助X光觀察和追蹤其軌跡，以收集流動情況的信息?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焦點位置移動一個瑞利長度時，熔池上部渦流的旋轉(zhuǎn)方向就會發(fā)生逆轉(zhuǎn)（見圖2）。與此同時，他們還發(fā)現(xiàn)，同樣的焦點位置移動會降低熱裂紋敏感性。

 

因此，他們使用熱力模擬，分別檢測改變后的流動現(xiàn)象與改變后的熔池幾何結(jié)構(gòu)和減少裂紋形成這兩者之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著熔池幾何結(jié)構(gòu)的變化，最大應(yīng)變位置和焦點位置都發(fā)生了移動，這些發(fā)現(xiàn)可用于改變熱裂紋的形成條件。因此，要避免熱裂紋，唯一要做的就是在流動特性上施加足夠大的影響，以改變?nèi)鄢氐膸缀谓Y(jié)構(gòu)。

研究人員提出了多種方案用于改變能量傳遞到匙孔的方式。一種方法是在不同的聚焦條件下，使用不同亮度（光束參數(shù)乘積2~24 mm*mrad）的激光。在另一種方法中，科學(xué)家研究了同等光學(xué)和力學(xué)邊界條件下，激光波長（1.03 μm和10.6 μm）的影響。遺憾的是，這些方法都失敗了。在這兩種方法中，團(tuán)隊都成功改變了裂紋的形式和特性，但不能完全消除裂紋。他們還發(fā)現(xiàn)，一旦提高焊接速度，裂紋敏感性就會大幅提高。

圖2：流體動態(tài)隨著焊接時焦點位置的移動而改變。

 

 

雙重突破

防止裂紋的第一種方法是雙光束焊接，將主光束的輸出功率以72:28的比例分配給初級和次級光束。只要兩道光束是一前一后，也就是次級光束緊跟初級光束，且次級光束對準(zhǔn)兩道光束共享熔池的特定點，就能完全避免開裂。但這需要根據(jù)具體的熔池長度調(diào)整間距，而這取決于所選激光的輸出功率。

 

第二種技術(shù)是使用時間調(diào)制激光束進(jìn)行焊接。通過慎重選擇連續(xù)調(diào)制振幅，無論何種焊接深度和速度，都可以在廣泛的調(diào)制頻率范圍內(nèi)完全避免開裂。對熔池流動特性及其幾何結(jié)構(gòu)的分析顯示，時間調(diào)制功率可以產(chǎn)生顯著的影響。還可以在焊接過程中進(jìn)行熔池長度波動熱力表面測量，并大幅減少此類波動。由此產(chǎn)生的可測量參數(shù)，可用于監(jiān)控和穩(wěn)定流程。在真實部件上進(jìn)行的一系列測試都證明這種方法擁有巨大潛力，有助于在未來高強度鋼材的焊接中消除裂紋。