高強鋼激光焊接凝固裂紋研究現狀

韓鵬薄，黃瑞生，李小宇，楊義成，孫靜濤

(哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱 150028)

0 前言

高強鋼具有減輕結構重量、強度高、塑韌性好等優點，隨著工業技術的發展，中厚板高強鋼在造船、建筑、機械制造及壓力容器制造等行業中的應用非常普遍。焊接是高強鋼推廣應用中的重要加工手段，提高中厚板高強鋼的焊接效率一直是工程技術人員所追求的目標。目前針對中厚板焊接發展了多種高效電弧焊接技術，主要有用于T.I.M.E.，A-TIG，熱絲TIG、窄間隙埋弧焊、多絲焊、機器人雙面雙弧焊等，但是上述的焊接技術共同存在坡口尺寸大、焊接速度慢、熱輸入高、變形應力大、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廣泛用于中厚板高強鋼的焊接[1-3]。

長期以來，高強鋼的冷裂敏感性是大家關注的主要問題，但是研究發現，高強鋼在激光焊接中出現了熱裂紋，并以凝固裂紋為主，從而影響焊接構件的服役周期。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動力的大小，凝固裂紋阻力是高溫下焊縫金屬的塑性，凝固裂紋驅動力是焊接熔池的凝固收縮及外部拘束作用下產生應力-應變，當拉伸應變大于焊縫金屬在該溫度時的塑性時，凝固裂紋就會產生[4]。激光焊接技術形成的高深寬比的熔池幾何形狀和焊接過程復雜的物理現象導致的凝固裂紋與傳統焊接技術產生的差異較大，因此，應從不同于傳統弧焊角度去揭示凝固裂紋的產生原因。目前德國、日本等國家相關學者對高強激光焊凝固裂紋研究較為深入，而國內對高強鋼激光及其復合焊凝固裂紋的產生研究尚少，對其產生機制未展開深入討論。文中對國內外高強鋼激光焊接中的凝固裂紋研究進行綜述，為后續研究凝固裂紋形成機制及抑制措施提供一定思路，從而對高強鋼的優質高效焊接提供一定的指導作用。

1 高強鋼激光焊凝固裂紋特點

對于中厚板高強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-電弧復合焊接等，根據文獻報道不同學者采用上述焊接方法焊接高強鋼時均發現了凝固裂紋。

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，其最大熔深對激光功率的依賴呈現近指數增加。近年來，萬瓦級高功率激光焊接已成為國內外熱門的前沿焊接技術之一，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，從而降低層間清理次數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質焊接技術優勢[5]。隨著研究的深入，裂紋問題得到各國學者的關注，Nielsen[6]和Nasim等人[7]及Matsuda等人[8]均發現高功率激光自熔焊接厚板時形成的深窄焊縫中產生了凝固裂紋,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。

圖1 高強鋼激光自熔焊中形成的凝固裂紋

趙琳等人[9]在研究10 kW光纖激光焊接中也發現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，將窄間隙技術與激光焊接相結合，在降低焊縫填充量的同時提高焊接效率、改善焊接質量、降低接頭變形和殘余應力，能夠滿足大型厚壁構件低應力和高質量的焊接要求[10]。早在1992年Philips等人[11]對HY80和HY100高強鋼進行窄間隙激光熱絲單道焊，激光功率為15 kW，發現焊縫頂部出現凝固裂紋。Phaoniam等人[12]采用熱絲焊9Cr1Mo鋼時裂紋也出現在焊縫中心靠近頂部，如圖2[12]所示。張益文[13]和曹浩[14]在高強鋼窄間隙激光填絲過程中出現了相似的情況。

圖2 高強鋼窄間隙激光填絲焊中形成的凝固裂紋

1.3 激光-電弧復合焊中的凝固裂紋

激光-電弧復合焊是將激光和電弧2種不同的熱源復合，既發揮了2種熱源的優勢，又彌補了各自的不足，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勢，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-電弧復合焊接高強鋼時同樣出現了熱烈紋，Gebhardt等人[16]在焊接15 mm厚高強鋼S460NH管壁時產生中心線凝固裂紋，出現在焊縫底部寬度局部增加的區域。Bakir等人[17]也做了與Gebhardt等人相似的研究，在焊縫底部發現了縱向裂紋，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-電弧復合焊接X70鋼時發現熱裂紋問題，不同的是裂紋出現在焊縫截面中部，如圖4所示[18]。

圖3 不同送絲速度下S690QL激光-電弧復合焊的凝固裂紋

圖4 X70激光-電弧復合焊產生的凝固裂紋

上述研究表明：高強鋼激光及其復合焊中出現的凝固裂紋并不是偶然現象，其產生位置和形貌各不相同，情況復雜，同時又具有一定的規律性，均處于焊縫中心線上。

2 高強鋼激光焊凝固裂紋形成機制

為進一步了解激光焊接凝固裂紋的形成機制，國內外學者研究了化學成分、熔池幾何形狀、焊接參數、拘束度等對冶金與力學因素的影響，特別是對焊縫幾何特征與凝固裂紋關系進行了較為深入的研究。

2.1 化學成分對凝固裂紋的影響

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的發展應用，高強鋼中的雜質元素越來越少，但對于某些碳含量高、合金元素含量多的高強鋼，由于激光焊接快速冷卻使焊縫凝固時元素偏析趨勢更加明顯，即使在相對較低的濃度下，雜質也會導致碳鋼和低合金鋼嚴重開裂，其熱裂紋是焊接工藝中的難題。

張甫[19]與Lei等人[20]分別采用激光-MAG 復合焊接42CrMo和30CrMnSiA環形焊縫時發現凝固裂紋，兩者裂紋斷面上C，S，P 偏聚程度遠高于其他位置，確定焊接中的凝固裂紋是由 C，S，P 偏聚形成低熔點的液態薄膜加上焊接熱應力直接作用于結晶面上拉開液膜形成裂紋。

Pineda Huitron等人[21]在分析結構鋼激光焊凝固裂紋時認為由于激光焊接過程中的快速加熱和冷卻，沒有足夠的時間在凝固過程中通過擴散形成沉淀物，也沒有足夠的時間在加熱循環過程中溶解現有的沉淀物，這些沉淀物會產生應力集中從而作為裂紋形成的位置。

2.2 熔池幾何形狀對凝固裂紋的影響

20世紀80年代早期Irie等人[22-23]對深穿透電子束焊接的研究證明了熔池形狀對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，熔合線在焊接的后方方向上會明顯凹入，導致凝固的局部延遲，從而產生縱向裂紋。由于激光焊接會產生與電子束相似的熔池,近些年來一些學者針對激光及激光復合焊接中的熔池形狀與凝固裂紋的關系進行了較為深入的研究。

對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”焊縫的形狀對激光焊接SNCM 420高強鋼熱裂紋的影響。通過試驗和計算得出當焊縫截面越接近“酒杯形”時越不容易出現裂紋，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[9,18]研究表明凸起造成了該區域的延遲凝固和應力集中，共同促進了凝固裂紋產生。2014年Barbetta[18]研究了高功率激光電弧復合焊接X70鋼中凝固裂紋形成機理，發現凝固缺陷與熔池凸起有很強的相關性。每一個凝固缺陷都出現在熔池的凸起區，凸起角度定義如圖5[18]所示，其數值越大表示焊縫凝固裂紋敏感性越大。

圖5 凸起角度β的定義

德國聯邦材料與測試研究所(BAM)和柏林工業大學Artinov等人近些年來一直在進行高功率激光焊接技術及數值模擬方面的研究，他們在Barbetta研究的基礎上對高功率激光焊接S355鋼中熔池深度的中部出現的凸起區域及其時間演變進行觀察，如圖6[24]所示，建立熱源模型[25]、獲得穩定熔池形狀[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動引起上表面和下表面的熱毛細流動形成的，并指出觀察到的熔池形狀對凝固過程中的時間相關和局部應力分布有顯著影響，從而影響凝固裂紋的形成[27]，為進一步研究了凸起部分對激光焊接厚壁結構凝固裂紋的影響，采用拉梅曲線獲得三維熔池界面[28]建立結晶模型獲得擴散和宏觀偏析情況，指出凸起部分會導致該區域的凝固行為延遲、產生最大拉應力、增加了S元素的偏析，進而促進高功率激光焊接中熱裂紋的產生[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定性引起了熔池后部凝固前沿形狀的變化，導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。

圖6 高功率激光焊接中觀察到的凸起

圖7 熱-流體動力學模型的結果

圖8 焊縫截面P1, P2和P3位置處橫向水平應力隨時間分布

Gebhardt等人[30]同樣關注到焊接形成的凸起部分，他同樣發現凸起區域出現應力集中且為拉應力。另外在未熔透焊模型的焊縫根部，應力集中是由于焊縫下面的冷而硬的金屬材料對焊縫的收縮產生阻力而引起的，這能夠解釋在焊縫根部出現的凝固裂紋。同樣在2014年Wiklund等人[31]針對低合金高強鋼S420進行高功率激光電弧復合焊接，主要研究了凝固裂紋與其周圍焊縫和熱影響區橫截面的幾何特征之間的關系。如圖9[31]所示，得出當焊縫和熱影響區界面傾角較大時，一般不出現裂紋，圖9d上半部分，并認為橫截面和熱傳導的幾何特征可以作為產生或抑制熱裂紋的指標，并且比應力場等更容易評估和優化。這與Bakir等人[17]在2020最新研究結果一致，并給出2點原因，一是因為認為焊縫的側角越大，越有利于雜質浮到焊縫表面，二是焊縫中寬度增加減小了熱應力從而降低了裂紋傾向。

圖9 不同焊接條件下的焊縫截面

由于激光焊能量集中，會產生大的深寬比，有文獻研究了窄間隙激光填絲焊深寬比對熱裂紋形成的影響，Philips等人[11]在對高強鋼進行窄間隙激光熱絲單道焊時認為促進凝固裂紋的因素可能是的高深寬比的焊縫上產生相對較高的應變。Phaoniam等人[12]采用同樣方法焊接9Cr1Mo鋼，研究得出當焊縫深寬比在0.6～1.2之間，會出現凝固裂紋，深寬比大于1.5左右反而不容易出現裂紋，通過三維有限元方法進行了焊縫熔池凝固時的應變計算，計算結果表明焊縫中心靠近表面處應變最大，與實際出現裂紋位置相符。

以上研究表明熔池幾何形狀對激光焊中產生的凝固裂紋有很大影響：一是凸起部分會導致凝固延遲，應力集中，雜質元素的偏析促進裂紋的形成。二是不同的深寬比同樣會影響焊縫凝固過程中的應力狀態，一般認為加大深寬比增大裂紋敏感性。

2.3 焊接參數對凝固裂紋的影響

激光焊主要的焊接參數有焊接速度、激光功率、光絲間距、送絲速度、離焦量等，這些參數影響焊接過程中應力狀態與液態金屬凝固行為，進而影響熱裂紋的形成。文獻研究表明[7,9,13,16-17,32-33]:當焊接速度、激光功率、固體激光器離焦量增加，送絲速度減少時會增加凝固裂紋敏感性。

Schuster等人[34]在研究13 mm厚的低合金高強鋼 S355N激光焊接工藝時指出當焊接速度高于0.8 m/min時，接頭裂紋多為焊縫中心縱向裂紋。在裂紋表面觀察到規則樹枝晶排列特征，認為激光焊縫的冷卻速度超過結晶生長速度時，凝固過程在樹狀晶相互交叉連接時完成，在樹枝晶之間形成空隙，從而形成裂紋。

Matsuda等人[8]研究了焊接參數對SNCM 420高強鋼焊縫橫截面裂紋總長度影響，隨著焊接速度、激光功率及離焦量的增加，裂紋總長度數量也不斷增加，并且在熔深保持不變的情況下也得到相同的規律。Gebhardt等人[16]采用激光-MAG復合焊工藝對超過10 mm厚度的S460NH厚壁管進行了未熔透焊接試驗，研究了焊接參數對凝固裂紋形成的影響。試驗結果表明:送絲速度減少和激光功率增加都會顯著增加裂紋數量而焊接速度的影響不明顯，與張益文[13]所得結果一致。文獻[18]對S690QL厚壁高強度鋼進行了激光復合焊接試驗，還表明在相同的臨界約束強度下，焊接速度的降低、離焦量的減小、送絲速度增加均會使焊縫根部裂紋數量顯著減少。

Schaefer等人[32,35]從發現42CrMoS4高強鋼激光深熔焊中出現熱裂紋后，持續研究了焊接工藝參數如激光功率、焊接速度、離焦量等對裂紋形成的影響。從 X射線無損探傷圖來看熱裂紋表現出一種明顯的周期性，并定義累積裂紋長度為各段裂紋的長度之和與焊縫長度的比值。試驗結果表明累積裂紋長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估特征熔體流動，發現焦點位置會對熔體流動特性產生顯著影響，進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裂紋長度的影響，對于CO2激光器來說，隨著離焦量的增大，裂紋長度減少，有趣的是對于固體激光器來說得到是相反的結果，趙琳等人[9]和Bakir等人[17]采用固體激光器焊接所得結果可以證實。

焊接工藝參數對凝固裂紋的影響實質上也是通過改變力學與冶金因素，但是可以發現無論改變哪種工藝參數，宏觀上表現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生的判據值得進一步深入研究。

2.4 拘束度對凝固裂紋的影響

從近些年來的研究工作來看，人們普遍認為凝固開裂是由于糊狀區液膜的拉伸斷裂造成的，因此，臨界應力、應變或應變率經常作為熱裂紋形成的標準。不同學者對力學因素方面進行了研究。

Matsuda等人[8]研究了約束條件下和無約束條件下對SNCM 420高強鋼激光焊縫橫截面裂紋總長度的影響，結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激光功率零對接間隙焊接15 mm厚高強度S690QL，得到與Matsuda相似的結果，隨著約束強度的增加會導致更高的熱裂紋敏感性，主要表現在裂紋數量和長度的增加。陳根余等人[37]以應變率與裂紋產生的密切關系為出發點研究了42CrMo環形焊縫接頭處凝固裂紋的產生，結果同樣表明裂紋與焊接過程應變率有很大相關性，應變率較小的工藝裂紋明顯減少。

3 高強鋼激光焊凝固裂紋防止措施

目前防止凝固裂紋的產生措施應從冶金和焊接工藝兩方面考慮。

3.1 冶金方面

S，P等雜質元素對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]激光電弧復合焊接42CrMo時，將坡口改為 U，V 結合形式，以降低打底焊中母材稀釋率并且更換為低S，P和抗熱裂熱強性好的焊絲，有效防止了凝固裂紋的產生。

3.2 工藝方面

Petzet等人[38]采用多激光束使出現熱裂紋的固液區呈現壓應力來防止焊接中的熱裂紋。曹浩[14]通過調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生。Phaoniam等人[13]在窄間隙熱絲焊中還發現在較高的深寬比下，表現出比其它深寬比更低的高溫應變，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間調制來減少鋼中凝固裂紋的形成，焊接速度在特定調制頻率范圍內可以完全防止熱裂紋產生。

4 結束語

(1)激光焊接具有能量密度集中、大熔深等優勢，是實現中厚板高強鋼高效優質焊接的先進工藝方法。但是激光及其復合焊易產生凝固裂紋，其產生與大深寬比、熔池的凸起部分有密切關系。

(2)目前國外對于高強鋼激光焊接中凝固裂紋形成機制的研究采用定性和定量相結合的方法，發現熔池的凸起部分會導致該區域的凝固行為延遲、產生最大拉應力、增加了S等元素的偏析，一定的深寬比會增大不同位置的應力-應變，均提高了凝固裂紋敏感性。而國內對此研究較少，大部分研究仍處于定性階段。凸起部分產生原因及與凝固裂紋之間的關系需進一步深入研究。

(3)在高強鋼激光焊接應用中應重點關注焊縫形狀與凝固裂紋之間的關系，焊縫形狀反映了冶金、力學、工藝三者之間的相互作用；再通過采用數值模擬手段模擬熔池溫度場、流場、應力場明確裂紋形成機制；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。