深熔焊接窄熔池形状缺陷的研究

　　目前，激光束焊接是许多工业应用中广泛使用的一种连接技术。这主要是由于其许多独特的优势，特别是与传统的电弧焊接工艺相比。这些优点包括高度集中的能量沉积，低总热输入和深入材料的能力，同时只造成很小的焊接变形。同时，激光光斑的小尺寸、高凝固率和焊池本身的小尺寸会引起工件的装配公差，热裂纹现象以及由键孔引起的气泡从熔体中逸出等问题。

　　激光束焊接中的熔池形状在熔体中的主要驱动力（如反冲压力和表面张力）的作用下，在外部自由表面延长，而在熔池的内部区域缩短。这导致从内部区域到自由表面形成了有规律的凝固顺序，例如在部分熔透焊接中从底部到顶部。然而，来自德国联邦材料研究与检测研究所（BAM）的研究人员通过实验和数值研究发现，可能会出现内部变窄现象，这种现象通常伴随着更深区域的焊缝明显凸起（见图1）。

　　由于在这个过程中，熔体的内部行为很难通过光学手段获得，因此建立数值模型和实验技术，以可视化鼓起和变窄现象的形成机制，对揭示其对凝固顺序、孔隙形成和填充金属稀释的影响，会有所帮助。

　　结果

　　研究团队描述的非典型熔池形状可以在图1b 和1c 中看到，10mm 厚的AISI 304 使用1.1mm 厚的NiCr20Mo15 填充焊丝进行焊接。熔池上部区域由切向马兰戈尼力主导，由于较热的匙孔区域和熔池后部相对较冷的区域之间的温度梯度较高，导致了伸长现象。因此，在匙孔的正后方形成了顺时针方向的涡流。相反，在熔池底部区域，由于激光能量的强烈局部吸收，熔体流动由蒸发过程主导。

　　激光能量经历了多次反射事件，每次都将部分射线能量转移到熔体中，最终导致蒸发引起的反冲压力的不连续分布和不稳定的锁孔特征。那里的主要涡流方向是逆时针的。与上层焊池区域的流动方向相结合，在焊池的一半深度左右形成一个狭窄区。在这个缩颈区，由于那里的温度梯度相对较低，所以粘稠区变得异常厚。特别是在6 毫米以上的较高焊接试样厚度中，可以观察到这种现象。焊缝中间区域的这种变窄现象导致了凝固顺序，与部分渗透焊接中从底部到顶部、从侧面到焊缝中心的标准凝固方向不同（见图2a）。凝固首先发生在焊池中间，留下顶部和底部的液体区域。

　　底部剩余的熔体不能平衡凝固过程中产生的拉伸应变，这大大增加了局部对热裂纹的敏感性。注意这里剩余液体的相应位置在图2a 中的凝固序列中的相应位置，以及图1b 和1c 中的凸起。

　　在对不同奥氏体不锈钢等级和非合金结构材料的研究中，以及对不同的板厚、全穿透和部分穿透情况，以及对不同的光纤和圆盘激光系统的焊接，都可以观察到类似的现象。

　　熔池变窄的另一个后果是对流场的直接阻挡作用。数值结果表明，对熔体均匀混合至关重要的垂直流速，显著降低。因此，液态填充金属从顶部进入焊接过程，例如由冷丝带入，不能到达焊池的底部区域。

　　焊池中的狭窄区域对最终焊缝中的剩余气孔也有不利的影响。如前所述，匙孔的尖端往往通过周期性的塌陷和重新打开而产生气泡。当这些气泡的逃逸路线被阻断时，它们就会相应地被困于焊池下部的凸起区域，从而使它们到达焊池表面的机会大大降低，成为剩余的气孔，见图2c。

　　熔体中不同再循环区之间的边界导致糊状区的扩展，从而导致不典型的凝固序列。因此，由于剩余的局部液体区域对张力的抵抗力较低，因此可以引发热裂纹的形成。

　　变窄的另一个影响是，通过堵塞垂直流动路径，在焊缝厚度方向上添加的填充焊丝不均匀混合，导致最终焊缝的机械性能恶化。研究还表明，这种堵塞不仅降低了稀释填充材料到达较低熔池区域的能力，而且由于小孔尖端的不稳定性，气泡也会被截留，然后在凝固过程中被冻结为孔隙。

　　由于观察结果特别是在6 毫米以上的厚度范围内进行的，我们的结论可能特别适用于石油和天然气、造船和航空航天行业的焊接应用，以及厚壁管道或起重机结构的焊接。所研究的影响可能导致焊接缺陷，这些缺陷在加工过程中无法通过光学手段获得，并可能在后期导致部件故障。