来自华威大学研究人员在Materials & Design国际期刊上发表了Tailing and axisymmetric static laser beam shapes to steer microstructure and improve mechanical properties of autogenously laser welded AA6082 alloy。

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论文导读

铝合金6xxx系列因其轻质、高强度、良好的成形性和耐腐蚀性，在航空航天、汽车和交通运输领域具有广泛的应用。然而，这些合金在激光焊接过程中容易出现凝固裂纹，主要是由于其高热膨胀系数、低熔点共晶相（如Mg₂Si）的存在以及快速凝固速率导致柱状晶粒的形成。这些因素增加了裂纹的敏感性。传统的激光焊接方法（如填丝激光焊接）虽然可以改善焊缝的微观结构和力学性能，但存在系统复杂性高、焊接速度受限等问题。因此，研究者们希望开发一种全自熔（autogenous）且非接触的激光焊接技术，通过精确控制熔池形态、热梯度、冷却速率和凝固晶粒结构来减少凝固裂纹。本文通过结合多物理场CFD模拟和实验观察，研究了尾随和轴对称激光光束形状对AA6082铝合金焊缝微观结构和裂纹抑制的影响。

Laser & Electron Beam Processing

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论文概述

本文研究了激光光束整形技术在AA6082铝合金自熔激光焊接中的应用，重点探讨了尾随和轴对称光束形状对焊缝微观结构和机械性能的影响。研究分为两部分：实验部分和数值模拟部分。实验中，使用可调环形模式（ARM）光纤激光系统，研究了两种光束形状：（1）四种不同环径和功率的轴对称光束；（2）一种具有3mm延长尾部的尾随光束。通过金属微观结构分析和力学性能测试，评估了不同光束形状对焊缝质量的影响。数值模拟部分，开发了一个三维多物理场模型，用于分析不同光束形状下的熔池流动、热传递和凝固行为。研究结果表明，增加环形光束直径可以显著降低热梯度，减少裂纹形成，并提高焊缝的抗拉强度。尾随光束形状通过扩大熔池和延长激光-材料相互作用时间，进一步降低了热梯度，细化了晶粒尺寸，显著提高了焊缝的韧性和强度。

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图文解析

图1展示了不同光束形状对焊接熔合区的宽度和形状有显著影响：LBS#1由于热输入集中，焊缝较窄；LBS#2和LBS#3因环形直径更大，顶部熔合区宽度增加，其中LBS#2的熔合区更均匀，得益于更高的环形光束功率；LBS#4和LBS#5顶部宽度差异明显，而焊缝底部形状相对一致，呈V形；LBS#6因尾部强度分布延长，延长了激光-材料相互作用时间，熔合区呈针状。

图1. 模拟和实验横截面数据的比较，包括测试的光束形状及其各自的焊缝横截面。

图2展示不同光束形状对激光焊接过程中的熔池形态和流动特性产生显著影响。LBS#1由于较小的光斑和无外环热量输入，导致最窄的熔池，而较大直径的环形光束（如LBS#2至LBS#5）则使熔池宽度和长度增加，能量分布更广。LBS#6通过较高的横向热传导，产生椭圆形熔池，有助于均匀分布热收缩应变，从而减少裂纹风险。速度场分析表明，马兰戈尼力和反冲压力对熔池形态和流动影响显著，LBS#1中小孔不稳定可能导致裂纹，而LBS#3、LBS#5和LBS#6则通过减缓流动和反冲压力增强焊接过程的稳定性，减少裂纹生成的风险。

图2. 实验和高速相机图像以及不同光束形状的数值模型之间的顶面熔池形态。

图3显示了不同光束形状下熔合区晶粒的变化。熔合区分为两部分：Zone1具有较小的晶粒，易受高冷却速率和热应力影响，可能导致裂纹；Zone2晶粒较粗。LBS#1的晶粒为141.23µm，LBS#2增加环形光束功率后增至145.67µm，LBS#3功率降低则晶粒减小至119.46µm。增大环形光束直径（LBS#4到LBS#5）使晶粒进一步减小，而LBS#6通过均匀的热梯度细化晶粒至89.36µm。总体来看，光束形状对晶粒大小和热梯度有显著影响。

图3. 使用不同光束形状生成的焊缝横截面的EBSD图。

图4显示了焊接样品的拉伸强度和断口分析。LBS#1的拉伸强度最低，因中心线裂纹导致失效。LBS#2和LBS#3抗拉强度较为相似，平均为234MPa，而LBS#4和LBS#5的强度逐渐增加至263MPa，熔合区的延展性也提高。断口分析表明，中心线裂纹导致脆性失效，LBS#6则在母材附近发生失效。

图4. 通过测试梁形状获得的UTS和UTS处的拉伸应变的比较。

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总结

本研究探讨了激光束整形对AA6082合金激光焊接过程中熔池流动场和凝固显微结构的影响，旨在防止凝固裂纹。研究发现，采用环形激光束可以增强关键孔和熔池流动的稳定性，特别是当环形直径为1200µm时，减少了约75%的流动速度，有助于降低热梯度。随着环形直径增大，固化速率提高，晶粒尺寸减小，拉伸强度增加。相比之下，增加环束强度会导致较粗的晶粒结构并增加热应力，从而产生中心线裂纹。而尾形束（LBS#6）通过延长后端熔化，降低了流动速度，稳定了熔池，促进了等轴晶核的生成，并提高了焊接接头的延展性和拉伸强度。尽管尾形束能够改善焊接质量，但其需要较高的功率输入，未来的研究将着重于能效、成本效益和热变形的优化。

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