激光焊接过程中HAZ裂纹的产生与演化

激光焊接作为现代工业中一种高效精密的焊接方法，凭借其高能量密度的激光束作为热源，在微、小型零件的焊接领域展现出了独特的优势。然而，在激光焊接过程中，热影响区（HAZ）裂纹的产生一直是影响焊接质量和产品性能的关键因素之一。本文将深入探讨激光焊接过程中HAZ裂纹的产生机理与演化过程，以期为预防和控制这类裂纹提供有益的参考。

一、激光焊接原理及HAZ定义

激光焊接是利用激光束作为热源，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化并形成特定的熔池，从而实现材料的连接。在激光焊接过程中，热影响区（HAZ）是指受到焊接热作用但并未熔化的区域，其组织和性能往往因受到高温热作用而发生显著变化。

二、HAZ裂纹的类型及产生机理

（一）热裂纹

热裂纹是激光焊接过程中最常见的一种裂纹类型，主要出现在焊缝的起始和终止位置以及截面变化较大的区域。热裂纹的形成与焊接时局部高温导致的热应力密切相关。在激光焊接的高温和高热输入环境下，焊接材料不可避免地会产生热变形和残余应力的积累，进而引发裂纹的产生。热裂纹可进一步细分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹。

• 结晶裂纹：形成于焊缝结晶过程中，因凝固金属的收缩导致残余液体金属不足，无法及时填充，从而在应力作用下沿晶界开裂。
• 液化裂纹：主要出现在多层多道焊的前序焊道或热影响区固态金属内部晶界附近。在加热过程中，由于化学元素低熔点组分的偏析或晶界存在低熔点共晶相，这些区域的晶界会优先熔化。在冷却过程中，液态薄膜不足以支撑收缩应力的作用而被拉开，从而产生裂纹。
• 多边化裂纹：在高温时塑性降低的情况下，由于多边化过程引发。这种裂纹相对较少见。

（二）再热裂纹

再热裂纹通常出现在焊缝附近的热影响区，其产生原因与材料在高温下的性能变化密切相关。这类裂纹多出现在低合金高强钢、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金以及部分奥氏体不锈钢等材料的焊接热影响区。再热裂纹的形成既与焊接材料本身的性能有关，也受到焊接工艺及后续加工流程的共同影响。

（三）冷裂纹

冷裂纹主要在焊接过程中或焊后立即出现，其产生与氢致开裂密切相关。这类裂纹常常出现在焊接完成后，特别是在厚度较大的焊接件中，冷却过程中更易出现。冷裂纹主要出现在高、中碳钢以及低、中合金钢的焊接热影响区，但某些金属如超高强钢、钛及钛合金等，其焊缝中有时也会出现冷裂纹。

三、HAZ裂纹的演化过程

HAZ裂纹的演化过程是一个复杂而多变的过程，涉及多个因素的相互作用。在激光焊接过程中，焊接温度、焊接速度、焊接电流等工艺参数都会对HAZ裂纹的产生和演化产生影响。同时，母材的化学成分、晶粒尺寸、晶界特征等也会对裂纹的演化产生影响。

随着焊接过程的进行，焊缝及热影响区的温度逐渐升高，金属组织发生相变，产生热应力和残余应力。当这些应力超过材料的强度极限时，就会引发裂纹的产生。裂纹一旦产生，就会在应力的作用下不断扩展，直至形成宏观可见的裂纹。

在裂纹扩展过程中，裂纹尖端会发生塑性变形和微观组织的演变，进一步影响裂纹的扩展速度和方向。同时，裂纹扩展过程中还会受到周围材料的约束和阻碍，导致裂纹形态和扩展路径的复杂化。

四、预防措施

为了有效预防激光焊接过程中HAZ裂纹的产生和演化，需要采取一系列措施。

• 合理控制激光焊接的工艺参数，确保焊接过程均匀受热，降低热应力。
• 选用合适的焊材和预热处理，提高材料的抗裂性能。
• 在选材时优选细晶粒钢，降低裂纹产生的风险。
• 采用较小的线能量、较高的预热温度，并辅以后热措施。
• 严格控制焊缝中的含氢量，减少氢致开裂的可能性。
• 加强材料预处理，确保焊接前表面干净无杂质。
• 设计合理的焊缝结构，优化焊接路径，减少不必要的应力集中。

综上所述，激光焊接过程中HAZ裂纹的产生与演化是一个复杂而多变的过程，涉及多个因素的相互作用。通过深入了解裂纹的产生机理和演化过程，并采取有效的预防措施，可以显著降低裂纹产生的风险，确保焊接质量和产品性能。