高速激光焊接高强铝合金横向热裂纹形成机制与熔池静压降影响研究

本研究针对高强铝合金高速激光焊接中横向热裂纹（transverse hot cracks）频发导致构件泄漏失效的难题，通过实验与数值模拟结合，揭示了焊接速度提升引起熔池流动加速、静压（static pressure）显著降低，进而阻碍晶间液态补缩是裂纹形成的关键机制。研究为优化焊接工艺、抑制热裂纹提供了重要理论依据，对提升电动汽车电池托盘等关键部件的焊接可靠性具有重要意义。

　　

随着电动汽车和可再生能源系统的快速发展，电池冷却管理系统成为关键核心技术。电池冷却板、托盘等部件通常采用6000系列高强铝合金制造，因其兼具良好的耐腐蚀性和高导热性。然而，这类材料在激光焊接过程中，尤其是在高速焊接条件下，极易产生横向热裂纹（transverse hot cracks），导致焊缝密封失效，严重威胁电池系统的安全性和可靠性。传统工艺中常通过添加填充焊丝来改变凝固特性、降低热裂纹敏感性，但电动汽车领域追求高效生产，要求焊接速度高、避免使用填充材料，这使得热裂纹问题尤为突出。

为解决这一难题，来自德国斯图加特大学Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)的Johannes Michel等人开展了高速激光焊接高强铝合金横向热裂纹形成机制的研究，成果发表在《Optics》上。

研究人员通过结合实验分析与数值模拟，系统探讨了焊接速度对温度场、流体流动及静压分布的影响。实验方面，他们采用TruDisk16002激光器，在3、6、17 m/min三种速度下对2 mm厚6000系铝合金试样进行全熔透焊接，利用高速摄像记录小孔形貌，并通过金相分析定量评估裂纹数量与长度。模拟部分基于OpenFOAM框架，构建了二维熔池流动与传热模型，引入了温度相关的材料参数和Scheil-Gulliver方程计算的液相比，通过抽象自实验的小孔几何进行仿真，验证了温度场与熔池形貌的一致性，进而分析了流速、静压等关键参数。

研究结果主要分为实验发现与模拟验证两大部分：

2. Experiments：实验观测明确裂纹随速度增加而加剧

金相分析显示，随着焊接速度从3 m/min增至17 m/min，焊缝中横向热裂纹的数量和长度显著增加。高速摄像记录表明，小孔形态由低速下的圆柱状逐渐变为高速下的 elongated 形状，熔池表面波动剧烈。横向裂纹多起源于等轴晶区，并向柱状晶区扩展，高速下几乎贯穿整个焊缝宽度。

3. Numerical model：模拟揭示熔池静压降是裂纹主因

通过模拟不同速度下的温度梯度、凝固速率和流场，发现高速焊接时熔池最大流速显著提高（如17 m/min时达89 m/min），依据伯努利原理，高速流动导致熔池侧壁静压大幅降低，甚至低于环境压力（如17 m/min时静压降为-1200 Pa）。这一静压下降阻碍了液态金属向枝晶间补缩，使得RDG热裂纹判据中压力平衡被打破，裂纹敏感性增大。同时，温度梯度与凝固速率虽随速度增加，但对压力下降的贡献远小于流体动压效应。

4. Discussion：静压阈值决定裂纹生成临界条件

综合分析表明，当熔池静压低于环境压力时（Δp<0），横向热裂纹风险急剧上升。临界速度约在10 m/min以上，此时静压降可达-685 Pa，约占Rappaz理论空化压力差（p_m-p_c=2000 Pa）的三分之一。这一发现统一了以往研究中侧重于热机械变形与凝固收缩的视角，突出了高速焊接下熔池流体动力学的主导作用。

结论部分强调，高速激光焊接中横向热裂纹的形成主要源于熔池高速流动导致的静压下降，进而限制晶间补缩。该研究首次将熔池局部静压与流动速度、温度场关联起来，为理解裂纹形成机制提供了新视角，并对开发抑裂工艺（如施加外压、光束整形调控流场）具有指导意义。未来工作将进一步考察杂质、合金成分等因素的影响，以拓展该机制的适用性。