2219鋁合金焊縫的氣孔量及其對性能的影響

孫玉娟，宋永倫，馬云龍

（1.北京工業大學，北京 100124；2.北京宇航系統工程研究院，北京 100076）

0 前言

氣孔是鋁合金熔焊接頭中最常見的缺陷之一。氣孔的成因主要是由于氫，氫在固態鋁中的溶解度很低，當溫度達到鋁的熔點以上時，溶解度發生突變，并隨著溫度的升高而急劇增加。通常鋁合金的散熱快、結晶速率高，熔池內的氣體還來不及逸出熔池就已凝固，就以大小不等的氣孔留在焊縫內。氫的主要來源有：①鋁合金母材和焊材表面的氧化層、水分及其他有機物等在電弧高溫下分解產生的氫；②母材和焊材中固溶的氫；③保護氣體純度不夠，或空氣中的水分侵入電弧氣氛中。

鋁合金焊縫內氣孔的危害作用是：一方面影響焊縫致密性，減少了焊縫的有效承載截面，使接頭力學性能降低；另一方面在內外應力作用下，氣孔發生串聯和擴展，誘發焊接裂紋的產生，在動態負載下使疲勞強度顯著下降。尤其是對于航天高強鋁合金焊接結構，試驗數據表明[1]，因氣孔造成的5%的截面積損失將導致焊接接頭強度30%的下降；與焊縫平行的氣孔分布對接頭的機械性能更為有害；當焊縫中達到10%的氣孔量，疲勞循環周期數僅為完好焊縫的1/10～1/20。

2219鋁合金是我國航天領域的新一代結構材料，在工程中發現該種鋁合金具有較高的氣孔敏感性，易產生直徑小于0.1 mm的微氣孔，超過了X射線探測的分辨率，焊接接頭的斷口往往處于微氣孔的局域密集位置，即這種“合格焊縫”中的微氣孔的數量及分布對接頭性能有不可忽視的影響。本研究以2219-T87固溶強化型鋁合金焊縫微氣孔與接頭性能的相關性為目標，從微氣孔的定量檢測、統計方法以及對性能影響等方面進行分析和認識，為2219及同類高強鋁合金焊接接頭質量和長期性能評估提供定量的依據。

1 顯微氣孔的檢測與分析方法

1.1 微氣孔的統計計算[2]

按航天工業行業標準QJ2698-95進行宏觀氣孔的定義，根據X射線探測分辨率確定，即氣孔的直徑大于等于0.2 mm。對2219鋁合金母材檢測后發現，當材料鑄鍛、軋制后，存在一定數量的直徑不超過0.02 mm的殘余孔洞或空隙，因此，對微觀氣孔有效直徑的定義是：超過X射線探測分辨率的且直徑不小于0.02 mm的氣孔。由此進行氣孔率、尺度及分布的觀測與評估，從而獲得焊縫內氣孔量、位置與狀態等對接頭綜合性能影響的認識。

氣孔率又稱空隙率，是對材料多孔性的一種量度。用氣孔面積所占被觀測試樣截面總面積的百分數表示，其物理意義是通過對氣孔截面積的計算及累計，并根據氣孔所在位置的分布密度，分析其對焊縫連續性和性能的影響。從形貌上看,鋁合金焊接接頭橫截面上典型的氣孔均呈球狀或橢圓球狀。對焊縫截面上的氣孔檢測步驟是：

（1）利用OLYMPUS激光共聚焦激光顯微鏡獲取焊接接頭截面的金相顯微圖，并在此圖像中選定視場。視場是指被測圖像中的目標區域，在焊接接頭的氣孔率測量統計中，視場面積可以是整個焊縫面積、熔合區面積、接頭內任意區域特定的面積等。

（2）通過金相圖像分析軟件對獲取的接頭金相顯微圖進行閾值分割，從而提取出氣孔輪廓，并對該視場內的氣孔進行個數和面積值統計。計算時，被視場切割的氣孔不統計在內。

（3）運用數學統計原理對氣孔進行定量計算，用直方圖與數據表示計算得到的指定范圍（或面積）內的焊縫氣孔個數、氣孔面積的平均值和方差、氣孔率等統計值。氣孔所占面積百分比為

式中 S1為焊縫橫截面上選定視場內的各個氣孔面積之和；S為焊縫橫截面上選定視場的面積。

對于在整個焊縫截面內，氣孔分布均勻的焊接接頭而言，其氣孔率的計算則為氣孔面積占整個焊縫截面面積的比率。因為此時氣孔遍布整個焊縫，并且在焊縫各區域上分布較均勻，并不是聚集于焊縫內某一局部位置，對整個焊縫都有影響。圖1是同一焊縫分別對整個焊縫截面和局域的金相圖以及氣孔率的統計對比（見表1）。

圖1 焊接接頭截面氣孔率統計區域

表1 對整個焊縫截面或局域氣孔率的統計結果

由表1可知，對于氣孔分布不均勻的焊接接頭而言，仍然以占整個焊縫面積的比率來計算氣孔率是不合理的，因為氣孔的分布特征是在某一局部位置較為密集，在其他區域較為稀少，對于局部密集型氣孔進行氣孔率統計更有實際意義。為局域氣孔率與接頭性能的相關性研究提供了認識途徑。

1.2 微氣孔的分布特征

通過對大量試件的斷口及金相觀測，焊縫內氣孔易出現的位置以及所在位置的氣孔密度（即面積百分比）有以下特點：對接頭力學性能影響較大的氣孔所在的位置分別是：熔合線附近（見圖2a），焊縫蓋面層的焊趾處（見圖2b）以及焊縫根部。這些部位均具有“固－液”相交界，冷卻速度較熔池的其他部位快，氣體難以及時逸出等共性條件。在冷卻與散熱較快的位置是焊縫內氣孔的聚集點。通過觀測氣孔易發位置，可見氣孔沿斷裂線的分布特征。

對焊縫局域的微氣孔數量及所占面積的比率統計表明（見表2），當局域位置的氣孔率達到2%及以上，即成為接頭斷裂的缺口敏感區。沿斷裂線可見氣孔的連續分布特征，可以認為是分析氣孔對接頭性能與失效影響的重要依據。

圖2 氣孔易發位置

表2 局域位置氣孔率統計結果

1.3 斷口面氣孔與焊縫截面氣孔的聯系

拉伸試樣的斷口面是反映氣孔數量和對斷裂影響的直接證據，是建立氣孔對接頭性能影響定量關系的切入點。斷裂試樣斷口面的顯微氣孔觀測如圖3所示。對比斷口氣孔率與金相觀測法可做一對比，同時也有利于獲得局部位置的高密度氣孔對拉伸斷裂影響的認識。

由圖3可見，焊接接頭的斷口往往位于微氣孔的局域密集位置，對接頭性能產生較大的影響。通過統計斷口面氣孔率（見表3），可認為與金相法統計所提出的“2%”及以上的氣孔率成為分析和解釋該位置斷裂原因的量化指標是一致的，是氣孔對接頭強度影響的直接證據。

圖3 對斷口氣孔的觀測與統計

2 局域微氣孔與接頭性能的相關性

對于同一觀測截面，在焊縫的整個截面積上或在開裂位置附近局部面積上對氣孔率的統計結果是不同的，圖4～圖6為分別對同一焊縫截面上的蓋面層、整個截面以及斷裂位置附近的氣孔率統計。

通過對表4同一焊縫截面不同區域氣孔率統計結果可以看出，氣孔率的檢測和定量分析與其失效部位、局部特征是相關連的，斷裂處的氣孔率高達6.26%，說明局部氣孔率高會引起接頭的微氣孔串聯開裂的發生，這對接頭性能的影響不容忽視。圖7是接頭拉伸斷裂的一個典型實例，圖中右下角所示為一處裂紋，通過對該位置局部放大及斷口觀測，驗證了該裂紋是起始于焊縫背部的氣孔密集處。

表3 斷口氣孔統計結果

表4 同一焊縫截面不同區域氣孔率統計結果

3 對鋁合金焊縫內氣孔抑制的措施

在抑制2219鋁合金焊縫氣孔量及其性能提升方面采用的措施是[3]：在當前已推廣應用的自動焊的單面雙層焊的制造工藝中，采用“高能量密度、高頻率脈沖電弧”方法實現熔池內液態金屬的震蕩或攪拌，該方法對于控制氣孔類缺陷、提高接頭綜合性能已得到多方、多年的驗證。高頻耦合脈沖TIG焊技術由于20～30 kHz高頻脈沖與主電流在EN時段的耦合，使電弧的能量密度、挺度和剛度增強，電弧沖擊力增大，有利于焊縫熔深，并使熔池內的液體金屬產生有規則的循環流動，增強對熔池邊緣的沖刷作用，有利于邊緣氣孔的逸出。圖8為采用的高頻脈沖耦合TIG焊的氣孔抑制效果，可達到“近無氣孔”，能穩定獲得接頭拉伸強度系數大于等于0.65，延伸率大于等于5%的室溫力學性能。

圖4 對蓋面層焊縫內氣孔率的統計

圖5 對焊縫截面內氣孔率的統計

圖6 斷裂位置附近焊縫內氣孔率的統計

圖7 接頭拉伸斷裂的實例

圖8 采用高頻耦合脈沖TIG電弧對焊縫內氣孔抑制的效果

4 結論

（1）通過對鋁合金焊接試件的斷口及接頭的觀測，得到焊縫內氣孔位置、分布狀態等特征的信息，實現了焊縫氣孔率、尺度及分布的定量表達。這一工作是對包括X射線探測在內的焊縫氣孔人眼分辨與評定的必要補充。

（2）對焊縫局域的微氣孔數量及所占面積的比率統計表明，當局域位置的氣孔率達到2%及以上，即可成為接頭斷裂的缺口敏感區。沿斷裂線可見氣孔的連續分布特征，是分析氣孔對接頭性能與失效影響的重要依據。

（3）采用高頻耦合脈沖TIG焊技術能有效減少或消除焊縫內的氣孔，細化接頭組織，提升接頭的綜合力學性能。

[1]NASA（CR-2064），鋁合金焊接專題報告[R]，1972.

[2]孫玉娟.航天高強鋁合金熔焊接頭金相的定量分析[D].北京：北京工業大學，2015.

[3]李顯.2219鋁合金高頻耦合脈沖TIG焊接工藝研究[D].北京：北京工業大學，2014.