鋁合金激光焊接氣孔缺陷形成及抑制機理

田志騫，馬國龍，石業勇，王 鵬

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001）

鋁合金激光焊接氣孔缺陷形成及抑制機理

田志騫1，馬國龍2，石業勇1，王 鵬1

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001）

氣孔是鋁合金激光焊縫重要的缺陷形式，對焊縫力學性能具有較大的影響。綜述了鋁合金激光焊接中氣孔缺陷的形成及抑制機理。氫氣孔和由不穩定匙孔塌陷造成的氣穴是鋁合金氣孔缺陷的兩種主要類型。氫氣孔的形成與熔池中氫的溶解度劇變密切相關，通過減少氫的進入量以及獲得合適的熔池冷卻速度可有效抑制氫氣孔數量。匙孔的穩定性是影響氣穴形成的主要因素，通過采取合適的工藝措施改善熔池流動行為、增大匙孔尺寸，可明顯提高匙孔穩定性，減少氣穴數量。

鋁合金；激光焊接；氣孔；抑制

0 前言

鋁合金具有密度低、比強度高以及良好的耐腐蝕性等優點，因此在汽車工業、航空航天和其他工業領域得到了廣泛應用。電弧焊、電阻焊、摩擦焊、電子束焊以及激光焊等焊接方法[1]也已應用于鋁合金件的生產制造。與其他焊接方法相比，激光焊具有明顯的優勢，如高的生產效率、優良的焊縫質量、低變形、生產的柔性化以及易于實現自動化等[2]，因此成為鋁合金焊接最有前景的一項連接技術。

激光焊接質量與所焊材料的物理性能密切相關。由于鋁合金固有的物理性質，比如對激光低的吸收率、合金元素（Mg、Zn等）的低沸點、高的熱導率、高的熱膨脹系數、相對較寬的凝固溫度區間、高的凝固收縮率、低粘度以及液態下高的吸氫性等[3]，因此在激光焊接過程中容易產生氣孔、熱裂紋等缺陷。其中，氣孔是鋁合金激光焊接過程中最容易產生的缺陷形式，它會破壞焊縫金屬的致密性，削弱焊縫的有效截面積，降低焊縫的力學性能和耐蝕性。因此，氣孔的存在對焊縫的性能影響較大，必須

采取有效措施防止氣孔的產生。本研究綜述了國內外在鋁合金激光焊接氣孔缺陷的研究進展，明確了氣孔缺陷的形成機理及相應的影響因素，對于抑制鋁合金氣孔缺陷、提高焊縫質量具有重要的意義。

1 氣孔缺陷分類

在鋁合金焊接熔池凝固過程中，氣泡來不及溢出而滯留在焊縫中形成的空穴稱為氣孔。觀察焊縫中的氣孔[4-5]，根據氣孔的尺寸和微觀特征將氣孔分為兩大類：一類尺寸較小，呈圓形，內壁光滑并有枝晶末端出現，這類氣孔稱為氫氣孔（見圖1a）；另一類尺寸較大，呈不規則形狀，內壁粗糙并有明顯的晶體生長臺階產生，這類氣孔稱為氣穴（見圖1b）。

圖1 鋁合金焊縫中氣孔形貌的掃描電鏡照片[4]

2 氫氣孔

2.1 氫氣孔的形成機理

氫是可明顯溶解于鋁合金的一種氣體，因此幾乎鋁合金中所有的冶金氣孔都與氫有關。氫在固態鋁中的溶解度很低（約為0.034 mL/100 g），當溫度達到鋁的熔點之上時，氫的溶解度急劇增大（約為0.65mL/100g），且隨著溫度的升高指數增大[6]。因此，即使熔體溫度變化很小的數值，氫的溶解度也會明顯變化。激光焊接過程中熔池的溫度非常高，且與傳統的電弧焊相比，冷卻速度大大提高，因此，在熔融態鋁的冷卻和凝固過程中，氫的溶解度大大降低，超出溶解極限的氫將會被排斥到固-液界面，如果這部分氫不能逃逸到熔池表面，將會在焊縫中形成氣孔。這是氫容易使焊縫產生氣孔的重要原因之一。

鋁及鋁合金在焊接時，焊縫中能否產生氫氣孔主要取決于氫的含量以及熔池的冷卻速度。鋁合金中氫含量超過某一臨界值時才會形成氫氣孔，這一臨界值與合金成分和冷卻速率有關。隨著冷卻速度的增加，形成氣孔所需氫含量的臨界值也增加。因此，在激光焊接過程中提高冷卻速度可以減小氣孔尺寸和氣孔含量[7]。另一方面，冷卻速度提高的增大會導致熔池凝固時間的縮短，不利于氣泡長大和排出。因此，存在一個臨界冷卻速度，可以抑制氣孔的形成和長大，從而獲得氣孔率最小的焊縫。

2.2 氫氣孔抑制措施及機理

研究表明，鋁合金激光焊接過程中氫氣孔的數量與母材表面狀態、焊接工藝參數以及焊接環境等因素有關。

鋁合金中的氫主要來源于母材和填充材料表面吸附的水分、有機物等含氫物質。在激光焊接Al-Li合金過程中發現[8-10]，母材表面形成的氧化膜易吸收水分，是焊縫中氫的主要來源，從而導致焊縫中氫氣孔的產生；在焊前通過化學銑削等措施去除表面的氧化膜后能夠顯著降低氫氣孔量，提高焊縫的力學性能。在焊接A356鋁合金時同樣發現母材的表面狀態明顯影響焊縫氫氣孔量，通過機械拋光、噴砂、激光表面處理等措施去除表面的氧化物可以顯著降低焊縫氫氣孔量[5，11]，且激光表面處理效果最好，氫氣孔量最低。鋁合金表面處理后應及時進行焊接，防止表面再次氧化。

焊接工藝參數主要通過影響熔池冷卻速度，進而對氫氣孔量產生影響。在相同的表面狀態下，通過增加焊接速度，即提高熔池冷卻速度，可以明顯降低A356鋁合金的氣孔率[5，11]。這是因為冷卻速度的提高既提高了形成氣孔的氫的臨界含量，又抑制了氫的析出凝聚，抑制了氫氣孔的產生，獲得氫的過飽和接頭，從而降低氣孔率。此外，高能量密度的激光能夠保證焊接過程中匙孔的穩定性，延長凝固時間，使產生的氫氣泡溢出，因此通過高功率的Nd：YAG激光、光纖激光焊接也可以減小氫氣孔量[12]。

焊接環境（如大氣溫度、濕度等）也會對氫氣孔量產生影響。研究發現，在焊接A5083鋁合金的過

程中[13]，當溫度較低時，濕度的變化對焊縫中氫氣孔量影響較?。划敎囟容^高時，隨濕度增大，焊縫中的氫氣孔量明顯增大。這是當周圍濕度較大時，由于保護不好或者保護氣湍流等原因導致周圍空氣進入熔池中，與熔池反應產生越多的氫，從而提高了氣孔率。

由以上分析可以發現，鋁合金激光焊接過程中氫含量和熔池冷卻速度是影響氫氣孔量的兩個重要因素。通過在焊前對材料進行表面處理，焊接過程中進行良好的熔池保護，可以有效減少熔池中氫含量；采取合理的工藝參數，控制熔池冷卻速度，使氫有充足的時間析出、聚集、逃逸或者不能析出，都可以有效降低焊縫氫氣孔量。

3 氣穴（匙孔塌陷形成的氣孔）

3.1 氣穴形成機理

鋁合金激光焊接中發現，即使通過合理處理母材、激光參數以及保護氣，鋁合金激光焊縫中仍然存在氣孔[12]。這種氣孔主要呈不規則形狀，分布在匙孔路徑處，稱為氣穴；而氫氣孔主要分布在熔合線附近。另一方面，在氦氣氣氛中采用CO2激光焊焊接3003、5052、5182以及7N01鋁合金時，氣孔中只有60％～80％的氣體為氫，其余的為氮（約為10％～38％）和氦（約為2％～16.5％）[14]。該類氣孔與氫氣孔具有不同的形成機理。

匙孔是激光深熔焊的重要特征，它的存在主要與焊接過程中所受的蒸氣反作用力（促進匙孔形成）、表面張力（阻礙匙孔形成）以及重力相關。由于匙孔壁附近熔體氣化過程是不穩定的（即蒸氣反作用力不穩定），且匙孔位置實時變化，因此焊接過程中匙孔波動非常快。研究發現，當匙孔不穩定時氣穴數量大大增加，而當匙孔穩定或者為熱導焊時，氣穴數量明顯減少[7]。這一現象表明氣穴的存在是由于不穩定匙孔的塌陷造成的[15-17]。Pastor等人[15]對不穩定匙孔塌陷形成氣孔的機理進行了研究，如圖2所示，發現匙孔內部受力是否平衡是影響氣穴形成的重要因素。當蒸氣反作用力小于表面張力時，會在匙孔后壁形成凸起，并且尺寸逐漸增大；形成的凸起在重力作用下向下運動，由于匙孔末端尺寸較小，凸起會將末端完全封閉住，造成匙孔的不穩定直至塌陷形成氣孔。

圖2 匙孔塌陷導致氣穴形成原理示意[15]

Seiji Katayama等人[16-17]采用原位X射線透射成像系統對焊接過程匙孔的不穩定性以及氣穴形成過程進行了實時觀察，如圖3所示，可以發現氣泡是從匙孔末端產生滯留在焊縫中形成氣穴。

圖3 X射線透射成像系統觀察到的氣穴形成的過程[17]

3.2 氣穴抑制措施及機理

鋁合金激光焊接過程中匙孔的穩定性是影響氣穴數量的重要因素，而匙孔的穩定性與諸多因素有關，包括焊接速度、熔透狀態、接頭形式以及激光能量輸入方式等。

Seiji Katayama等人[16-17]對不同焊接速度下熔池的流動行為以及焊縫氣穴數量進行了研究，如圖4所示。研究表明，隨著焊接速度的提高，焊縫中氣穴數量減少，這與不同焊接速度下匙孔穩定性以及熔池的流動行為有關。低速焊時，匙孔易塌陷，穩定性差，激光輻射到坍塌的匙孔壁熔體上時由于蒸氣反作用力的作用會產生向下的流動，使得產生的氣泡在熔池底部旋轉，從而滯留在焊縫中形成氣穴；高

速焊時，匙孔穩定性大大提高，氣泡數量減少，且匙孔附近熔體直接流向熔池表面，氣體可以迅速溢出熔池，從而得到無氣穴的焊縫。

圖4 不同焊接速度下熔池流動行為以及氣穴形成過程示意[16]

Yangchun Yu等人[4]研究了鋁合金激光填絲焊過程中熔透狀態對氣穴數量的影響。與激光自熔焊相比，激光填絲焊過程中的熔滴沖擊作用加劇了匙孔的不穩定性，因此焊縫中氣穴數量增加（見圖5a）。通過采用帶間隙的對接接頭形式進行填絲焊可以顯著降低氣穴數量（見圖5b）。這是因為一方面對接間隙的存在減小了形成匙孔所克服的阻力，提高了匙孔穩定性，減小了保護氣滯留的傾向；另一方面，間隙的存在為液態金屬的流動提供了一個天然通道，減弱了熔滴對匙孔的沖擊作用，同時也為氣體逃逸提供了通道。間隙的存在同樣可以減少搭接接頭中氣穴數量[18]。另外，通過提高激光功率，使得匙孔可以貫通無氣穴的焊縫。這是由于貫通后的匙孔呈完全張開狀態，穩定性大大提高。

A.Haboudou等人[5]采用雙光束激光焊接技術進行鋁合金的焊接，通過能量的協調控制，提高鋁合金中匙孔的穩定性，達到降低氣穴數量的目的。研究表明，與單光束激光焊接相比，雙光束焊接能夠明顯提高焊接過程的穩定性，顯著降低氣穴數量。雙光束焊接的工藝參數中，光斑間距是影響氣穴數量的重要因素，隨著光斑間距的增大，氣穴數量逐漸降低。通過分析熔池尺寸和熔池表面流動速度，發現隨著雙焦點光斑間距的增大，熔池長度逐漸增大，這將產生兩方面的作用：一是大的熔池能夠衰減熔體波動，使得熔體流動過程穩定，凝固后可以獲得成形良好的焊縫；二是大的熔池也為熔池中氣體的溢出提供了充足的時間，從而降低了焊縫氣穴數量。

趙琳等人[19]采用光束擺動法也減小了焊縫氣穴數量。擺動頻率越大，擺動幅度越大，對熔池的攪拌越大，越有利于氣泡的逸出，氣孔越少。

綜上所述，鋁合金激光焊接過程中匙孔的穩定性受諸多因素影響，可根據實際焊接情況選擇合適的工藝措施保證匙孔的穩定性，有效抑制氣穴數量。

4 結論

鋁合金激光焊接過程中氣孔缺陷主要有兩類：

小尺寸的氫氣孔以及由匙孔塌陷形成的大尺寸氣穴。在熔深較淺的熱導焊中，溶解氫是形成氣孔的主要原因。在深熔焊過程中，不穩定匙孔的塌陷是焊縫氣孔的主要來源。對于氫氣孔，主要通過避免或者盡量減少進入焊縫中的氫含量來消除，采取的措施有：焊前去除母材和填充材料的氧化物、焊接過程中良好保護以及提高熔池冷卻速度等。對于氣穴，主要通過提高匙孔的穩定性來消除，采取的措施有：提高焊接速度、熔池攪拌、接頭預留間隙、匙孔貫通以及雙光束的焊接等。

圖5 不同熔透狀態下填絲焊氣穴形成過程示意[4]

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Formation and inhibition mechanism of porosity defects in laser welding of aluminum alloy

TIAN Zhiqian1，MA Guolong2，SHI Yeyong1，WANG Peng1
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Porosity is an important weld defect in laser welding of aluminum alloys，which can influence the mechanical property of welds significantly.In this paper，the mechanisms of porosity formation and inhibition in laser welding of aluminum alloys are reviewed in detail. Hydrogen pores and porosity caused by the collapse ofunstable keyhole(named by gas cavity)are the two main porosity types in aluminum alloys.Hydrogen pore is closely related to the drastic change of hydrogen solubility during the solidification process of molten pool.The content ofhydrogen pore can be reduced byreducinghydrogen content and obtainingproper coolingrate in molten pool.Keyhole stabilityis the main factor affecting the formation of gas cavity.To improve the fluid flow and enlarge keyhole size by proper processing can improve the keyhole stabilityobviously,which can reduce the quantityofgas cavityin laser weldingofaluminumalloys.

aluminum alloys；laser welding；porosity；inhibition

TG441.7

A

1001－2303（2016）09－0024-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.06

2016-04-17

田志騫（1985—），男，山東人，工程師，學士，主要從事鋁合金焊接技術方面的工程和研究工作。