鋁合金激光焊接熔池中氣孔控制方法

摘 要：文章通過實驗分析了鋁合金激光焊接熔池中氣孔形成的機理，研究了被焊零件間間隙與熔池中氣孔率的關系。結果表明，鋁合金激光焊熔池中的氣孔主要是由于焊接過程中孔壁坍塌，熔池中的氣體來不及溢出被包裹在坍塌的孔壁內形成了氣孔。被焊零件間的間隙小于0.3mm時會增加氣孔溢出的概率，減少熔池中的氣孔率。

關鍵詞：激光焊 熔池 氣孔率 間隙

1 緒論

激光焊具有高能量密度可以瞬間擊穿被焊金屬表面，使金屬從固態到液態再到氣態形成匙孔，穩定的匙孔形成穩定的熔池。由于激光焊能量集中而被焊材料局部受熱，熱影響區小所以變形小而強度高，而且靈活度高不受焊接位置和形式影響，焊接時不需要額外填充材料等優點而被廣泛應用。鑒于鋁合金具備高強度、高塑性，耐腐蝕性較佳，密度較小等優點，其在各行各業均有著廣泛的應用。但是由于鋁合金極易和空氣中的氧氣形成氧化膜，從而在焊接時形成低熔點共晶和熔池中氣孔較多導致焊接困難，主要有以下幾個方面[1-3]。

（1）焊接時易形成合金元素：鋁合金在非真空或者無惰性氣體保護條件下焊接時，由于鋁合金中包含了許多低熔點元素，所以熔化的鋁合金易與空氣中的氧元素進行反應，表面形成氧化膜和在熔池內部形成合金元素，導致焊縫力學性能和塑性下降。

（2）熔池中氣孔較多：鋁合金在焊接時極易將空氣和氧化膜中氫元素和氧元素卷入熔池內，當熔池快速冷卻凝固時，氫氣來不及溢出形成氣孔。從分類情況來看，氣孔主要包含冶金氣孔和工藝氣孔兩個類型。

（3）鋁合金在焊接完成后通常會出現較大幅度的變形情況，這主要歸因于其自身較大的熱膨脹系數。當鋁合金處于熔焊所產生的高溫環境下時，焊接部位在冷卻后極易發生變形。鑒于此，在實際操作中，往往需要選取熱輸入量較小的焊接方法，抑或采用焊后熱處理手段，以此來有效釋放焊接過程中所產生的殘余應力，最大程度減輕鋁合金焊后的變形程度。

鋁合金的焊接能夠通過多種方法實現，像是鎢極氬弧焊（TIG），這種方法利用氬氣作為保護氣體，能為焊接區域提供穩定的保護環境，保障焊接質量[4-6]；超聲波焊接，它借助高頻振動使得焊件貼合焊接，適用于對精度要求較高的場景；惰性氣體保護焊（MIG），以惰性氣體隔絕空氣，避免焊縫氧化，焊接過程高效且熔敷速度快[7-8]；攪拌摩擦焊（FSW），通過攪拌頭對焊件進行摩擦生熱來實現焊接，對于一些復雜結構的鋁合金焊接獨具優勢，其原理是借助攪拌頭進行高速旋轉，與焊接材料緊密接觸，在強大摩擦力作用下，焊材迅速升溫達到熱塑化狀態，此時，材料分子間能夠實現緊密的固相連接，這種連接方式避免了傳統熔化焊的熔池凝固收縮問題，從根本上降低了焊接變形風險；還有高能束焊，利用高能量密度的束流聚焦于焊接部位，瞬間熔化金屬完成焊接，能滿足一些對焊接強度、速度有特殊要求的任務，但是電子束焊接需要在真空環境下進行，設備造價比較昂貴，并且裝配要求嚴格導致生產成本高，以及焊接時易受磁場環境干擾和釋放有害射線等不適合用在實際生產中。這些焊接方法都能在鋁合金焊接領域發揮關鍵作用，滿足不同工況需求。激光深熔焊同樣是熔化焊的一種方法，是利用高能量密度的紅外光、綠光或者紫光照射到材料表面，使被照射的材料迅速升溫氣化，行程匙孔，在焊接過程中匙孔移動行程熔池。通過激光環形模數的增加，例如多模環形光斑和單模環形光斑等激光焊進一步提高穿透力和降低熱輸入量，對于薄板和厚板都有較好的焊接效果。而激光填絲焊可以通過選擇不同的焊絲成分，有效解決焊接過程中合金元素燒損問題，并可以對焊縫組織性能進行調制，從而提高接頭性能。

鋁及鋁合金在激光焊接方面存在著諸多特性與挑戰。就激光束的吸收情況而言，其對波長為10.6μm的CO2激光束，表面初始吸收率僅1.7%，即便面對波長1.06μm的YAG激光束，吸收率也不過接近5%，如此低的吸收率意味著極高的反射率。這一特性直接決定了在實際焊接操作時，必須選用高能量密度且高質量的激光束，憑借瞬間強大的能量擊穿鋁合金表面，促使材料氣化，進而構建起穩定的熔池。要達成穩定熔池以實現深熔焊效果，激光能量必須突破一個關鍵閾值，該閾值能夠讓鋁合金氣化，并且在焊接全過程，激光能量還得穩定、持續地輸出，毫無疑問，這對激光焊設備的性能標準設定了更高層級的要求。與此同時，鋁合金電離能偏低，在部分牌號鋁合金的焊接進程中，大量等離子體會隨之產生。這些等離子體就像“能量黑洞”，會吸收相當一部分的激光入射能量，使得被焊接的鋁合金獲取不到充足能量來維持熔池穩定，最終導致焊接穩定性欠佳。再者，鋁合金屬于典型的共晶合金，這種特殊結構在激光焊接快速凝固的過程中，相較于其他合金，更容易滋生熱裂紋與氣孔問題。所以，綜合來看，焊接鋁合金時，激光束不僅要具備高能量密度，其光束的聚焦性能也必須足夠優良，才能應對這些復雜難題，保障焊接質量[11]。本文主要研究另一種減少焊縫中熔池氣孔的方法，即通過改變被焊接板材間隙來控制熔池中的氣孔。

2 實驗方法

實驗采用1060牌號鋁合金進行搭接焊，搭接區域面積100%。試樣厚度1mm，控制熔深0.8mm-1mm，實驗在常溫環境下進行。實驗前未對鋁合金做任何處理。焊接過程中用氮氣作為保護氣體，吹氣方式由于結構限制，采用側吹形式，吹氣角度45°～60°，氣管距離焊縫表面15mm，保護氣流速控制在20m/min以內。

實驗采用通快6000W多模環形光斑激光器，激光通過光纖傳輸，內外環比例可以根據需求任意分配，實驗時使用能量芯環比1∶1，振鏡采用黑鳥振鏡焊接系統，焦點放大倍數2倍，焦點處光斑直徑0.32mm，光斑計算公式如圖1所示D=（FF/FC）×D1，其中D為光斑直徑、D1為光纖直徑、FC為準直鏡距離、FF為聚焦鏡距離。

實驗所用參數為：功率3300W離焦量0焊接速度90mm/s圓行擺動，擺動寬度1.6mm。固定工藝參數不變，改變被焊零件的間隙a編號樣件無間隙，b樣件間隙按梯度增加如圖2。間隙增加梯度0.1mm，如表1。

3 實驗結果與分析

3.1 氣孔檢測方法

通過X光與金相切片分析氣孔數量和類型。圖3為金相照片，圖4為CT檢測照片。從圖中可以看出鋁合金激光焊接焊縫中會產生較多的氣孔。氣孔呈現出大小各異的狀態，其直徑并不統一，大多集中于焊縫的中心地帶，以及熔池的底部區域。

3.2 氣孔成形機理

在焊接過程中，氣孔形成的關鍵因素主要源于氫氣或空氣在高溫環境下的溶解現象。尤其在激光深熔焊這種工藝里，金屬材料會經歷一系列復雜變化。金屬蒸汽和等離子氣體的波動會使激光熱輸入量變得不穩定，當激光入射能量過多時，金屬吸收過多的激光能量產生較多的等離子氣體，較多的等離子氣體擋住激光入射，將部分激光進行反射，使匙孔吸收不到足夠的能量而變得不穩定導致孔壁不穩定容易坍塌。當匙孔直徑過小，匙孔底部孔壁塌陷粘連，塌陷的匙孔將氣體包裹致使氣體無法溢出從而形成氣孔。而匙孔坍塌后等離子氣體減少，無法阻擋激光入射，被焊鋁合金可以吸收足夠的激光能量繼續形成穩定的熔池，周而復始重復，熔池如波浪形并夾雜很多氣孔。減少氣孔可以通過增加保護氣、真空環境下焊接、擴大匙孔、采用擺動焊接方式和環形光斑激光器等方式[12-13]。

鋁合金焊接過程中氣孔的問題目前有兩種有效的解決辦法。第一種，通過擴大匙孔直徑，但這種方法僅能解決部分氣孔問題，當熔深越深時需要擴大的熔池尺寸越大，減少氣孔的效率越差；另一種方法是制造被焊零件間的間隙，使氣體可以通過間隙溢出以減少焊縫中的氣孔，熔池底部所處位置與焊件間的間隙相隔較近，這一距離優勢為熔池中氣孔的排出創造了有利條件。但是間隙過大又會導致焊接炸孔，因此合理的間隙至關重要，本文將研究被焊零件間隙值對焊縫氣孔率的影響。

3.3 被焊零件間隙對焊縫中氣孔率的影響

從表2和直方圖6可以看出，不同的被焊零件間的間隙會得到不同的氣孔率，在間隙0.2mm時，焊縫中氣孔最少，僅占焊縫總體積的10%，在間隙0.4mm及以上時候，出現炸孔，這是由于被焊零件間隙過大，當金屬處于熔化狀態時，本應憑借其流動性對焊件間的縫隙進行有效填充，然而實際情況卻不盡如人意。由于種種原因，熔化的金屬未能充分、及時地流入縫隙之中，致使焊接部位局部受力不均，內部壓力失衡。隨著焊接的持續進行，這種不穩定狀態不斷累積，最終引發劇烈的能量釋放，形成所謂的炸孔。觀察實際熔深和實際熔寬情況，實際熔深和實際熔寬與目標熔深和目標熔寬相差不大，考慮測量等隨機因素的影響可以認為滿足目標要求。

實驗結果表明，合適的間隙會減少焊縫中的氣孔率，同時對熔深和熔寬幾乎無影響，由于焦深的存在，在離焦一定范圍內光斑直接幾乎無變化；過大的間隙會導致炸孔。

4 結論

氣孔大體分為兩大類，即冶金氣孔和工藝氣孔。氣孔的形成主要是孔壁坍塌，將氣體包裹在坍塌的孔壁中造成的。

改善焊縫中的氣孔主要有兩種辦法。第一擴大小孔直徑，第二被焊零件間有合理的縫隙。

被焊零件間的間隙小于0.3mm時，可以有效地減少焊縫中的氣孔率。但是當被焊零件間的間隙大于0.3mm時，由于熔化的金屬不能填充縫隙會發生炸孔。

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