2219鋁合金焊縫的氣孔量及其對(duì)性能的影響

孫玉娟，宋永倫，馬云龍

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京宇航系統(tǒng)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(tài)鋁中的溶解度很低，當(dāng)溫度達(dá)到鋁的熔點(diǎn)以上時(shí)，溶解度發(fā)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(jié)晶速率高，熔池內(nèi)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(nèi)。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(jī)物等在電弧高溫下分解產(chǎn)生的氫；②母材和焊材中固溶的氫；③保護(hù)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(nèi)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(xué)性能降低；另一方面在內(nèi)外應(yīng)力作用下，氣孔發(fā)生串聯(lián)和擴(kuò)展，誘發(fā)焊接裂紋的產(chǎn)生，在動(dòng)態(tài)負(fù)載下使疲勞強(qiáng)度顯著下降。尤其是對(duì)于航天高強(qiáng)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[1]，因氣孔造成的5%的截面積損失將導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度30%的下降；與焊縫平行的氣孔分布對(duì)接頭的機(jī)械性能更為有害；當(dāng)焊縫中達(dá)到10%的氣孔量，疲勞循環(huán)周期數(shù)僅為完好焊縫的1/10～1/20。

2219鋁合金是我國航天領(lǐng)域的新一代結(jié)構(gòu)材料，在工程中發(fā)現(xiàn)該種鋁合金具有較高的氣孔敏感性，易產(chǎn)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(shù)量及分布對(duì)接頭性能有不可忽視的影響。本研究以2219-T87固溶強(qiáng)化型鋁合金焊縫微氣孔與接頭性能的相關(guān)性為目標(biāo)，從微氣孔的定量檢測、統(tǒng)計(jì)方法以及對(duì)性能影響等方面進(jìn)行分析和認(rèn)識(shí)，為2219及同類高強(qiáng)鋁合金焊接接頭質(zhì)量和長期性能評(píng)估提供定量的依據(jù)。

1 顯微氣孔的檢測與分析方法

1.1 微氣孔的統(tǒng)計(jì)計(jì)算[2]

按航天工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ2698-95進(jìn)行宏觀氣孔的定義，根據(jù)X射線探測分辨率確定，即氣孔的直徑大于等于0.2 mm。對(duì)2219鋁合金母材檢測后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料鑄鍛、軋制后，存在一定數(shù)量的直徑不超過0.02 mm的殘余孔洞或空隙，因此，對(duì)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(jìn)行氣孔率、尺度及分布的觀測與評(píng)估，從而獲得焊縫內(nèi)氣孔量、位置與狀態(tài)等對(duì)接頭綜合性能影響的認(rèn)識(shí)。

氣孔率又稱空隙率，是對(duì)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?jǐn)?shù)表示，其物理意義是通過對(duì)氣孔截面積的計(jì)算及累計(jì)，并根據(jù)氣孔所在位置的分布密度，分析其對(duì)焊縫連續(xù)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(duì)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(biāo)區(qū)域，在焊接接頭的氣孔率測量統(tǒng)計(jì)中，視場面積可以是整個(gè)焊縫面積、熔合區(qū)面積、接頭內(nèi)任意區(qū)域特定的面積等。

（2）通過金相圖像分析軟件對(duì)獲取的接頭金相顯微圖進(jìn)行閾值分割，從而提取出氣孔輪廓，并對(duì)該視場內(nèi)的氣孔進(jìn)行個(gè)數(shù)和面積值統(tǒng)計(jì)。計(jì)算時(shí)，被視場切割的氣孔不統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。

（3）運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)原理對(duì)氣孔進(jìn)行定量計(jì)算，用直方圖與數(shù)據(jù)表示計(jì)算得到的指定范圍（或面積）內(nèi)的焊縫氣孔個(gè)數(shù)、氣孔面積的平均值和方差、氣孔率等統(tǒng)計(jì)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(nèi)的各個(gè)氣孔面積之和；S為焊縫橫截面上選定視場的面積。

對(duì)于在整個(gè)焊縫截面內(nèi)，氣孔分布均勻的焊接接頭而言，其氣孔率的計(jì)算則為氣孔面積占整個(gè)焊縫截面面積的比率。因?yàn)榇藭r(shí)氣孔遍布整個(gè)焊縫，并且在焊縫各區(qū)域上分布較均勻，并不是聚集于焊縫內(nèi)某一局部位置，對(duì)整個(gè)焊縫都有影響。圖1是同一焊縫分別對(duì)整個(gè)焊縫截面和局域的金相圖以及氣孔率的統(tǒng)計(jì)對(duì)比（見表1）。

圖1 焊接接頭截面氣孔率統(tǒng)計(jì)區(qū)域

表1 對(duì)整個(gè)焊縫截面或局域氣孔率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可知，對(duì)于氣孔分布不均勻的焊接接頭而言，仍然以占整個(gè)焊縫面積的比率來計(jì)算氣孔率是不合理的，因?yàn)闅饪椎姆植继卣魇窃谀骋痪植课恢幂^為密集，在其他區(qū)域較為稀少，對(duì)于局部密集型氣孔進(jìn)行氣孔率統(tǒng)計(jì)更有實(shí)際意義。為局域氣孔率與接頭性能的相關(guān)性研究提供了認(rèn)識(shí)途徑。

1.2 微氣孔的分布特征

通過對(duì)大量試件的斷口及金相觀測，焊縫內(nèi)氣孔易出現(xiàn)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(diǎn)：對(duì)接頭力學(xué)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(shí)逸出等共性條件。在冷卻與散熱較快的位置是焊縫內(nèi)氣孔的聚集點(diǎn)。通過觀測氣孔易發(fā)位置，可見氣孔沿?cái)嗔丫€的分布特征。

對(duì)焊縫局域的微氣孔數(shù)量及所占面積的比率統(tǒng)計(jì)表明（見表2），當(dāng)局域位置的氣孔率達(dá)到2%及以上，即成為接頭斷裂的缺口敏感區(qū)。沿?cái)嗔丫€可見氣孔的連續(xù)分布特征，可以認(rèn)為是分析氣孔對(duì)接頭性能與失效影響的重要依據(jù)。

圖2 氣孔易發(fā)位置

表2 局域位置氣孔率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.3 斷口面氣孔與焊縫截面氣孔的聯(lián)系

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

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(duì)接頭性能產(chǎn)生較大的影響。通過統(tǒng)計(jì)斷口面氣孔率（見表3），可認(rèn)為與金相法統(tǒng)計(jì)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(biāo)是一致的，是氣孔對(duì)接頭強(qiáng)度影響的直接證據(jù)。

圖3 對(duì)斷口氣孔的觀測與統(tǒng)計(jì)

2 局域微氣孔與接頭性能的相關(guān)性

對(duì)于同一觀測截面，在焊縫的整個(gè)截面積上或在開裂位置附近局部面積上對(duì)氣孔率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是不同的，圖4～圖6為分別對(duì)同一焊縫截面上的蓋面層、整個(gè)截面以及斷裂位置附近的氣孔率統(tǒng)計(jì)。

通過對(duì)表4同一焊縫截面不同區(qū)域氣孔率統(tǒng)計(jì)結(jié)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(guān)連的，斷裂處的氣孔率高達(dá)6.26%，說明局部氣孔率高會(huì)引起接頭的微氣孔串聯(lián)開裂的發(fā)生，這對(duì)接頭性能的影響不容忽視。圖7是接頭拉伸斷裂的一個(gè)典型實(shí)例，圖中右下角所示為一處裂紋，通過對(duì)該位置局部放大及斷口觀測，驗(yàn)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(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 同一焊縫截面不同區(qū)域氣孔率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 對(duì)鋁合金焊縫內(nèi)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(dāng)前已推廣應(yīng)用的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)熔池內(nèi)液態(tài)金屬的震蕩或攪拌，該方法對(duì)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(yàn)證。高頻耦合脈沖TIG焊技術(shù)由于20～30 kHz高頻脈沖與主電流在EN時(shí)段的耦合，使電弧的能量密度、挺度和剛度增強(qiáng)，電弧沖擊力增大，有利于焊縫熔深，并使熔池內(nèi)的液體金屬產(chǎn)生有規(guī)則的循環(huán)流動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)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(dá)到“近無氣孔”，能穩(wěn)定獲得接頭拉伸強(qiáng)度系數(shù)大于等于0.65，延伸率大于等于5%的室溫力學(xué)性能。

圖4 對(duì)蓋面層焊縫內(nèi)氣孔率的統(tǒng)計(jì)

圖5 對(duì)焊縫截面內(nèi)氣孔率的統(tǒng)計(jì)

圖6 斷裂位置附近焊縫內(nèi)氣孔率的統(tǒng)計(jì)

圖7 接頭拉伸斷裂的實(shí)例

圖8 采用高頻耦合脈沖TIG電弧對(duì)焊縫內(nèi)氣孔抑制的效果

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)鋁合金焊接試件的斷口及接頭的觀測，得到焊縫內(nèi)氣孔位置、分布狀態(tài)等特征的信息，實(shí)現(xiàn)了焊縫氣孔率、尺度及分布的定量表達(dá)。這一工作是對(duì)包括X射線探測在內(nèi)的焊縫氣孔人眼分辨與評(píng)定的必要補(bǔ)充。

（2）對(duì)焊縫局域的微氣孔數(shù)量及所占面積的比率統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)局域位置的氣孔率達(dá)到2%及以上，即可成為接頭斷裂的缺口敏感區(qū)。沿?cái)嗔丫€可見氣孔的連續(xù)分布特征，是分析氣孔對(duì)接頭性能與失效影響的重要依據(jù)。

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

[1]NASA（CR-2064），鋁合金焊接專題報(bào)告[R]，1972.

[2]孫玉娟.航天高強(qiáng)鋁合金熔焊接頭金相的定量分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，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(yè)大學(xué)，2014.