鋁合金激光焊接熔池中氣孔控制方法

摘 要：文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了鋁合金激光焊接熔池中氣孔形成的機(jī)理，研究了被焊零件間間隙與熔池中氣孔率的關(guān)系。結(jié)果表明，鋁合金激光焊熔池中的氣孔主要是由于焊接過(guò)程中孔壁坍塌，熔池中的氣體來(lái)不及溢出被包裹在坍塌的孔壁內(nèi)形成了氣孔。被焊零件間的間隙小于0.3mm時(shí)會(huì)增加氣孔溢出的概率，減少熔池中的氣孔率。

關(guān)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?gòu)墓虘B(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)形成匙孔，穩(wěn)定的匙孔形成穩(wěn)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(qū)小所以變形小而強(qiáng)度高，而且靈活度高不受焊接位置和形式影響，焊接時(shí)不需要額外填充材料等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。鑒于鋁合金具備高強(qiáng)度、高塑性，耐腐蝕性較佳，密度較小等優(yōu)點(diǎn)，其在各行各業(yè)均有著廣泛的應(yīng)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(shí)形成低熔點(diǎn)共晶和熔池中氣孔較多導(dǎo)致焊接困難，主要有以下幾個(gè)方面[1-3]。

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

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

（3）鋁合金在焊接完成后通常會(huì)出現(xiàn)較大幅度的變形情況，這主要?dú)w因于其自身較大的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)鋁合金處于熔焊所產(chǎn)生的高溫環(huán)境下時(shí)，焊接部位在冷卻后極易發(fā)生變形。鑒于此，在實(shí)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(lái)有效釋放焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，像是鎢極氬弧焊（TIG），這種方法利用氬氣作為保護(hù)氣體，能為焊接區(qū)域提供穩(wěn)定的保護(hù)環(huán)境，保障焊接質(zhì)量[4-6]；超聲波焊接，它借助高頻振動(dòng)使得焊件貼合焊接，適用于對(duì)精度要求較高的場(chǎng)景；惰性氣體保護(hù)焊（MIG），以惰性氣體隔絕空氣，避免焊縫氧化，焊接過(guò)程高效且熔敷速度快[7-8]；攪拌摩擦焊（FSW），通過(guò)攪拌頭對(duì)焊件進(jìn)行摩擦生熱來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接，對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金焊接獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，其原理是借助攪拌頭進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，與焊接材料緊密接觸，在強(qiáng)大摩擦力作用下，焊材迅速升溫達(dá)到熱塑化狀態(tài)，此時(shí)，材料分子間能夠?qū)崿F(xiàn)緊密的固相連接，這種連接方式避免了傳統(tǒng)熔化焊的熔池凝固收縮問(wèn)題，從根本上降低了焊接變形風(fēng)險(xiǎn)；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(duì)焊接強(qiáng)度、速度有特殊要求的任務(wù)，但是電子束焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備造價(jià)比較昂貴，并且裝配要求嚴(yán)格導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，以及焊接時(shí)易受磁場(chǎng)環(huán)境干擾和釋放有害射線等不適合用在實(shí)際生產(chǎn)中。這些焊接方法都能在鋁合金焊接領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)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(guò)程中匙孔移動(dòng)行程熔池。通過(guò)激光環(huán)形模數(shù)的增加，例如多模環(huán)形光斑和單模環(huán)形光斑等激光焊進(jìn)一步提高穿透力和降低熱輸入量，對(duì)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(guò)選擇不同的焊絲成分，有效解決焊接過(guò)程中合金元素?zé)龘p問(wèn)題，并可以對(duì)焊縫組織性能進(jìn)行調(diào)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(zhàn)。就激光束的吸收情況而言，其對(duì)波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光束，表面初始吸收率僅1.7%，即便面對(duì)波長(zhǎng)1.06μm的YAG激光束，吸收率也不過(guò)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(shí)際焊接操作時(shí)，必須選用高能量密度且高質(zhì)量的激光束，憑借瞬間強(qiáng)大的能量擊穿鋁合金表面，促使材料氣化，進(jìn)而構(gòu)建起穩(wěn)定的熔池。要達(dá)成穩(wěn)定熔池以實(shí)現(xiàn)深熔焊效果，激光能量必須突破一個(gè)關(guān)鍵閾值，該閾值能夠讓鋁合金氣化，并且在焊接全過(guò)程，激光能量還得穩(wěn)定、持續(xù)地輸出，毫無(wú)疑問(wèn)，這對(duì)激光焊設(shè)備的性能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了更高層級(jí)的要求。與此同時(shí)，鋁合金電離能偏低，在部分牌號(hào)鋁合金的焊接進(jìn)程中，大量等離子體會(huì)隨之產(chǎn)生。這些等離子體就像“能量黑洞”，會(huì)吸收相當(dāng)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(lái)維持熔池穩(wěn)定，最終導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性欠佳。再者，鋁合金屬于典型的共晶合金，這種特殊結(jié)構(gòu)在激光焊接快速凝固的過(guò)程中，相較于其他合金，更容易滋生熱裂紋與氣孔問(wèn)題。所以，綜合來(lái)看，焊接鋁合金時(shí)，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(yōu)良，才能應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜難題，保障焊接質(zhì)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(guò)改變被焊接板材間隙來(lái)控制熔池中的氣孔。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用1060牌號(hào)鋁合金進(jìn)行搭接焊，搭接區(qū)域面積100%。試樣厚度1mm，控制熔深0.8mm-1mm，實(shí)驗(yàn)在常溫環(huán)境下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前未對(duì)鋁合金做任何處理。焊接過(guò)程中用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，吹氣方式由于結(jié)構(gòu)限制，采用側(cè)吹形式，吹氣角度45°～60°，氣管距離焊縫表面15mm，保護(hù)氣流速控制在20m/min以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)采用通快6000W多模環(huán)形光斑激光器，激光通過(guò)光纖傳輸，內(nèi)外環(huán)比例可以根據(jù)需求任意分配，實(shí)驗(yàn)時(shí)使用能量芯環(huán)比1∶1，振鏡采用黑鳥(niǎo)振鏡焊接系統(tǒng)，焦點(diǎn)放大倍數(shù)2倍，焦點(diǎn)處光斑直徑0.32mm，光斑計(jì)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(zhǔn)直鏡距離、FF為聚焦鏡距離。

實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)為：功率3300W離焦量0焊接速度90mm/s圓行擺動(dòng)，擺動(dòng)寬度1.6mm。固定工藝參數(shù)不變，改變被焊零件的間隙a編號(hào)樣件無(wú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氣孔檢測(cè)方法

通過(guò)X光與金相切片分析氣孔數(shù)量和類型。圖3為金相照片，圖4為CT檢測(cè)照片。從圖中可以看出鋁合金激光焊接焊縫中會(huì)產(chǎn)生較多的氣孔。氣孔呈現(xiàn)出大小各異的狀態(tài)，其直徑并不統(tǒng)一，大多集中于焊縫的中心地帶，以及熔池的底部區(qū)域。

3.2 氣孔成形機(jī)理

在焊接過(guò)程中，氣孔形成的關(guān)鍵因素主要源于氫氣或空氣在高溫環(huán)境下的溶解現(xiàn)象。尤其在激光深熔焊這種工藝?yán)?，金屬材料?huì)經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化。金屬蒸汽和等離子氣體的波動(dòng)會(huì)使激光熱輸入量變得不穩(wěn)定，當(dāng)激光入射能量過(guò)多時(shí)，金屬吸收過(guò)多的激光能量產(chǎn)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(jìn)行反射，使匙孔吸收不到足夠的能量而變得不穩(wěn)定導(dǎo)致孔壁不穩(wěn)定容易坍塌。當(dāng)匙孔直徑過(guò)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(wú)法溢出從而形成氣孔。而匙孔坍塌后等離子氣體減少，無(wú)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(xù)形成穩(wěn)定的熔池，周而復(fù)始重復(fù)，熔池如波浪形并夾雜很多氣孔。減少氣孔可以通過(guò)增加保護(hù)氣、真空環(huán)境下焊接、擴(kuò)大匙孔、采用擺動(dòng)焊接方式和環(huán)形光斑激光器等方式[12-13]。

鋁合金焊接過(guò)程中氣孔的問(wèn)題目前有兩種有效的解決辦法。第一種，通過(guò)擴(kuò)大匙孔直徑，但這種方法僅能解決部分氣孔問(wèn)題，當(dāng)熔深越深時(shí)需要擴(kuò)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(guò)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(yōu)勢(shì)為熔池中氣孔的排出創(chuàng)造了有利條件。但是間隙過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致焊接炸孔，因此合理的間隙至關(guān)重要，本文將研究被焊零件間隙值對(duì)焊縫氣孔率的影響。

3.3 被焊零件間隙對(duì)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(huì)得到不同的氣孔率，在間隙0.2mm時(shí)，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(shí)候，出現(xiàn)炸孔，這是由于被焊零件間隙過(guò)大，當(dāng)金屬處于熔化狀態(tài)時(shí)，本應(yīng)憑借其流動(dòng)性對(duì)焊件間的縫隙進(jìn)行有效填充，然而實(shí)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(shí)地流入縫隙之中，致使焊接部位局部受力不均，內(nèi)部壓力失衡。隨著焊接的持續(xù)進(jìn)行，這種不穩(wěn)定狀態(tài)不斷累積，最終引發(fā)劇烈的能量釋放，形成所謂的炸孔。觀察實(shí)際熔深和實(shí)際熔寬情況，實(shí)際熔深和實(shí)際熔寬與目標(biāo)熔深和目標(biāo)熔寬相差不大，考慮測(cè)量等隨機(jī)因素的影響可以認(rèn)為滿足目標(biāo)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合適的間隙會(huì)減少焊縫中的氣孔率，同時(shí)對(duì)熔深和熔寬幾乎無(wú)影響，由于焦深的存在，在離焦一定范圍內(nèi)光斑直接幾乎無(wú)變化；過(guò)大的間隙會(huì)導(dǎo)致炸孔。

4 結(jié)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(kuò)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(shí)，可以有效地減少焊縫中的氣孔率。但是當(dāng)被焊零件間的間隙大于0.3mm時(shí)，由于熔化的金屬不能填充縫隙會(huì)發(fā)生炸孔。

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