铝合金激光焊接气孔缺陷形成及抑制机理

田志骞，马国龙，石业勇，王 鹏

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

铝合金激光焊接气孔缺陷形成及抑制机理

田志骞1，马国龙2，石业勇1，王 鹏1

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

气孔是铝合金激光焊缝重要的缺陷形式，对焊缝力学性能具有较大的影响。综述了铝合金激光焊接中气孔缺陷的形成及抑制机理。氢气孔和由不稳定匙孔塌陷造成的气穴是铝合金气孔缺陷的两种主要类型。氢气孔的形成与熔池中氢的溶解度剧变密切相关，通过减少氢的进入量以及获得合适的熔池冷却速度可有效抑制氢气孔数量。匙孔的稳定性是影响气穴形成的主要因素，通过采取合适的工艺措施改善熔池流动行为、增大匙孔尺寸，可明显提高匙孔稳定性，减少气穴数量。

铝合金；激光焊接；气孔；抑制

0 前言

铝合金具有密度低、比强度高以及良好的耐腐蚀性等优点，因此在汽车工业、航空航天和其他工业领域得到了广泛应用。电弧焊、电阻焊、摩擦焊、电子束焊以及激光焊等焊接方法[1]也已应用于铝合金件的生产制造。与其他焊接方法相比，激光焊具有明显的优势，如高的生产效率、优良的焊缝质量、低变形、生产的柔性化以及易于实现自动化等[2]，因此成为铝合金焊接最有前景的一项连接技术。

激光焊接质量与所焊材料的物理性能密切相关。由于铝合金固有的物理性质，比如对激光低的吸收率、合金元素（Mg、Zn等）的低沸点、高的热导率、高的热膨胀系数、相对较宽的凝固温度区间、高的凝固收缩率、低粘度以及液态下高的吸氢性等[3]，因此在激光焊接过程中容易产生气孔、热裂纹等缺陷。其中，气孔是铝合金激光焊接过程中最容易产生的缺陷形式，它会破坏焊缝金属的致密性，削弱焊缝的有效截面积，降低焊缝的力学性能和耐蚀性。因此，气孔的存在对焊缝的性能影响较大，必须

采取有效措施防止气孔的产生。本研究综述了国内外在铝合金激光焊接气孔缺陷的研究进展，明确了气孔缺陷的形成机理及相应的影响因素，对于抑制铝合金气孔缺陷、提高焊缝质量具有重要的意义。

1 气孔缺陷分类

在铝合金焊接熔池凝固过程中，气泡来不及溢出而滞留在焊缝中形成的空穴称为气孔。观察焊缝中的气孔[4-5]，根据气孔的尺寸和微观特征将气孔分为两大类：一类尺寸较小，呈圆形，内壁光滑并有枝晶末端出现，这类气孔称为氢气孔（见图1a）；另一类尺寸较大，呈不规则形状，内壁粗糙并有明显的晶体生长台阶产生，这类气孔称为气穴（见图1b）。

图1 铝合金焊缝中气孔形貌的扫描电镜照片[4]

2 氢气孔

2.1 氢气孔的形成机理

氢是可明显溶解于铝合金的一种气体，因此几乎铝合金中所有的冶金气孔都与氢有关。氢在固态铝中的溶解度很低（约为0.034 mL/100 g），当温度达到铝的熔点之上时，氢的溶解度急剧增大（约为0.65mL/100g），且随着温度的升高指数增大[6]。因此，即使熔体温度变化很小的数值，氢的溶解度也会明显变化。激光焊接过程中熔池的温度非常高，且与传统的电弧焊相比，冷却速度大大提高，因此，在熔融态铝的冷却和凝固过程中，氢的溶解度大大降低，超出溶解极限的氢将会被排斥到固-液界面，如果这部分氢不能逃逸到熔池表面，将会在焊缝中形成气孔。这是氢容易使焊缝产生气孔的重要原因之一。

铝及铝合金在焊接时，焊缝中能否产生氢气孔主要取决于氢的含量以及熔池的冷却速度。铝合金中氢含量超过某一临界值时才会形成氢气孔，这一临界值与合金成分和冷却速率有关。随着冷却速度的增加，形成气孔所需氢含量的临界值也增加。因此，在激光焊接过程中提高冷却速度可以减小气孔尺寸和气孔含量[7]。另一方面，冷却速度提高的增大会导致熔池凝固时间的缩短，不利于气泡长大和排出。因此，存在一个临界冷却速度，可以抑制气孔的形成和长大，从而获得气孔率最小的焊缝。

2.2 氢气孔抑制措施及机理

研究表明，铝合金激光焊接过程中氢气孔的数量与母材表面状态、焊接工艺参数以及焊接环境等因素有关。

铝合金中的氢主要来源于母材和填充材料表面吸附的水分、有机物等含氢物质。在激光焊接Al-Li合金过程中发现[8-10]，母材表面形成的氧化膜易吸收水分，是焊缝中氢的主要来源，从而导致焊缝中氢气孔的产生；在焊前通过化学铣削等措施去除表面的氧化膜后能够显著降低氢气孔量，提高焊缝的力学性能。在焊接A356铝合金时同样发现母材的表面状态明显影响焊缝氢气孔量，通过机械抛光、喷砂、激光表面处理等措施去除表面的氧化物可以显著降低焊缝氢气孔量[5，11]，且激光表面处理效果最好，氢气孔量最低。铝合金表面处理后应及时进行焊接，防止表面再次氧化。

焊接工艺参数主要通过影响熔池冷却速度，进而对氢气孔量产生影响。在相同的表面状态下，通过增加焊接速度，即提高熔池冷却速度，可以明显降低A356铝合金的气孔率[5，11]。这是因为冷却速度的提高既提高了形成气孔的氢的临界含量，又抑制了氢的析出凝聚，抑制了氢气孔的产生，获得氢的过饱和接头，从而降低气孔率。此外，高能量密度的激光能够保证焊接过程中匙孔的稳定性，延长凝固时间，使产生的氢气泡溢出，因此通过高功率的Nd：YAG激光、光纤激光焊接也可以减小氢气孔量[12]。

焊接环境（如大气温度、湿度等）也会对氢气孔量产生影响。研究发现，在焊接A5083铝合金的过

程中[13]，当温度较低时，湿度的变化对焊缝中氢气孔量影响较小；当温度较高时，随湿度增大，焊缝中的氢气孔量明显增大。这是当周围湿度较大时，由于保护不好或者保护气湍流等原因导致周围空气进入熔池中，与熔池反应产生越多的氢，从而提高了气孔率。

由以上分析可以发现，铝合金激光焊接过程中氢含量和熔池冷却速度是影响氢气孔量的两个重要因素。通过在焊前对材料进行表面处理，焊接过程中进行良好的熔池保护，可以有效减少熔池中氢含量；采取合理的工艺参数，控制熔池冷却速度，使氢有充足的时间析出、聚集、逃逸或者不能析出，都可以有效降低焊缝氢气孔量。

3 气穴（匙孔塌陷形成的气孔）

3.1 气穴形成机理

铝合金激光焊接中发现，即使通过合理处理母材、激光参数以及保护气，铝合金激光焊缝中仍然存在气孔[12]。这种气孔主要呈不规则形状，分布在匙孔路径处，称为气穴；而氢气孔主要分布在熔合线附近。另一方面，在氦气气氛中采用CO2激光焊焊接3003、5052、5182以及7N01铝合金时，气孔中只有60％～80％的气体为氢，其余的为氮（约为10％～38％）和氦（约为2％～16.5％）[14]。该类气孔与氢气孔具有不同的形成机理。

匙孔是激光深熔焊的重要特征，它的存在主要与焊接过程中所受的蒸气反作用力（促进匙孔形成）、表面张力（阻碍匙孔形成）以及重力相关。由于匙孔壁附近熔体气化过程是不稳定的（即蒸气反作用力不稳定），且匙孔位置实时变化，因此焊接过程中匙孔波动非常快。研究发现，当匙孔不稳定时气穴数量大大增加，而当匙孔稳定或者为热导焊时，气穴数量明显减少[7]。这一现象表明气穴的存在是由于不稳定匙孔的塌陷造成的[15-17]。Pastor等人[15]对不稳定匙孔塌陷形成气孔的机理进行了研究，如图2所示，发现匙孔内部受力是否平衡是影响气穴形成的重要因素。当蒸气反作用力小于表面张力时，会在匙孔后壁形成凸起，并且尺寸逐渐增大；形成的凸起在重力作用下向下运动，由于匙孔末端尺寸较小，凸起会将末端完全封闭住，造成匙孔的不稳定直至塌陷形成气孔。

图2 匙孔塌陷导致气穴形成原理示意[15]

Seiji Katayama等人[16-17]采用原位X射线透射成像系统对焊接过程匙孔的不稳定性以及气穴形成过程进行了实时观察，如图3所示，可以发现气泡是从匙孔末端产生滞留在焊缝中形成气穴。

图3 X射线透射成像系统观察到的气穴形成的过程[17]

3.2 气穴抑制措施及机理

铝合金激光焊接过程中匙孔的稳定性是影响气穴数量的重要因素，而匙孔的稳定性与诸多因素有关，包括焊接速度、熔透状态、接头形式以及激光能量输入方式等。

Seiji Katayama等人[16-17]对不同焊接速度下熔池的流动行为以及焊缝气穴数量进行了研究，如图4所示。研究表明，随着焊接速度的提高，焊缝中气穴数量减少，这与不同焊接速度下匙孔稳定性以及熔池的流动行为有关。低速焊时，匙孔易塌陷，稳定性差，激光辐射到坍塌的匙孔壁熔体上时由于蒸气反作用力的作用会产生向下的流动，使得产生的气泡在熔池底部旋转，从而滞留在焊缝中形成气穴；高

速焊时，匙孔稳定性大大提高，气泡数量减少，且匙孔附近熔体直接流向熔池表面，气体可以迅速溢出熔池，从而得到无气穴的焊缝。

图4 不同焊接速度下熔池流动行为以及气穴形成过程示意[16]

Yangchun Yu等人[4]研究了铝合金激光填丝焊过程中熔透状态对气穴数量的影响。与激光自熔焊相比，激光填丝焊过程中的熔滴冲击作用加剧了匙孔的不稳定性，因此焊缝中气穴数量增加（见图5a）。通过采用带间隙的对接接头形式进行填丝焊可以显著降低气穴数量（见图5b）。这是因为一方面对接间隙的存在减小了形成匙孔所克服的阻力，提高了匙孔稳定性，减小了保护气滞留的倾向；另一方面，间隙的存在为液态金属的流动提供了一个天然通道，减弱了熔滴对匙孔的冲击作用，同时也为气体逃逸提供了通道。间隙的存在同样可以减少搭接接头中气穴数量[18]。另外，通过提高激光功率，使得匙孔可以贯通无气穴的焊缝。这是由于贯通后的匙孔呈完全张开状态，稳定性大大提高。

A.Haboudou等人[5]采用双光束激光焊接技术进行铝合金的焊接，通过能量的协调控制，提高铝合金中匙孔的稳定性，达到降低气穴数量的目的。研究表明，与单光束激光焊接相比，双光束焊接能够明显提高焊接过程的稳定性，显著降低气穴数量。双光束焊接的工艺参数中，光斑间距是影响气穴数量的重要因素，随着光斑间距的增大，气穴数量逐渐降低。通过分析熔池尺寸和熔池表面流动速度，发现随着双焦点光斑间距的增大，熔池长度逐渐增大，这将产生两方面的作用：一是大的熔池能够衰减熔体波动，使得熔体流动过程稳定，凝固后可以获得成形良好的焊缝；二是大的熔池也为熔池中气体的溢出提供了充足的时间，从而降低了焊缝气穴数量。

赵琳等人[19]采用光束摆动法也减小了焊缝气穴数量。摆动频率越大，摆动幅度越大，对熔池的搅拌越大，越有利于气泡的逸出，气孔越少。

综上所述，铝合金激光焊接过程中匙孔的稳定性受诸多因素影响，可根据实际焊接情况选择合适的工艺措施保证匙孔的稳定性，有效抑制气穴数量。

4 结论

铝合金激光焊接过程中气孔缺陷主要有两类：

小尺寸的氢气孔以及由匙孔塌陷形成的大尺寸气穴。在熔深较浅的热导焊中，溶解氢是形成气孔的主要原因。在深熔焊过程中，不稳定匙孔的塌陷是焊缝气孔的主要来源。对于氢气孔，主要通过避免或者尽量减少进入焊缝中的氢含量来消除，采取的措施有：焊前去除母材和填充材料的氧化物、焊接过程中良好保护以及提高熔池冷却速度等。对于气穴，主要通过提高匙孔的稳定性来消除，采取的措施有：提高焊接速度、熔池搅拌、接头预留间隙、匙孔贯通以及双光束的焊接等。

图5 不同熔透状态下填丝焊气穴形成过程示意[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

田志骞（1985—），男，山东人，工程师，学士，主要从事铝合金焊接技术方面的工程和研究工作。