房冬青，嚴(yán)振宇，黃超，王磊，盧東寧

（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

5056鋁合金激光-TIG電弧復(fù)合焊接接頭氣孔特性的研究

房冬青，嚴(yán)振宇，黃超，王磊，盧東寧

（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

針對(duì)5056鋁合金激光-TIG電弧復(fù)合焊接焊縫中的氣孔特性進(jìn)行了研究。利用X射線探傷、金相剖切等手段對(duì)氣孔的形態(tài)及分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在5056鋁合金激光-TIG電弧復(fù)合焊縫中的氣孔主要可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為熔池中未排除氣體形成的圓形氣孔，另一類(lèi)為氧化膜及小孔閉合形成的不規(guī)則氣孔。

鋁合金；激光電弧復(fù)合焊；氣孔特性

鋁合金是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料之一，其發(fā)展趨勢(shì)為材料的強(qiáng)度越來(lái)越高、質(zhì)量越來(lái)越輕，可隨之而來(lái)的問(wèn)題是材料的可焊性逐漸呈下降趨勢(shì)。目前，鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接存在效率低、缺陷多、變形大等問(wèn)題，而焊接氣孔的問(wèn)題尤為突出。

激光焊接技術(shù)是一種高效、柔性、精密的焊接技術(shù)。但鋁合金的導(dǎo)熱性高，且對(duì)激光具有高反射，特別是對(duì)波長(zhǎng)10.6μm的CO2激光的反射率高達(dá)97%以上。為克服鋁合金的高導(dǎo)熱、高反射等特性所導(dǎo)致的能量耦合的壁障，激光焊接鋁合金時(shí)要求極高的功率密度（約為鋼鐵材料的5倍），且對(duì)激光器的輸出功率和光束質(zhì)量要求極高［1-2］。顯然，高功率激光器的投入較大，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件裝配精度要求嚴(yán)格，焊接生產(chǎn)成本較高。

激光復(fù)合熱源焊接技術(shù)是將物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制完全不同的兩種熱源復(fù)合在一起，并同時(shí)作用于焊接位置。激光與電弧的復(fù)合使兩種熱源既充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢(shì)，又相互彌補(bǔ)了對(duì)方的不足，進(jìn)而形成了一種全新高效的熱源。激光-電弧復(fù)合焊實(shí)現(xiàn)了良好的焊接性及間隙適應(yīng)性，具有較高的焊接效率［3-6］。本文利用X射線探傷、金相分析及斷口分析等手段，對(duì)5056鋁合金激光-TIG電弧復(fù)合焊中的氣孔特性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)條件

焊接試驗(yàn)采用Slab CO2激光器及Miller TIG焊機(jī)。試驗(yàn)所用材料5056鋁合金是一種典型的Al-Mg系合金，其主要成分見(jiàn)表1。

表1 5056鋁合金的主要化學(xué)成分

焊后采用X射線探傷、金相剖切及靜載拉伸等手段，對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，分析焊縫內(nèi)氣孔的形貌及分布特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣孔形狀特征

通過(guò)對(duì)焊縫橫截面金相分析發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)的氣孔形態(tài)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由熔池中卷入的保護(hù)氣、空氣及水蒸氣等形成的氣孔，其形貌特征為圓形（圖1a）；另一類(lèi)是由于焊接過(guò)程中小孔閉合塌陷形成的氣孔，其形貌特征為不規(guī)則的異形（圖1b）。

圖1 焊縫中的氣孔形態(tài)

2.2 氣孔分布特征

當(dāng)焊縫非熔透時(shí)，其中的氣孔主要分布在中心位置（圖2）。當(dāng)焊縫實(shí)現(xiàn)穿透后，焊縫中的氣孔主要分布在焊縫兩側(cè)熔合線位置，且分布不均勻（圖3）。

圖2 未穿透焊縫中的鏈狀氣孔

圖3 穿透焊縫中的氣孔分布特征

對(duì)焊縫金相組織及接頭拉伸斷口的分析發(fā)現(xiàn)，焊縫中存在一些近似圓形的氣孔（圖4），這是因?yàn)樵诩す?電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，熱輸入量較小且鋁合金導(dǎo)熱率較高，故熔池冷卻速度較快，熔池中的部分氣泡來(lái)不及在表面張力作用下形成圓形即發(fā)生凝固。

圖4 鋁合金拉伸斷口位置的氣孔形態(tài)及分布

2.3 氣孔形成原因

針對(duì)熔池內(nèi)存在由氣體形成的氣孔，其產(chǎn)生條件為：

式中：R為焊縫的凝固速度（結(jié)晶前緣成長(zhǎng)速度）；Ve為氣泡的溢出速度；K為常數(shù)；ρL為液體金屬密度；ρG為氣泡密度；g為重力加速度；η為液體金屬粘度；r為氣泡半徑。

在非熔透焊縫焊接過(guò)程中，熔池底部由于靠近母材，故其凝固速度高于熔池的其他部位，熔池內(nèi)的氣體溢出速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔池的凝固速度。因此，焊縫底部易形成氣孔。

在熔透焊縫中，由于激光形成的深熔小孔穿透整個(gè)熔池，熔池底部的氣體可由小孔下部排出。熔池兩側(cè)由于靠近未熔化的母材，故形成了較大的溫度梯度，且兩側(cè)的冷卻速度高于熔池其他部位。因此，在穿透焊縫中熔池兩側(cè)易形成氣孔。

針對(duì)焊縫內(nèi)因小孔閉合形成的氣孔，分析其產(chǎn)生的原因?yàn)镃O2激光焊接過(guò)程中光致等離子體形3 結(jié)論

狀出現(xiàn)較大跳動(dòng)時(shí)，液態(tài)熔池內(nèi)深熔小孔發(fā)生變化或突然閉合，小孔內(nèi)部等離子體和金屬蒸汽會(huì)形成氣泡。當(dāng)熔池冷卻速度較快時(shí)，就會(huì)在冷卻的焊縫內(nèi)形成氣孔。

采用X射線探傷、金相剖切及斷口分析等手段，對(duì)5056鋁合金激光-TIG電弧復(fù)合焊縫中的氣孔形狀及位置特性進(jìn)行分析。氣孔按形狀可分為熔池內(nèi)來(lái)不及溢出氣體形成的氣孔及焊接過(guò)程不穩(wěn)定導(dǎo)致的不規(guī)則形狀的氣孔。未溢出氣體形成的氣孔主要分布在熔池中存在較大溫度梯度的區(qū)域。

［1］左鐵釧.高強(qiáng)鋁合金的激光加工［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［2］張趙林，程兆谷，雒江濤，等.激光焊接鋁合金的研究［J］.中國(guó)激光，1998，25（5）：477-480.

［3］Brenner B，StandfuβJ，Morgenthal L，et al.New technological aspects of laser beam welding of aircraft structures［C］.Düsseldorf，DVS 2004：19-24.

［4］趙耀邦，雷正龍，陳彥賓.激光功率對(duì)鋁合金激光-電弧雙面焊接頭特征的影響［J］.紅外與激光工程，2009，38（S）：454-457.

［5］趙耀邦，雷正龍，苗玉剛，等.鋁合金激光-電弧雙面焊接特性［J］.中國(guó)激光，2011，38（6）：117-123.

［6］雷正龍，陳彥賓，李穎，等.鋁合金CO2激光-TIG電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)研究［J］.航天制造技術(shù)，2012（4）：35-37.

Study on Pore Characteristics of 5056 Alum inum Alloy JointsWelded by Laser-TIG Hybrid

Fang Dongqing，Yan Zhenyu，Huang Chao，Wang Lei，Lu Dongning
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

The pore characteristics of welded by 5056 aluminum alloy joints were studied.The morphology and distribution of the pores were analyzed by X ray flaw detection and metallographic analysis.There are two kinds of pore in the joint.One is spherical pore formed by gas in the welding pool，the other one is irregular pore formed by instable key-hole or oxide films.

aluminum alloy；laser arc hybrid welding；pore characteristics

TG456.7

A

1009-279X（2015）05-0052-02

2015-05-21

房冬青，男，1986年生，工程師。