焊接工藝對(duì)7N01P鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭中氣孔的影響

王浩 葛明韜 施偉琪 侯艷喜 徐榮正

摘要：鋁合金在激光-熔化極惰性氣體保護(hù)（melt inert-gas，MIG）復(fù)合熱源焊接過(guò)程中形成的氣孔會(huì)引起應(yīng)力集中、降低焊接接頭的強(qiáng)度和塑性等問(wèn)題，從而明顯降低焊接接頭的性能。采用激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)，對(duì)4 mm厚7N01P鋁合金進(jìn)行了對(duì)接焊接，分析了焊接工藝對(duì)焊接接頭中氣孔的影響。結(jié)果表明，采用復(fù)合熱源焊接技術(shù)，在送絲速度為7.0、8.0、9.0 m/min，焊接速度為0.9、1.0、1.1 m/min，功率分別為2.3、2.4、2.5 kW時(shí)均可以實(shí)現(xiàn)7N01P 鋁合金板材的單面焊雙面成形。當(dāng)激光功率為2.3 kW，送絲速度為9.0 m/min，焊接速度為1.0 m/min時(shí)，焊接接頭中的氣孔數(shù)量最少，氣孔率約為1.2%。此外，激光功率的變化會(huì)影響焊接接頭中氣孔的形成，隨著激光功率從2.3 kW增加到2.5 kW時(shí)，氣孔數(shù)量先增加后下降；送絲速度的變化也會(huì)影響焊接接頭中氣孔數(shù)量，當(dāng)送絲速度由7.0 m/min增加至9.0 m/min時(shí)，氣孔數(shù)量有所降低；而焊接速度對(duì)焊接接頭中氣孔的影響是雙向的，隨著焊接速度的增加，氣孔數(shù)量先減少（焊接速度從0.9 m/min到1.0 m/min）后增加（焊接速度在1.1 m/min）?？梢?jiàn)，工藝參數(shù)的優(yōu)化可以起到減少焊接接頭中氣孔的作用。

關(guān)鍵詞：鋁合金；復(fù)合熱源焊接；焊接工藝；氣孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（S202010143037）

Influence of Welding Process on the Porosity of Laser-MIG Hybrid Welded 7N01P Aluminum Alloy Joint

WANG Hao， GE Mingtao， SHI Weiqi， HOU Yanxi， XU Rongzheng

（School of Materials Science and Engineering， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110136， China）

Abstract： The porosity of aluminum alloy formed in the process of laser melt inert-gas （MIG） hybrid heat source welding will cause stress concentration， reduction of strength and plasticity of the welded joint， and other problems， thus the performance of the welded joint is significantly decreased. The butt welding of 4 mm thick 7N01P aluminum alloy was carried out by using laser MIG hybrid heat source welding technology， and the influence of welding process on the porosity in the welding joint was analyzed. The results show that when the wire feeding speed is 7.0， 8.0 and 9.0 m/min， the welding speed is 0.9， 1.0 and 1.1 m/min， and the power is 2.3， 2.4 and 2.5 kW， the single side welding double side forming of 7N01P aluminum alloy sheet can be realized. In addition， the change of laser power will affect the formation of pores in the welded joint. With the laser power increased of from 2.3 kW to 2.5 kW， the number of pores first increases and then decreases. The change of wire feeding speed will also affect the number of pores in the welded joint. When the wire feeding speed is increased from 7.0 m/min to 9.0 m/min， the number of pores decreases. However， the effect of welding speed on porosity is bidirectional. With the increase of welding speed， the number of pores first decreases（welding speed from 0.9 m/min to 1.0 m/min） and then increases （welding speed at 1.1 m/min）. It can be seen that the optimization of process parameters shows an effect of reducing the porosity in the welded joint.

Keywords： aluminum alloy； hybrid heat source welding； welding process； porosity

激光-熔化極惰性氣體保護(hù)（melt inert-gas，MIG）復(fù)合熱源焊接技術(shù)，具有焊接速度快、焊接過(guò)程穩(wěn)定、熱效率高以及橋接性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種非常適合鋁合金的高效化熔焊方法[1-2]。例如，相比于MIG焊接技術(shù)，激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)的熱源能量密度更大，焊接效率更高；而相比于激光焊接技術(shù)，激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)中由于MIG電弧的加入，使待焊鋁合金材料對(duì)于熱源的吸收率明顯提高，從而大幅度提高了焊接熱量的利用率。此外，激光-MIG在復(fù)合熱源焊接過(guò)程中，還可以通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、合理匹配激光與電弧之間的關(guān)系，來(lái)調(diào)控能量分布，從而改善接頭的質(zhì)量[3-6]。但需要引起注意的是，由于激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)存在焊接工藝參數(shù)繁多，且各參數(shù)之間關(guān)系十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此，也給焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化造成了極大的困難[7]。

目前，針對(duì)鋁合金的激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)已經(jīng)開(kāi)展了較為廣泛的研究，但研究的焦點(diǎn)主要集中在分析焊接工藝、組織與性能之間的關(guān)系等方面[8-9]。然而，對(duì)于鋁合金，由于具有熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快等特點(diǎn)，很容易在焊接過(guò)程中形成危害焊接接頭性能的氣孔。因此，如何降低鋁合金熔焊接頭中的氣孔數(shù)量與尺寸，從而提高接頭的質(zhì)量，一直是鋁合金熔焊領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。但是，目前針對(duì)鋁合金的激光-MIG復(fù)合熱源焊接中焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程中氣孔的影響的研究較少，在一定程度上限制了這種高效化焊接技術(shù)的工程化應(yīng)用。

鑒于A7N01高強(qiáng)鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的加工性能和焊接性能等特點(diǎn)，使其在促進(jìn)構(gòu)件輕量化的過(guò)程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，A7N01高強(qiáng)鋁合金在航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10-14]。本文選取綜合性能優(yōu)異的7N01P鋁合金作為研究對(duì)象，采用激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)對(duì)其進(jìn)行對(duì)接焊接，重點(diǎn)研究激光功率、送絲速度和焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭中氣孔的影響，為促進(jìn)激光-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)在鋁合金焊接領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持與理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)中采用的焊接材料為7N01P鋁合金板，規(guī)格為150 mm × 75 mm × 4 mm；焊絲采用的是ER5356鋁合金焊絲，直徑為1.2 mm。鋁合金母材及焊絲的成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中采用的設(shè)備為激光-MIG復(fù)合熱源焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其主要由激光器、機(jī)器人（KUKA KR60）以及MIG焊機(jī)組成。其中，所用的激光器是Trumpf-TruDisk10002型碟片激光器，激光波長(zhǎng)為1 030 nm，最大連續(xù)輸出功率為10 kW，光束質(zhì)量為8 mm·mad，功率穩(wěn)定性在 +1%，準(zhǔn)直焦距為200 mm，聚焦焦距為300 mm，傳輸光纖芯徑為400 μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先依次對(duì)待焊鋁合金板材表面進(jìn)行酸洗、堿洗；然后用刮刀等工具打磨，去除待焊7N01P鋁合金表面的氧化膜；隨后采用丙酮清洗其表面，進(jìn)一步清除表面殘余的雜質(zhì)油污。待焊板材采用對(duì)接結(jié)構(gòu)形式組對(duì)，且在對(duì)接結(jié)構(gòu)之間預(yù)留1 mm間隙，通過(guò)夾持工具夾緊并固定在工作臺(tái)上。

本實(shí)驗(yàn)采用純度99.9%的氬氣作為保護(hù)氣體，氣體流量為14 L/min。選用激光前置的焊接方式進(jìn)行焊接，如圖1所示。激光與電弧夾角保持在35°，離焦量確定為 2 mm，光絲間距選擇在1 mm。激光功率控制在2.3～2.5 kW，焊接速度控制在0.9～ 1.1 m/min。采用一元化模式控制電弧工藝參數(shù)，通過(guò)改變送絲速度的方式來(lái)調(diào)整電弧輸出功率。本實(shí)驗(yàn)中送絲速度與MIG焊機(jī)電流和電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。采用的復(fù)合熱源焊接工藝參數(shù)如表3所示。

焊接后，沿垂直于焊縫方向截取并制備金相試樣，依次使用240#、400#、800#和1 200#砂紙進(jìn)行打磨，并用金絲絨布進(jìn)行拋光，隨后采用Keller試劑（HF、HCl、HNO3、H2O體積比為2∶3∶5∶90）對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕。在金相顯微鏡下觀察焊接接頭中氣泡數(shù)量和尺寸，并計(jì)算焊接接頭中的氣孔率。本實(shí)驗(yàn)中，氣孔率是指焊接接頭橫截面內(nèi)氣孔面積占焊接接頭截面面積的百分比，截面面積和氣孔面積通過(guò)Photoshop軟件測(cè)量獲得。

2 結(jié)果及分析

2.1 激光功率對(duì)氣孔的影響

圖2是在送絲速度為8.0 m/min、焊接速度為1.0 m/min時(shí)，在不同激光功率下獲得的7N01P鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭的橫截面形貌，其中圖2（a）、（b）和（c）分別為功率為2.3、2.4、2.5 kW時(shí)獲得的接頭的橫截面形貌。由圖2可見(jiàn)，在3種工藝參數(shù)下，均獲得了成形較好的鋁合金單面焊雙面成形接頭。當(dāng)激光功率為2.3 kW時(shí)，激光的能量較低，對(duì)焊接接頭中熔池的沖擊和影響作用較小，使氣孔形成的概率較低，因此，產(chǎn)生氣孔的數(shù)量較少。隨著激光功率增加至2.4 kW，激光對(duì)焊接接頭中熔池沖擊作用逐漸增加，使熔深增加，熔池的穩(wěn)定性變差，而焊接接頭內(nèi)氣孔形成的幾率也隨之增加，導(dǎo)致接頭中氣孔數(shù)量增多。而隨著激光功率進(jìn)一步增加至2.5 kW，焊接接頭中熔池變寬，且存在時(shí)間增長(zhǎng)，使氣孔逸出面積和逸出時(shí)間均增大，從而有利于氣孔的逸出，致使氣孔數(shù)量有所下降?？梢?jiàn)，隨著激光功率的增加，氣孔的數(shù)量和尺寸呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。此外，由于激光功率的增加，導(dǎo)致焊接接頭處熱輸入增加，熔池的存在時(shí)間有所延長(zhǎng)，在增加了氣孔逸出時(shí)間的同時(shí)，也導(dǎo)致部分氣孔尺寸的增大，當(dāng)長(zhǎng)大的氣孔來(lái)不及完全逸出時(shí)，容易在熔池的邊緣部位形成尺寸較大的氣孔。

2.2 送絲速度對(duì)氣孔的影響

圖3是在焊接速度為1.0 m/min、激光功率為2.3 kW時(shí)，在不同送絲速度下獲得的7N01P鋁合金激光-MIG復(fù)合熱源焊接接頭的橫截面形貌，其中圖3（a）、（b）和（c）分別為送絲速度為7.0、8.0、9.0 m/min時(shí)獲得的焊接接頭的橫截面形貌。從圖3中可以看到，在3種送絲速度下均實(shí)現(xiàn)了鋁合金的單面焊雙面成形。隨著送絲速度的增加，氣孔數(shù)量有所降低。當(dāng)送絲速度為7.0 m/min時(shí)，MIG焊的焊接電流和電壓較小，焊接熱輸入較小，熔池面積較小，氣孔逸出時(shí)間較短，不利于氣孔的逸出。隨著送絲速度的增加，MIG焊的電流和電壓也隨之增加，而激光功率不變，因此，焊接過(guò)程中的熱輸入隨之增加，熔池存在時(shí)間更長(zhǎng)，有效地增加了氣孔逸出的時(shí)間，從而使氣孔數(shù)量降低[13]。此外，由于送絲速度的增大，導(dǎo)致熔池寬度的增加，這在一定程度上也有利于氣孔的逸出。因此，焊接接頭中的氣孔數(shù)量隨著MIG焊送絲速度的增加而降低。

2.3 焊接速度對(duì)氣孔的影響

圖4是在送絲速度為9.0 m/min、激光功率為2.3 kW時(shí)，在不同焊接速度下獲得的鋁合金激光- MIG復(fù)合熱源焊接接頭的橫截面形貌，其中，圖4（a）、（b）和（c）分別為焊接速度為0.9、1.0、1.1 m/min時(shí)獲得的焊接接頭的橫截面形貌。由圖4可見(jiàn)，在3種參數(shù)下均實(shí)現(xiàn)了鋁合金的單面焊雙面成形。隨著焊接速度的增加，氣孔數(shù)量先減少后增加，氣孔尺寸略微增大。當(dāng)焊接速度為0.9 m/min時(shí)，較小的焊接速度使激光停留時(shí)間長(zhǎng)、熱輸入量大，匙孔穿透材料，使部分氣體逸出，導(dǎo)致氣孔形成的概率較低。隨著焊接速度增加至1.0 m/min，熔池金屬的溫度梯度增加，金屬冷卻速度加快使其黏度提升、表面張力增大，導(dǎo)致匙孔穩(wěn)定性提高、氣孔率下降。而隨著焊接速度繼續(xù)增大至1.1 m/min時(shí)，熔池冷卻速度過(guò)快，部分氣體來(lái)不及上浮逸出，導(dǎo)致焊接接頭中氣孔數(shù)量的增多和尺寸的略微增加。此外，隨著焊接速度的增加，保護(hù)氣體對(duì)熔池的保護(hù)效果也會(huì)變差，這也容易導(dǎo)致氣孔數(shù)量和尺寸的增加。

2.4 氣孔對(duì)焊接接頭性能影響及其形成機(jī)制

氣孔的存在會(huì)使焊件有效載荷橫截面面積變小、力學(xué)性能下降，并使焊接接頭的致密性變差、綜合性能降低[15]。同時(shí)，在氣孔的邊緣處很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使焊接接頭的塑性變差。因此，氣孔的存在對(duì)焊接接頭的性能會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響。

本文主要分析了激光功率、送絲速度和焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭中氣孔的影響。對(duì)于不同工藝下的氣孔率的分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，焊接工藝參數(shù)與氣孔的關(guān)系比較復(fù)雜。本研究中氣孔率約在1.20%～3.96%，說(shuō)明通過(guò)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠在一定程度上降低焊接接頭中的氣孔率。

根據(jù)氣孔形成機(jī)制的不同，激光-MIG復(fù)合熱源焊接接頭中的氣孔以氫氣孔為主，形成機(jī)制主要可以分為兩類(lèi)。一類(lèi)是由熔池中析出的氫未逸出熔池表面而形成的氣孔，稱(chēng)之為冶金類(lèi)氣孔，如圖2（b）上部所示。這類(lèi)氣孔大多為球形，且內(nèi)壁光滑。在復(fù)合熱源焊接中，焊接速度快，焊縫和熔池較窄，熔池冷卻較快，氣孔來(lái)不及逸出，是冶金類(lèi)氣孔產(chǎn)生的主要原因。另一類(lèi)是在激光為主的深熔焊接時(shí)，由于激光束的劇烈波動(dòng)，金屬蒸汽的壓力小于鋁合金的表面張力，匙孔不能維持穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生塌陷，此時(shí)熔化的鋁合金沒(méi)有及時(shí)填入其中，形成的氣孔為工藝類(lèi)氣孔，如圖4（a）上部和圖2（c）下部所示。這類(lèi)氣孔一般形狀不規(guī)則，直徑較大。這是由于復(fù)合熱源焊接工藝參數(shù)繁多，激光束的沖擊會(huì)引起熔池的劇烈波動(dòng)，使其瞬間失穩(wěn)，形成工藝類(lèi)氣孔。

3 結(jié) 論

本文采用激光-MIG 復(fù)合熱源焊接技術(shù)，對(duì) 7N01P鋁合金板材進(jìn)行了對(duì)接焊接，并通過(guò)單變量法研究了工藝參數(shù)對(duì)氣孔的影響，主要結(jié)論如下：

（1）在本實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)復(fù)合熱源焊接技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)7N01P 鋁合金板材的單面焊雙面成形。通過(guò)焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠起到降低焊接接頭中氣孔率的作用。當(dāng)激光功率為2.3 kW，送絲速度為9.0 m/min，焊接速度為1.0 m/min時(shí)，焊接接頭中的氣孔率最低，約為1.20%。

（2）激光功率的變化能夠影響接頭中氣孔的形成，隨著激光功率從2.3 kW增加到2.5 kW，焊接接頭中氣孔數(shù)量和尺寸先增加后減少；送絲速度的變化也會(huì)影響接頭中的氣孔數(shù)量，隨著MIG焊送絲速度由7.0 m/min增加到9.0 m/min時(shí)，焊接接頭中氣孔數(shù)量有所降低；而焊接速度對(duì)焊接接頭中氣孔的影響是雙向的，隨著焊接速度的增加，焊接接頭中的氣孔數(shù)量先減少（焊接速度從0.9 m/min到1.0 m/min）后增加（焊接速度在1.1 m/min）。

（3）獲得的7N01P鋁合金激光-MIG 復(fù)合熱源焊接接頭中存在的氣孔類(lèi)型，按照形成機(jī)制的不同，主要分為冶金類(lèi)和工藝類(lèi)兩種氣孔。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]陳東方， 張鐵浩， 張風(fēng)東， 等. 高速列車(chē)用7N01鋁合金攪拌摩擦焊研究[J]. 焊接技術(shù)， 2015， 44（3）： 74–76.

[ 2 ]倪維源， 楊尚磊， 賈進(jìn)， 等. 高速列車(chē)用高強(qiáng)A7N01鋁合金焊接接頭的組織與性能[J]. 熱加工工藝， 2014， 43（19）： 22–25.

[ 3 ]劉云祺， 王偉， 朱宗濤. 激光-MIG復(fù)合熱源鋼/鋁異種金屬深熔釬焊[J]. 中國(guó)科學(xué)： 物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)， 2020， 50（3）： 74–82.

[ 4 ]黃俊， 徐望輝， 劉靜， 等. 旋擺TIG-MIG復(fù)合熱源堆焊焊縫成形研究[J]. 熱加工工藝， 2020， 49（5）： 49–52.

[ 5 ]王勇， 張志毅， 果偉， 等. 不同評(píng)定方法對(duì)高速列車(chē)A7N01鋁合金焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響[J]. 電焊機(jī)， 2018， 48（3）： 171–175.

[ 6 ]李波， 武美妮， 金文濤， 等. 高速列車(chē)A7N01P-T4鋁合金焊接接頭腐蝕行為研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)， 2014， 26（3）： 223–227.

[ 7 ]劉紅偉， 李京龍， 馬志華， 等. 7A05鋁合金CO2激光-MIG復(fù)合焊氣孔形成及控制機(jī)理[J]. 焊接技術(shù)， 2016， 45（5）： 79–82.

[ 8 ]高寶杰， 吉華， 樊云杰， 等. 脈沖MIG焊對(duì)7N01鋁合金焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2012， 41（15）： 138–140.

[ 9 ]王元良， 陳輝. 高速列車(chē)鋁合金焊接的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電焊機(jī)， 2010， 40（10）： 9–16.

[10]楊振東， 康銘， 徐伍剛， 等. 時(shí)效制度對(duì)7N01鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J]. 熱處理技術(shù)與裝備， 2020， 41（2）： 45–50.

[11]余鵬， 孫維光， 馬傳平. A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭低溫韌性研究[J]. 電焊機(jī)， 2020， 50（4）： 111–115.

[12]QIAO J N， LU J X， WU S K. Fatigue cracking characteristics of fiber Laser-VPTIG hybrid butt welded 7N01P-T4 aluminum alloy[J]. International Journal of Fatigue， 2017， 98： 32–40.

[13]QIN C， GOU G Q， CHE X L， et al. Effect of composition on tensile properties and fracture toughness of Al-Zn-Mg alloy （A7N01S-T5） used in high speed trains[J]. Materials & Design， 2016， 91： 278–285.

[14]侯艷喜， 羅子藝， 易耀勇， 等. A7N01鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接焊縫成形與組織性能研究[J]. 激光技術(shù)， 2020， 44（3）： 304–309.

[15]殷傳亞， 邢彥鋒， 金光燦， 等. 送絲速度對(duì)6061鋁合金/ DP590鍍鋅鋼CMT點(diǎn)塞焊接頭性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2018， 47（11）： 183–185.