铝合金摆动激光-MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)气孔抑制研究

简介：采用摆动激光-MIG焊混合焊接法对AA6082铝合金进行焊接。通过电子束摆动，可以在100-300安培的电弧电流范围内有效地抑制孔隙率（特别是在低电弧电流水平下）。随着摆动幅度和频率的增加，孔隙率大大降低，并获得了不同振幅下无孔隙的阈值频率。通过“三明治”高速视频法观察匙孔行为，并研究了光束摆动对孔隙形成和抑制的影响。研究中发现孔隙率的抑制取决于三个原因——其一，高频摆动匙孔可以“捕获”熔池和凝固前沿的气泡或空腔。其二，高频摆动可以扩大匙孔直径，提高匙孔稳定性。第三，光束摆动可以在熔池中形成搅拌效应、产生湍流，降低气泡向凝固前沿移动的可能性。

1.介绍

铝合金重量轻、比强度高、耐蚀性好、成本低，因此其高效高质的焊接备受关注。激光焊接由于其熔深、焊接速度快、焊接灵活，是一种重要的铝合金熔焊工艺。然而，激光焊接在铝合金上的应用通常受到严重气孔缺陷的限制，尤其是那些厚度在4 mm以上的中厚板。

铝合金激光焊接中的气孔类型主要是匙孔类气孔，根据近年来相关研究，其形成原因已基本明朗。通过X射线相位对比和“三明治”观察方法，Miyagi等人证明孔隙来源于匙孔不稳定产生的气泡。此外，Huang等人的研究发现由于熔融更强烈，小孔更不稳定，铝比钢更容易形成匙孔类气孔。

激光-电弧复合焊接(Laser-arc hybrid welding,LAHW)由于激光和电弧焊接过程的协同效应而受到越来越多的关注。虽然深穿透（熔深）是LAHW的一个优点，但在中厚钢板中，匙孔类气孔仍然很严重。一般认为，高电弧电流有利于抑制匙孔类气孔。Katayama等人通过研究首次发现，只有当电弧电流大于240 A时，才能有效抑制5 mm厚铝镁板的气孔。Chen Zhang等人利用300 A电弧电流成功消除了LAHW 8 mm厚AA6082铝合金的气孔。他们进一步证明，高电弧电流可以抑制熔池并缩短上浮距离，这为气泡从熔池中逸出创造了条件。上述研究表明，要克服LAHW中厚铝合金中的气孔，需要超过240安培的电弧电流。然而，高电弧电流意味着过多的热量输入，这将使晶粒粗大并削弱焊缝。到目前为止，在中低电弧电流下消除LAHW中厚铝合金的气孔仍颇具挑战性。

▲图1 LAHW焊缝#6的晶界特征分布(GBCD)图，(a)截面内的试验位置，(b)焊缝中心的金属焊缝区，区域1的细节图，(c)区域4的细节图，(d)熔合线旁边的金属焊缝区，区域2的细节图，(e)热影响区，区域4的细节图。小角度晶界(LABs)和大角度晶界(HABs)分别用红色和黑色线条描绘

近期，光束摆动被用来抑制激光焊接中的匙孔类气孔。如图2，在5A06铝合金的激光摆动焊接中，Zhimin Wang等人将匙孔类气孔率降低到2.5 %以下。Fetzer等人在2018年的研究中发现，在200 Hz的摆动频率下，采用光束环形摆动的激光焊接可以完全避免AA6082铝合金焊缝的气孔。Chen Zhang等人去年对5A06铝合金激光环形摆动焊接的研究表明，当摆动速度大于70 m/min时，熔池中的气孔会受到抑制。

▲图2 机械试验a.锁底图b.有无光束摆动的基材(BM)和激光焊缝的抗拉强度(tensile strength)和延展性。

尽管有上述优点，但目前将光束摆动应用于铝合金激光焊接仍然较少。在中低电弧电流(≤200 安培)下，光束摆动的孔隙抑制在LAHW中是否仍起作用尚不清楚。与此同时抑制孔隙度的规律和孔隙消失的摆动参数阈值等也有待研究。在本文中，作者试图对此展开探索，本研究结果有助于提高铝合金厚板低电弧电流激光焊接的工业应用。

2.实验材料和方法

光束环形摆动激光-MIG焊接采用尺寸为150 × 100 × 8 mm的AA6082铝合金板和直径为1.6 mm的ER5087铝填充金属，其化学成分见表1。如图3所示，摆动激光-MIG混合焊（oscillating laser-MIG hybrid welding,O-LMHW）系统由IPG YLR-6000光纤激光器、激光头、FRonIUS TPS4000 MIG弧焊机和FUNAC M-710ic/50机器人组成。激光头由准直系统、振镜扫描器和F-θ物镜组成。当激光束静止时，会垂直于工件表面。电弧喷枪中心线和工件表面之间的角度为55°。激光和电弧之间的距离为3毫米，焊丝伸出长度为16毫米。保护气体为纯氩气。选择环形摆动模式，焊接方向(机器人的移动方向)定义为X方向，与之垂直的方向定义为Y方向。焊接过程中，激光头发出的摆动光束引导熔化极气体保护焊炬实现了O-LMHW焊接。

表1 金属基材和填充金属的化学成分

▲图3 O-LMHW装置和光束摆动模式示意图

表2 焊接参数

焊接前，先用丙酮清洗工件，然后依次用氢氧化钠溶液和硝酸溶液去除工件上的氧化膜。焊接后，通过x光无损检测对焊缝气孔进行检查。X射线无损检测的典型结果如图4所示，其中黑点为气孔，白色区域为焊缝表面强化。

▲图4 x光无损检测的结果

选择中间100毫米长的焊缝来计算焊缝孔隙率，即基于标准ISO 10042的气孔和焊缝的投影面积之比。孔隙率低于0.5 %的焊缝为一级焊缝。

▲图5 O-LMHW气孔轮廓和行为的观测方法，(a)观测装置示意图(b)定位光束摆动中心点的原理图。

如图5(a)所示，通过“三明治夹心”的方法观察匙孔动力学，以研究孔隙形成和抑制的机理。一个AA6082铝合金和一个尺寸为100 × 30 × 8 mm3的GG17级石英玻璃机械结合。O-LMHW在铝板一侧进行。使用高速摄像机(Phantom V710)和透射带为810±5纳米的带通滤波器进行高速成像。采用波长为810 nm的激光照明系统对熔池和匙孔进行照明。在7000帧/秒和1 μs曝光下拍摄图片。为了清晰地观察匙孔的轮廓特征，尽量减少石英玻璃对焊接过程的干扰，光束摆动中心点的定位原理如图5(b)所示。光束摆动中心点到GG17玻璃边缘的法向距离是摆动幅度和光斑半径之和。这样，通过GG17玻璃可以清晰地观察到熔池和匙孔的轮廓，并在匙孔旋转到铝板边缘时用高速摄像机记录下来。焊接后，用数码相机拍摄焊缝和匙孔。

3.结果和讨论

3.1.光束摆动参数对孔隙度的影响

当电流（表示为I）为200 安培，频率为300 Hz时，振幅（表示为A）对孔隙率分布、焊缝孔隙率和熔深的影响如图6所示。图6(a)中，当A≤ 0.4 mm时，大量气孔位于中心线，其直径大多在1 mm以上，当A= 0.6 mm时，大气孔基本消失，很少能看到直径小于0.5 mm的小气孔。当A≥ 0.8毫米时，无损检测薄膜中看不到孔隙。

▲图6 (a)不同频率下孔隙率的x射线无损检测结果，(b)摆动频率对孔隙率和熔深的影响(I = 200 安培，f = 300 Hz)

在图6(b)中，当A从0增加到0.8 mm时，孔隙率从5.7 %急剧下降到0.2 %，然后当A > 0.8 mm时，孔隙率为0，如图中的红色区域所示，当A ≥ 1.5 mm时，焊缝熔深小于3 mm，激光作用区消失，这意味着焊接模式为传导模式，因此不存在匙孔类气孔。如图中绿色区域所示，当0.6 mm ≤ A≤1 mm时，焊缝熔深超过5 mm，焊接方式为匙孔模式，其中匙孔类气孔消失。值得注意的是，在A = 0.4 mm和A = 0.6 mm时，焊缝熔深几乎相同，但孔隙率分别为2.3 %和0.5 %，这意味着它们之间存在诱导孔隙抑制的阈值幅度。

当I = 200 安培、A = 0.6 mm时，摆动频率对孔隙率分布、焊缝孔隙率和熔深的影响如图7所示。焊缝孔隙率和熔深随着摆动频率的增加而减小。根据熔深和焊缝截面形态，可以判断在所有频率下，焊接过程都是匙孔模式。当f

▲图7 (a)不同频率下孔隙率的x射线无损检测结果，(b)摆动频率对孔隙率和熔深的影响(I = 200 安培，A = 0.6 mm)

观察图8可发现，当0.2 mm ≤ A ≤ 0.4 mm时，孔隙率几乎没有被抑制。即使将频率增加到1000 Hz，孔隙率仍然高达2%。当A≥ 0.6毫米时，孔隙率随着频率的增加而显著降低，并达到0.5 %(一级焊接标准)，直到频率增加到一个阈值。频率阈值随着振幅的增加而降低。

▲图8 摆动参数对孔隙率的影响(I = 200 安培)。

3.2.孔隙度抑制阈值摆动参数

如图9所示，无光束摆动的焊缝孔隙率随着电弧电流I的增大而减小，只有当I增大到300安培且焊缝为全熔透时，孔隙率才能减小到1.5 %左右。相比之下，在合适的摆动参数下，可以在100-300 安培范围内通过光束环形摆动获得无气孔焊缝。无气孔焊缝的频率阈值随着电弧电流的增加而降低。可以发现，当I为100 、150 、200、250 和300安培时，对应的频率阈值分别为500 Hz、400 Hz、350 Hz、150 Hz和100 Hz。上述结果意味着，通过在LMHW中加入环形摆动，成功解决了LMHW中厚铝合金必须使用高电弧电流(> 250安培)来抑制气孔的技术瓶颈。

▲图9 不同电弧电流在A = 0.6 mm下，LMHW与O-LMHW的孔隙率比较。

3.3. 匙孔类气孔形成的机理

▲图10 LMHW的高速图像和匙孔轮廓示意图(P = 5000 W，I = 200 安培，vw = 2 m/min)。

Ming Gao等人将LMHW的熔池和焊缝分为两个区域。熔池的上半部分为弧区(ArcZ)，是由电弧和匙孔共同作用形成的，这一区域长而浅；下半部分即激光区(LaserZ)由匙孔、前壁和后壁组成，其形成主要依赖于匙孔的作用。激光区的宽度约为1毫米，匙孔的直径约为0.5毫米。当激光束照射匙孔中的液态金属时，造成其强烈蒸发，形成大量的金属蒸气。

根据S. Li等人的说法，向下流动的蒸气在匙孔底部遭遇向上流动的蒸气，形成蒸气漩涡。流动的蒸气漩涡在匙孔壁上产生强烈的反冲压力，导致匙孔后壁局部膨胀，形成凸起。由于匙壁波动的方式和强度是随机的，匙孔口的频繁闭合会导致低电弧电流下的LMHW匙孔不稳定。

▲图11 匙孔类气孔形成的机理(不规则根部气孔)，(a)匙孔的动态高速图像，(b)不规则根部气孔的形成，(c)焊缝和不规则根部气孔的剖面照片，(P = 5000 W，I = 200 A，vw = 2 m/min)。

▲图12 匙孔类气孔形成的机理(圆形中间孔隙)，(a)匙孔的动态高速图像，(b)环形中间孔隙的形成(c)焊缝和环形中间孔隙的剖面图，(P = 5000 W，I = 200 A，vw = 2 m/min)。

Jiajun Xu等人发现，匙孔不稳定是形成匙孔类气孔的关键。图11、图12展示了LMHW中两种典型孔隙形成的机理。在图11(a)和(b)中，当入射激光诱导的蒸气射流作用在匙孔下部时，可能使前后壁局部隆起，导致匙孔轮廓扭曲(可观察图中t = 1.57 毫秒ms)。此时，液态金属被堵在局部变窄的匙孔中间，根部被封闭形成空腔。随着匙孔前移，液态金属无法回填空腔，最终在焊缝根部形成气孔。

在图12(a)和(b)中，当入射激光诱导的蒸汽射流作用在匙孔中部时，可能使匙孔后壁局部隆起，形成气腔。当匙孔前移时，气腔变为气泡，随后进入熔池，随熔体流动向后方移动。因为LaserZ很窄，气泡在上浮之前很容易被凝固前沿“捕获”。最后，气泡被截留在焊缝中，形成环形孔隙。在图12(c)中，由气泡形成的匙孔类气孔大多位于焊缝的中部和上部，呈环形。

以上结果表明，提高小孔稳定性、使液态金属回流到根管腔是抑制不规则根管气孔的关键。此外，提高匙孔稳定性、减少气泡数量或促进气泡上浮都有利于抑制环形孔隙。

3.4.光束摆动抑制孔隙的机理

3.4.1.匙孔行为

在低摆动幅度的情况下，以A = 0.2 mm，f = 300 Hz为例，匙孔行为对孔隙的影响如图13所示。在图13(a)-(b)中，光束摆动区域非常小，仅有束斑直径那么大，其匙孔和熔池的轮廓与无摆动焊接相似。由于匙孔的不稳定性，如图中t = 1.43 毫秒和t = 3.86 毫秒所示，在熔池根部形成气泡或空腔。此外，ArcZ长而浅，而LaserZ深而窄，宽度为1.1毫米。这种形态对气泡从熔池中逸出极为不利。在t = 17.73 ms时，空腔变成了孔隙。

图13 低振幅下匙孔类气孔形成的机理，(a)匙孔的动态高速图像，(b)空腔形成的机理(c)焊缝和气孔的剖面照片，(I = 200 A，A = 0.2 mm，f = 300 Hz)。

在高振幅和低频率的情况下，以A = 0.6 mm和f = 10 Hz为例，匙孔行为如下图所示。在图14(a)-(b)中，摆动频率太低，无法叠加摆动激光能量，因此LaserZ较窄，随匙孔四处移动。t = 0 ms时，匙孔向铝板边缘移动，可以观察到匙孔内发生了局部收缩。在t = 15 ms时，随着匙孔的移动，空腔形成并留在固化的焊缝中。当匙孔再次转向铝板边缘时，由于摆动速度较慢，熔池向前移动了很长一段距离。最后，在t = 30 ms时，空腔变成孔隙。如图14(c)所示，气孔分布在焊缝中下部，焊缝熔深波动较大，产生波状根部形貌。

▲图14 高振幅、低频下匙孔类气孔形成的机理，(a)匙孔的动态高速图像，(b)空腔形成的机理(c)焊缝和气孔的剖面照片，(I = 200 A, A = 0.6 mm, f = 10 Hz)。

在高振幅和中频的情况下，以A = 0.6 mm和f = 100 Hz为例，匙孔行为如图15所示。在图15(a)中，由于相对较高的摆动频率，激光能量可以完全叠加形成一个大的LaserZ，其宽度为1.5毫米。在t = 1.57毫秒时，由于匙孔不稳定，在根部出现一个空腔。t = 3.72 ms时，空腔留在焊缝中。但在t = 10 ms和11 ms时，可以观察到，当匙孔再次转回铝板边缘时，遇到空腔，然后空腔消失。图15(b)显示了通过“匙孔捕获”抑制气孔的机理。这表明以高摆动频率移动的匙孔可能“捕获”熔池中的气泡或空腔，从而消除孔隙。显然，根据这一机制，频率越高，气泡或空腔被捕获的可能性越大，越容易抑制孔隙。如图15(c)所示，尽管与低摆动频率相比，孔隙的数量大大减少，但是孔隙并没有被完全抑制。

▲图15 高振幅、中频下匙孔类气孔形成的机理，(a)匙孔的动态高速图像，(b)匙孔“捕获”形成的气孔抑制机理(c)焊缝和气孔的剖面照片，(I = 200 A, A = 0.6 mm, f = 100 Hz)。

在高振幅和高频率的情况下，以A = 0.6 mm和f = 300 Hz为例，匙孔行为如图16所示。如图16(a)中t = 0 ms时所示，匙孔直径和LaserZ宽度分别为0.9 mm和2.2 mm。从t = 1 ms到t = 3.67 ms也观察到了“匙孔捕获”现象，值得注意的是，从t = 4 ms到t = 5 ms，当匙孔从其原始位置移开时，熔体流动可以及时将其填满。很明显，在这个过程中，匙孔保持打开的状态且相对稳定，因此不会产生气泡或空腔。

▲图16 高振幅、高频率下匙孔类气孔形成的机理，(a)匙孔的动态高速图像，(b)溶体填补空腔的过程图，(c)溶体填补坯料的过程图，(I = 200 A, A = 0.6 mm, f = 300 Hz)。

如图16(b)所示，在高摆动速度条件下，激光束主要作用于前壁。由于匙孔开口扩大，蒸气射流对后壁的冲击减小，使匙孔保持稳定。此外，在匙孔移开后，渐渐扩大且稳定的匙孔使液态金属稳定流动，从底部稳定地充满坯料，并不会导致匙孔塌陷，因此气泡或空腔形成的可能性会大大降低。如图16(c)所示，孔隙基本消失、焊缝根部光滑，熔深波动小，这些都说明匙孔比较稳定。

3.4.2.摆动激光束的搅拌熔池对孔隙的影响

Fetzer等人指出，孔隙的形成与熔体流动密切相关，熔体流动可能将气泡带入凝固前沿。不同的摆动参数会对熔体流动产生不同的影响，最终影响孔隙的形成。通过高速视频观察O-LMHW的流体流动，研究人员发现光束摆动可以在熔池中形成搅拌效应，促进熔体流动由层流向湍流转变。如图17(a)所示，通过光束摆动搅拌的熔池可视为搅拌槽，而匙孔可视为搅拌棒。

▲图17 光束摆动的搅拌效应，(a)作为搅拌槽的搅拌熔池示意图，(b)不同摆动参数下搅拌雷诺数Re的变化。

当Re<1000时，熔池内的流动类型为层流瞬变流。根据Katayama等人研究，气泡将随着层流移动到熔池的后部。同时，气泡可能会变大，在逃离熔池之前很容易就会被凝固前沿捕获，最终导致气孔的形成。

当Re>1000时，流动类型从层流转变为湍流，扰乱了熔体的有序流动。强烈的搅拌作用将气泡限制在涡流区附近。因此，气泡向凝固前沿移动的可能性大大降低。同时，湍流对气泡有很强的剪切作用，使其破裂，从而形成较大孔隙的概率大大降低。基于以上原因，搅拌熔池的效果越强，抑制气孔的效果越好。

3.4.3.光束摆动和电弧电流与孔隙的关系

如前所述，高电弧电流有利于抑制气孔。电弧压力呈高斯分布，即电弧电流越高，电弧中心压力越高。随着电弧电流的增加，电弧压力增加，抑制了熔池表面，缩短了气泡逸出的上浮距离。Chen Zhang等人提出通过增加电弧电流可以增强电弧区（ArcZ）和激光区（LaserZ）的对流，增大激光的截面积，使气泡更容易逸出。因此，足够高的电弧电流可以为气泡提供更好的逃逸环境。

据此我们可以得出这样的结论——在O-LMHW中，孔隙的抑制依赖于光束摆动和电弧电流的共同作用。当电弧电流较低时，光束摆动的效应（如“匙孔捕获”效应）、稳定匙孔和搅拌熔池等都对抑制气孔起到了重要的作用。当电弧电流足够大时，比如达到300安培时，电弧电流的作用使气泡更容易逸出，所以只需要较低频率的电子束摆动即可抑制气孔。这就是无气孔焊缝的频率阈值随着电弧电流的增加而降低的原因。

4.结论

这些研究工作表明，电子束摆动对抑制铝合金中的气孔有很好的效果。光束环形摆动完美突破了中厚铝合金LAHW焊接方式下抑制气孔需要高电弧电流(> 250安培)的技术瓶颈。用“三明治”方法直接观察了匙孔行为，并讨论了气孔形成和抑制的机理。可以得出以下结论:

※在电弧电流为200 A的情况下，当A > 0.4 mm时，电子束摆动可有效消除焊缝气孔。随着频率的增加，孔隙大大降低。在不同的振幅下，存在无孔隙的阈值频率。阈值频率和振幅之间的定量关系可以表示为方程f = 391.53A2-1143.7A + 886.64。

※ 在0-LMHW中，可以在100-300安培电弧范围内获得无气孔焊缝。无气孔阈值频率随着电弧电流的增大而减小，分别为:100 安培时为500 Hz，150 安培时为400 Hz，200 安培时为350 Hz，250 安培时为150 Hz，300 安培时为100 Hz。

※ 摆动匙孔观察发现，当A = 0.6 mm，f≥100 Hz时，高摆动频率的小孔可以“捕获”熔池和凝固前沿的气泡或空腔，从而消除气孔。此外，由于高频摆动可以扩大匙孔直径，提高其稳定性，因此匙孔坍塌形成气泡的概率大大降低。

※ 光束摆动可以在熔池中形成搅拌效应，产生湍流，降低气泡向凝固前沿移动的可能性。

※ 电子束摆动和电弧电流的共同作用可以抑制气孔。在低电流水平(≤200 安培)下，高频光束摆动起主导作用。在足够高的电弧电流水平(> 250安培)下，电弧电流可以发挥主要作用。

来源： Lei Wang，Yao Liu，Chenggang Yang，Ming Gao，Study of porosity suppression in oscillating laser-MIG hybrid welding of AA6082 aluminum alloy，Journal of Materials Processing Technology，https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117053

参考文章：

1. C. Zhang, M. Gao, D.Z. Wang, J. Yin, X.Y. Zeng，Relationship between pool characteristic and weld porosity in laser arc hybrid welding of AA6082 aluminum alloy，J. Mater. Process. Technol., 240 (2017), pp. 217-222

2. S. Li, G. Chen, M. Zhang, Y. Zhou, Y. Zhang，Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding，J. Mater. Process. Technol., 214 (3) (2014), pp. 565-570

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