AA6082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

江苏激光联盟导读：

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。

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1LAHW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。

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 mm3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3O-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4x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5O-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f250 Hz时，孔隙率降至1%以下，熔深略降至5.6 mm。

▲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10LMHW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

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。

参考 章：

1. C. Zhang, M. Gao, D.Z. Wang, J. Yin, X.Y. Zeng等人发表在J. Mater. Process. Technol.的题目为Relationship between pool characteristic and weld porosity in laser arc hybrid welding of AA6082 aluminum alloy的 章

2. S. Li, G. Chen, M. Zhang, Y. Zhou, Y. Zhang等人发表在J. Mater. Process. Technol.的题目为Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding 的 章