铝合金激光-MIG复合焊气孔缺陷影响规律研究学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《热加工工艺》2022年第51卷第5期，由大连科技学院赵昕与大连交通大学辛志彬等人合作完成。铝合金焊接中气孔缺陷是最常见的质量缺陷之一，严重影响焊缝的致密性和力学性能。铝合金激光-MIG复合焊结合了激光焊的高能量密度和MIG焊的大熔敷效率，在厚板焊接中具有显著优势，但气孔问题在复合焊中同样突出。系统研究工艺参数对气孔缺陷的影响规律，是实现铝合金复合焊质量控制的关键环节。

工艺参数对气孔缺陷的影响规律

激光功率的影响

在实现全熔透焊接的前提下，激光功率对焊缝气孔缺陷的影响较小。这一发现具有重要工程意义——在复合焊工艺设计中，激光功率主要承担熔深形成和熔池稳定的功能，而气孔的形成更多与电弧侧的工艺参数相关。这意味着在优化气孔控制时，可以优先调整电弧参数，而无需大幅改变激光功率，从而保持焊接效率和经济性。

电弧电流的影响

气孔缺陷含量及大小均随电弧电流增加而增加。当电弧电流大于150 A时，因电弧压力较大，气孔缺陷主要分布在熔合线附近。这一现象的机理在于：电弧电流增大导致电弧压力升高，熔池表面的气体卷入加剧，同时熔池搅拌作用增强，使气泡在熔池中的运动轨迹发生变化。在低电流下，气泡有足够时间上浮逸出；而在高电流下，气泡被强烈的熔池流动带至熔合线区域，最终在凝固过程中被捕获形成气孔。

焊接速度的影响

焊接速度由0.72 m/min增加到2.40 m/min时，气孔缺陷含量从0%增加到6.3%，且均主要分布在焊缝中心。焊接速度增加导致单位长度热输入减少，熔池存在时间缩短，气泡上浮逸出的时间不足，从而增加了气孔形成的概率。此外，高速焊接时熔池形态趋于扁平，气泡上浮路径变长，进一步降低了逸出效率。

热源间距的影响

热源间距为3 mm时可以有效地降低气孔缺陷含量。热源间距是激光-MIG复合焊特有的工艺参数，直接影响两种热源的协同作用。适当的间距可以使激光和电弧在熔池中形成合理的温度梯度和流动模式，有利于气泡的上浮逸出。间距过小时，电弧干扰激光的聚焦效果；间距过大时，两种热源的协同效应减弱，熔池形态不规则，不利于气泡排出。

离焦量的影响

采用负离焦量或零离焦量均可以大幅减少气孔缺陷的含量。负离焦量使激光焦点位于工件表面以下，扩大了熔池的宽度，增加了气泡上浮的通道和空间。零离焦量则使激光能量集中分布在表面附近，有利于熔池表面的稳定。正离焦量使焦点位于工件表面以上，虽然扩大了光斑直径，但能量密度降低，不利于熔池的充分熔化和稳定。

气孔形成机理分析

铝合金激光-MIG复合焊中气孔的形成主要与以下因素有关：

1. 氢气孔：铝合金表面氧化膜吸附水分，焊接过程中分解产生氢气，溶解于熔池中，凝固时因溶解度急剧下降而析出形成气孔。
2. 氮气孔：MIG焊保护气体中的氮气可能通过电弧区进入熔池，特别是在保护不良或气流紊乱的情况下。
3. 冶金反应气孔：熔池中合金元素与杂质元素发生冶金反应产生的气体。
4. 机械卷入气孔：电弧压力或熔池流动将空气卷入熔池形成的气孔。

气孔在焊缝中的分布位置反映了熔池流动模式和凝固顺序。熔合线附近的气孔通常与熔池边部的凝固顺序有关——边部先凝固，气泡被"锁定"在凝固前沿。焊缝中心的气孔则通常与熔池中心的流动模式有关——当气泡上浮速度不足以在凝固前逸出时，便残留在焊缝中心。

工程实践建议

基于本文的研究成果，提出以下铝合金激光-MIG复合焊气孔控制策略：

1. 电弧电流控制：将电弧电流控制在150 A以下，避免过大的电弧压力导致气孔向熔合线聚集。同时，在保证熔敷效率的前提下，适当降低电流可以减少熔池中的气体卷入量。
2. 焊接速度优化：在保证全熔透的前提下，尽量采用较低的焊接速度，为气泡上浮逸出提供充足时间。对于厚板多层多道焊，可适当提高焊接速度以提高效率，但需加强保护气体流量和覆盖范围。
3. 热源间距设定：将激光与电弧的热源间距设定为3 mm左右，以优化两种热源的协同作用，改善熔池流动模式，促进气泡逸出。
4. 离焦量选择：优先采用负离焦量或零离焦量，避免使用正离焦量。负离焦量可以扩大熔池宽度，增加气泡上浮通道，同时保持足够的能量密度。
5. 表面预处理：加强焊前清理，去除铝合金表面的氧化膜、油污和水分，减少氢的来源。可采用碱洗、酸洗、喷砂或机械打磨等方法进行表面处理。
6. 保护气体优化：采用高纯度氩气或氩氦混合气体作为保护气，增大气体流量，确保熔池和高温区域的充分覆盖，防止空气侵入。

学习心得与总结

本文通过系统实验研究了铝合金激光-MIG复合焊中各工艺参数对气孔缺陷的影响规律，为工程实践提供了明确的工艺指导。作为焊接技术人员，我深刻体会到铝合金焊接中气孔控制的复杂性——气孔的形成是多种因素共同作用的结果，单一参数的优化往往难以彻底解决问题。在实际生产中，应建立多参数协同优化的工艺窗口，综合考虑电弧电流、焊接速度、热源间距、离焦量等因素的交互作用。同时，气孔缺陷的控制不仅依赖于焊接工艺参数的优化，还需要加强焊前预处理、保护气体管理和焊接环境控制等辅助措施。本文的研究成果为铝合金复合焊的质量控制提供了重要的理论依据和工艺参数参考，对推动铝合金焊接技术的工程应用具有重要意义。