AA6082铝合金摆动激光-MIG气孔抑制研究(熔化极惰性气体保护焊)

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激光焊接在铝合金中的应用通常受到严重孔隙缺陷的限制。本文致力于澄清孔隙缺陷的类型、原因和机制，以及影响孔隙形成的重要参数，并分析了无孔焊接的具体参数设置。

简介：使用摆动激光-MIG焊接混合焊接法对AA6082铝合金焊接。通过电子束摆动，孔隙率（特别是在低电弧电流水平下）可有效抑制在100-300安培的电弧电流范围内。随着摆动范围和频率的增加，孔隙率大大降低，在不同振幅下获得无孔阈值频率。通过三明治高速视频法观察勺孔行为，研究了光束摆动对孔隙形成和抑制的影响。研究发现，孔隙率的抑制取决于三个原因，即高频摆动勺孔可以捕获熔池和固化前沿的气泡或腔。高频摆动可以扩大勺孔的直径，提高勺孔的稳定性。第三，光束摆动可以在熔池中形成搅拌效应和湍流，减少气泡向凝固前沿移动的可能性。.铝合金重量轻，比强度高，耐腐蚀性好，成本低，因此其高效、高质量的焊接备受关注。由于其熔化深度、焊接速度快、焊接灵活，激光焊接是一种重要的铝合金焊接工艺。然而，激光焊接在铝合金中的应用通常受到严重气孔缺陷的限制，特别是厚度为4 mm上述中厚板。铝合金激光焊接中的孔型主要为勺孔。根据近年来的相关研究，其形成原因基本明确。X射线相位比较和三明治观察方法，Miyagi等待证明孔隙来自勺孔不稳定产生的气泡。Huang研究发现，铝比钢更容易形成勺孔，因为熔化更强，孔更不稳定。激光-电弧复合焊接(Laser-arc hybrid welding,LAHW)由于激光和电弧焊的协同作用，越来越受到重视。虽然深穿透(熔深)是LAHW但在中厚钢板中，勺孔仍然很严重。一般认为，高电弧电流有利于抑制勺孔。Katayama当电弧电流大于240 时，等人通过研究**发现A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LAHW 8 mm厚AA6082铝合金气孔。进一步证明，高电弧电流可以抑制熔池，缩短浮动距离，为气泡从熔池中逃逸创造条件。上述研究表明，应该克服它LAHW中厚铝合金中的气孔需要超过240安培电弧电流。然而，高电弧电流意味着过多的热输入，这将使晶粒变厚，削弱焊缝。到目前为止，在中低电弧电流下消除LAHW中厚铝合金气孔仍具有挑战性。▲图1 LAHW焊缝#晶界特征分布6(GBCD)图，(a)截面内的试验位置，(b)金属焊心金属焊缝区域1细节图，(c)区域4的细节图，(d)熔合线旁边的金属焊缝区域，区域2的细节图，(e)热影响区，区域4细节图。小角度晶界(LABs)大角度晶界(HABs)分别用红黑线描述近期，激光焊接中于抑制激光焊接中的勺孔。如图2所示，5A激光摆动焊接06铝合金，Zhimin Wang等人把勺孔的气孔率降低到2.5 %以下。Fetzer等人在2018年的研究中发现，200 Hz激光焊接在摆动频率下可以完全避免光束环摆动AA铝合金焊缝气孔6082。Chen Zhang等人去年对5A06铝合金激光环摆动焊接的研究表明，当摆动速度大于70 时m/min熔池中的气孔会受到抑制。▲图2 机械试验a.锁底图b.有光束摆动的基材(BM)以及激光焊缝的抗拉强度(tensile strength)和延展性。尽管有上述优点，但光束摆动在铝合金激光焊接中的应用仍然很少。中低电弧电流(≤光束摆动的孔隙抑制在200 安培)LAHW目前还不清楚它是否还在工作。同时，还需要研究抑制孔隙度的规律和孔隙消失的摆动参数阈值。本文试图探索这一点，有助于改善铝合金厚板低电弧电流激光焊接的工业应用。.激光环摆动实验材料和方法-MIG焊接尺寸为150 × 100 × 8 mm3的AA6082铝合金板直径1.6 mm的ER5087铝填充金属，其化学成分见表1。如图3所示，激光摆动-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。激光头由准直系统、振动镜扫描仪和F-θ物镜。激光束静止时，垂直于工件表面。电弧喷枪中心线与工件表面的角度为55°。激光与电弧之间的距离为3mm，焊丝伸长为16mm。纯氩保护气体。焊接方向(机器人移动方向)定义为环形摆动模式X垂直方向定义为方向Y方向。在焊接过程中，激光头发出的摆动光束引导熔化极气体保护焊炬O-LMHW焊接。表1 金属基材和化学成分填充金属▲图3 O-LMHW焊接参数焊接前，用丙酮清洗工件，然后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光无损检测检查焊缝气孔。X射线无损检测的典型结果如图4所示，黑点为气孔，白色区域为焊缝表面强化。▲图4 x中间1000光无损检测结果mm长焊缝计算焊缝孔隙率，即基于标准ISO 10042气孔与焊缝投影面积的比例。孔隙率低于0.5 %的焊缝是一级焊缝。▲图5 O-LMHW观察气孔轮廓和行为的方法，(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所示(a)三明治三明治三明治三明治三明治三明治三明治三明治三明治AA6082铝合金和100 一个尺寸× 30 × 8 mm3的GG17级石英玻璃机械结合。O-LMHW在铝板的一侧。使用高速相机(Phantom V710)和810的透射带±高速成像5纳米带滤波器。波长为810 nm激光照明系统照明熔池和勺孔。7000帧/秒和1 μs在曝光下拍照。清晰观察勺孔的轮廓特征，尽量减少石英玻璃对焊接过程的干扰(b)所示。束摆动中心。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玻璃能清晰地观察熔池和勺孔的轮廓，并用高速相机记录勺孔旋转到铝板边缘。焊接后，用数码相机拍摄焊缝和勺孔。.结果和讨论3.1.当电流(表示为I）200 安培频率为300 Hz振幅(表示为A）如图6所示，对孔隙率分布、焊缝孔隙率和熔深的影响。(a)中，当A≤ 0.4 mm当大量气孔位于中心线时，直径主要为1 mm以上，当A= 0.6 mm当大气孔基本消失时，直径小于0.5 mm小气孔A≥ 0.8mm无损检测膜中无孔隙。▲图6 (a)不同频率下的孔隙率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孔隙率从5开始.7 %急剧下降到0.2 %，然后当A > 0.8 mm当孔隙率为0时，如图所示A ≥ 1.5 mm焊缝熔深小于3 mm，激光作用区消失，这意味着焊接模式是传导模式，所以没有勺孔。如图所示，0.6 mm ≤ A≤1 mm焊缝熔深超过5 mm，焊接方法为勺孔模式，其中勺孔孔消失。值得注意的是，在A = 0.4 mm和A = 0.6 mm焊缝的熔深几乎相同，但孔隙率分别为2.3 %和0.5 %，这意味着它们之间有一个阈值范围来诱导孔隙抑制。I = 200 安培、A = 0.6 mm摆动频率对孔隙率分布、焊缝孔隙率和熔化深度的影响如图7所示。随着摆动频率的增加，焊缝孔隙率和熔化深度降低。根据熔化深度和焊缝截面形式，可以判断焊接过程是所有频率下的勺孔模式。f<100 Hz孔隙率大于5%，熔深大于7 mm，当100 Hz ≤ f≤200 Hz孔隙率降至2左右.5 %，熔深约6 mm，当f>250 Hz当孔隙率降至1%以下时，熔深略降至5.6 mm。▲图7 (a)不同频率下的孔隙率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)当0.2 mm ≤ A ≤ 0.4 mm孔隙率几乎不受抑制。即使频率增加到1000 Hz，当孔隙率仍高达2%时。A≥ 0.6mm随着频率的增加，孔隙率显著降低，达到0.5 %(一级焊接标准)，直到频率增加到阈值。频率阈值随振幅的增加而降低。▲图8 摆动参数对孔隙率的影响(I = 200 安培)。.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只有当增减时I当焊缝增加到300安培并完全熔化时，孔隙率可降低到1.5 %左右。相比之下，在适当的摆动参数下，光束环摆动可以在100-300 安培范围内获得无孔焊缝。随着电弧电流的增加，无孔焊缝的频率阈值降低。I100 、150 、200、250 和300安培时，相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LMHW加入环摆动，成功解决LMHW中厚铝合金必须使用高电弧电流(> 250安培)抑制气孔技术瓶颈。▲图9 不同电弧的电流A = 0.6 mm下，LMHW与O-LMHW孔隙率比较.3. 勺孔形成的机制▲图10 LMHW高速图像和勺孔轮廓示意图(P = 5000 W，I = 200 安培，vw = 2 m/min)。Ming Gao等人将LMHW熔池和焊缝分为两个区域。熔池上部分为弧区(ArcZ)，它由电弧和勺孔组成，长而浅；下部是激光区(LaserZ)它由勺孔、前壁和后壁组成，主要取决于勺孔的作用。激光区宽约1mm，勺孔直径约0.5毫米。当激光束照射勺孔中的液态金属时，它会蒸发强烈，形成大量的金属蒸汽。S. Li据其他人说，向下流动的蒸汽在勺子孔底部遇到向上流动的蒸汽，形成蒸汽漩涡。流动的蒸汽漩涡在勺子孔壁上产生强烈的反冲压力，导致勺子孔后壁局部膨胀和凸起。由于勺子壁的波动方式和强度是随机的，勺子孔口的频繁关闭会导致低电弧电流LMHW勺孔不稳定。▲图1 勺孔形成机制(根部不规则气孔)，(a)动态高速图像勺孔，(b)根部气孔形成不规则，(c)焊缝和剖面照片根部不规则气孔，(P = 5000 W，I = 200 A，vw = 2 m/min)。▲图12 勺孔形成的机制(圆形中间孔)，(a)动态高速图像勺孔，(b)在环形中间形成孔隙(c)焊缝与环形之间孔隙的剖面图，(P = 5000 W，I = 200 A，vw = 2 m/min)。Jiajun Xu等人发现勺孔不稳定是形成勺孔的关键。图11和图12显示LMHW形成孔隙的两种典型机制。(a)和(b)在中间，当入射激光诱导的蒸汽射流作用于勺孔下部时，前后壁可能会局部隆起，导致勺孔轮廓扭曲(可以在图中观察到)t = 1.57 毫秒ms)。此时，液体金属被堵塞在局部狭窄的勺孔中间，根被封闭形成空腔。随着勺孔向前移动，液体金属无法回填空腔，更终在焊缝根部形成孔。(a)和(b)在中间，当入射激光诱导的蒸汽射流作用于勺子孔的中间时，勺子孔的后壁可能会局部隆起并形成气腔。当勺子孔向前移动时，气腔变成气泡，然后进入熔池，随熔体向后移动。LaserZ很窄，气泡上升前容易凝固 捕获。更后，气泡被截留在焊缝中，形成环形孔隙。(c)在中间，由气泡形成的勺孔大多位于焊缝的中上部，呈环形。上述结果表明，提高孔的稳定性和液体金属回流到根管腔是抑制不规则根管孔的关键。此外，提高勺孔的稳定性、减少气泡数量或促进气泡浮动有利于抑制环孔。.4.光束摆动抑制孔隙的机制3.4.1.勺孔行为以低摆动范围为准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)在中间，光束摆动区域非常小，只有直径如此大，勺孔和熔池的轮廓类似于无摆动焊接。由于勺孔的不稳定性，如图所示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。更后，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，更终影响孔隙的形成。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，更终导致气孔的形成。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，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. 217-2222. 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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