鋁鎂合金MIG焊接氣孔分布和形成原因分析

高子傲，閆文青，劉東，胡衍龍，南健

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081

1 序言

氣孔是焊接過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷，氣孔的存在不僅降低了焊縫金屬的致密度和焊接接頭的有效承載面積，而且破壞了顯微組織的均勻性，影響焊接接頭的綜合性能。鋁合金在高溫下吸收的氣體主要成分約80%是氫氣，氫在鋁合金固液兩相中溶解度差較大，當(dāng)熔體凝固速度大于氣泡逸出速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生析出性氣孔[1]。已有研究指出，合金元素影響氫在鋁合金熔體中的溶解度[1，2]。本文主要對(duì)含Ti與不含Ti焊絲在MIG焊Al-6.2Mg合金焊縫中產(chǎn)生的氣孔進(jìn)行了研究，并分析討論了微量元素Ti對(duì)氣孔率的影響。

2 試驗(yàn)材料和步驟

焊接母材為Al-6.2Mg合金，是非熱處理型中等強(qiáng)度的鋁鎂合金，試板尺寸為450mm×300mm×8mm。焊絲采用進(jìn)口焊絲和自制焊絲，進(jìn)口焊絲是牌號(hào)為GOST7871-75（俄羅斯）的焊絲，自制焊絲在進(jìn)口焊絲成分基礎(chǔ)上添加了0.15%的Ti元素，為方便在正文中描述，兩種焊絲及焊接后形成的焊接接頭樣品符號(hào)分別記為0Ti和0.15Ti。焊絲直徑為1.2mm，母材和焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊機(jī)型號(hào)為Fronius VR4000，采用脈沖焊、雙V形坡口，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 Al-6.2Mg合金及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 MIG焊焊接參數(shù)

沿著與焊縫長(zhǎng)度垂直方向切取金相試樣，分別用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#水磨砂紙打磨焊接接頭橫截面后，再用2.5μm金相噴霧拋光劑進(jìn)行拋光。用Keller試劑（95mLH2O＋2.5mLHNO3＋1.5mLHCl＋1.0mLHF）浸蝕30s左右，用水沖洗后，再用無(wú)水乙醇沖洗，最后用冷風(fēng)吹干。制樣完成后使用ZEISS Scope.A1金相顯微鏡觀察焊接接頭（母材、焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)）的金相組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀組織

0.15Ti和0Ti樣品部分焊接接頭的金相組織如圖1所示。含Ti的焊縫組織主要是細(xì)小的等軸晶，而不含Ti的焊縫主要由柱狀晶組成。由圖1可見(jiàn)，焊接接頭分為母材（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）和焊縫（WZ）三個(gè)主要區(qū)域。在熱影響區(qū)和焊縫區(qū)之間存在很窄的熔合區(qū)（FZ）。氣孔主要分布在熔合區(qū)和焊縫區(qū)，兩種樣品區(qū)別在于0.15Ti接頭中氣孔分布在整個(gè)接頭的橫截面上，0Ti接頭中氣孔主要分布在熔合區(qū)附近。由此表明，熔池中引入Ti元素可以明顯改變微觀組織形態(tài)和氣孔的分布。

圖1 0.15Ti和0Ti樣品部分焊接接頭的金相組織

3.2 焊接接頭氣孔分布

焊接接頭橫截面微觀氣孔分布如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，氣孔主要分布在焊縫中心以及熔合線附近，主要是冶金型孔隙，氣孔形態(tài)如圖3所示，標(biāo)黃色虛線的為典型的冶金型氣孔，呈規(guī)則的圓形。且0.15Ti樣品的氣孔數(shù)量遠(yuǎn)大于0Ti樣品。

圖3 焊縫中的冶金氣孔形態(tài)

使用Image J軟件統(tǒng)計(jì)圖2焊接接頭中氣孔尺寸分布及氣孔投影面積，氣孔率的計(jì)算依據(jù)GB/T 22085.2—2008《電子束及激光焊接接頭 缺欠質(zhì)量分級(jí)指南 第2部分：鋁及鋁合金》，以焊縫氣孔的投影總面積與焊縫區(qū)域投影面積之比作為氣孔率的計(jì)算值，即

式中p——?dú)饪茁剩?/p>

S氣孔——?dú)饪椎耐队懊娣e（μm2）；

S焊縫——焊縫區(qū)域的投影面積（μm2）。

焊接接頭中微觀氣孔直徑分布如圖4所示。由圖4可知，0.15Ti和0Ti的平均孔隙直徑分別為64.65μm和59.29μm，這說(shuō)明兩組樣品中氣孔直徑相差不大。焊縫橫截面不同區(qū)域的氣孔率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，0.15Ti樣品的氣孔率大于0Ti樣品。在焊縫區(qū)域內(nèi)，0.15Ti樣品的氣孔率達(dá)到最高值（1.7%），是0Ti樣品氣孔率的1.7倍；在熔合區(qū)處，0.15Ti樣品的氣孔率是0Ti樣品氣孔率的3倍。氣孔率統(tǒng)計(jì)結(jié)果與圖2氣孔分布情況一致。

圖2 焊接接頭橫截面微觀氣孔分布

圖4 焊接接頭中微觀氣孔直徑分布

圖5 不同區(qū)域的氣孔率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.3 結(jié)果分析與討論

焊接接頭的熔合區(qū)附近通常是性能最薄弱的部位，也是焊縫柱狀晶開(kāi)始凝固結(jié)晶和長(zhǎng)大的起始部位。趙艷秋等[3]在研究5A06鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接氣孔缺陷時(shí)指出，氣泡的存在顯著改變了柱狀晶的生長(zhǎng)方向。在凝固的過(guò)程中，熔合線附近的區(qū)域溫度梯度較大，液態(tài)金屬凝固結(jié)晶存在明顯的方向性。部分氣泡的逸出速度遠(yuǎn)小于柱狀晶的生長(zhǎng)速度，所以滯留在柱狀晶區(qū)生成氣孔。在熔合線附近，0.15Ti樣品的氣孔直徑為42～120μm，0Ti樣品的氣孔直徑為48～78μm，0.15Ti樣品的氣孔數(shù)量較多于0Ti的氣孔數(shù)量。LEO等[4]在研究激光-MIG復(fù)合焊接參數(shù)對(duì)Al-Mg合金氣孔率影響時(shí)，指出熔合區(qū)邊界氣孔改變柱狀晶生長(zhǎng)方向的現(xiàn)象。因此，在凝固過(guò)程中，部分的柱狀晶會(huì)受到氣孔的影響而停止生長(zhǎng)，有的則會(huì)繼續(xù)沿著法線生長(zhǎng)，這會(huì)對(duì)焊縫顯微組織均勻性造成影響。

在焊縫中心0.15Ti的氣孔率高達(dá)1.7%，0Ti只有0.79%，因此，0.15Ti焊縫中心金屬的致密度小于0Ti樣品。LIU等[5]研究了超聲波輔助激光-MIG復(fù)合焊對(duì)焊縫氣孔率和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)超聲波功率達(dá)到200W時(shí)，瞬態(tài)空化產(chǎn)生的大量氣泡無(wú)法從熔體中逸出并停留在焊縫中，導(dǎo)致孔隙率增加，空化效應(yīng)產(chǎn)生的巨大沖擊力也會(huì)破壞生長(zhǎng)的一次枝晶，形成更多的形核點(diǎn)，進(jìn)而增大形核率，焊縫具有氣孔率高、晶粒細(xì)化的特點(diǎn)。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，晶粒細(xì)化對(duì)力學(xué)性能的提升可以抵消氣孔率的不利影響。

焊縫中的氫主要來(lái)源于空氣和試樣表面的氫。鋁鎂合金的化學(xué)性質(zhì)極其活躍，表面容易氧化生成Al2O3和MgO薄膜，而MgO薄膜疏松很容易吸收空氣中的水分。在電弧高溫作用下，H2O直接分解或與熔融鋁溶液反應(yīng)生成氫，其反應(yīng)機(jī)理為

在溫度冷卻至Al熔點(diǎn)（660℃）時(shí)，氫的溶解度由0.67（100g/cm3）降至0.036（100g/cm3）[6]，此時(shí)氫氣會(huì)從液態(tài)熔池大量逸出。由于鋁合金熱導(dǎo)率快，熔池凝固速度極快，導(dǎo)致部分氣泡來(lái)不及逸出，就會(huì)在焊縫中形成氣孔，這是形成氣孔的主要原因。

Ti與H有很高的親和力，Ti在高溫下可以進(jìn)行同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，883℃以下為α-Ti，883℃以上為β-Ti，而H在α-Ti中的溶解度只有20～200ug/g，然而在β-Ti中的飽和度可達(dá)104ug/g。這是因?yàn)镠更傾向于占據(jù)四面體間隙，α-Ti具有密排六方結(jié)構(gòu)，由4個(gè)四面體間隙和2個(gè)八面體間隙組成，β-Ti具有體心立方結(jié)構(gòu)，由12個(gè)四面體間隙和6個(gè)八面體間隙組成，所以H為β-Ti穩(wěn)定元素[7]。H大量固溶在β-Ti中，當(dāng)溫度下降至325℃時(shí)，含H的β-Ti在325℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：β→α+γ，其中γ是一種平衡態(tài)的面心立方氫化物（TiH2）[8]。β-Ti向α-Ti轉(zhuǎn)變，固溶在β-Ti中的H元素溶解度急劇降低，氫氣將從熔池中逸出，而當(dāng)溫度達(dá)到325℃時(shí)，熔池基本已凝固成形，氫氣來(lái)不及逸出，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。因此，含Ti焊縫比不含Ti焊縫中氣孔率高。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）含Ti的焊縫中氣孔數(shù)量比不含Ti的焊縫多，氣孔平均直徑分別為64.65μm和59.29μm，氣孔類型為冶金氫氣孔。

2）添加Ti元素能夠提高氫在熔池中的溶解度，H在α-Ti中的溶解度非常小，焊接過(guò)程中，H大量固溶在β-Ti中，隨著溫度降低，β-Ti向α-Ti轉(zhuǎn)變，過(guò)飽和的氫形成氣泡，氣泡來(lái)不及逸出時(shí)便產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致含Ti焊縫中的氣孔率較高。