铝合金焊接氢气孔缺陷研究

摘要：氢气孔是铝合金焊接过程中最常见的气孔缺陷，严重制约焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。本文系统研究了铝合金焊接过程中氢气孔的形成机理、演化过程及影响因素，重点分析了析出相对氢气孔演化的作用机制。研究表明，氢气孔的形成是氢在熔池中溶解、扩散、析出及逸出等过程综合作用的结果，而析出相作为气泡形核的核心，同时影响氢的扩散行为和熔池的凝固过程，对氢气孔的形成具有显著影响。基于以上研究，本文提出了从减少氢的来源、优化焊接工艺参数、采用表面处理技术、开发新型焊接工艺以及控制析出相等多角度抑制氢气孔缺陷的综合措施。研究结果可为铝合金焊接氢气孔缺陷的控制提供理论依据和技术参考，对提高铝合金焊接质量、推动轨道交通装备等领域的轻量化发展具有重要意义。

关键词：铝合金电弧焊；氢气孔；析出相；焊接缺陷抑制

引言

近几年国内外学者针对铝合金电弧焊的氢气孔缺陷开展了大量研究。气孔形成机理方面，柳洋等对铝中氢的行为进行了全面研究，采用分子动力学模拟铝熔体相关结构性质，发现铝熔体中氢含量在熔体结构突变的温度区间内产生异常，所以铝熔体的原子排布规律对氢在其中的溶解度产生了一定的影响。气孔影响因素及抑制方法方面，康铭等对AlSi10MnMg压铸铝合金焊接气孔的产生原因进行分析，并确定焊接气孔形成的主要原因是母材氢含量的较多。王清涛等研究了6063铝合金双脉冲耦合CMT焊接接头在不同焊接速度下的孔隙率、孔径及软化性能，结果表明，随着焊接速度的增加，气孔率急剧增加，出现较大的气孔。张瑞等在铝合金CMT电弧增材制造中采用Ar+He二元混合保护气体，发现当He气比例增加到75%后不仅可以有效消除0.2mm以上的宏观气孔，也可以消除显微气孔，其主要原因为He的传热系数大，在相同电弧长度下电弧电压更高，使得电弧有更大功率，可增大熔深同时使得熔池流动性更强，更利于气体从熔池中逸出。Ye等采用超声波脉冲辅助（UFP）金属惰性气体（MIG）焊接的方法，将AlSi10MgMn压铸铝合金与6061铝合金焊接在一起，结果显示，与MIG焊接接头相比通过UFP-MIG焊接方法，接头氢气孔缺陷和孔径明显减少且拉伸性能得到了提高。Huan等采用电磁场辅助CMT+MSP焊接Al-Mg-Si铝合金，研究了不同激励电流对熔滴传递行为、熔池流动和焊缝成形的影响，发现电磁场能有效降低气孔率和宏观孔隙。

本文对氢在铝合金焊接过程中的演化过程进行研究分析，从氢是如何进入到焊接熔池中，到氢气孔的形核、长大和逸出，通过对氢气孔的演化分析，可以得到氢气孔在各种形态下的主要影响因素，为铝合金电弧焊中气孔缺陷的抑制理论依据。

一、氢的来源

铝合金焊接时母材表面氧化膜吸附的水分、环境中的水分都会在焊接高温作用下产生氢。熔池中的氢主要来源于高温熔池及含水氧化膜与水汽的反应。

低温时铝合金与表面水分发生反应生成Al（OH）3，其在高温下发生分解反应生成水蒸气，在此同时铝合金氧化膜中的水也发生蒸发，这部分水蒸气与铝熔体发生反应生成[H]。反应中产生的氢气则通过吸附-扩散-溶解的方式进入熔池中。

另外，不同的焊接方式对弧柱气氛中的水分敏感性也不同，采用MIG焊时，焊丝以小液滴形式通过弧柱落入熔池，小液滴比表面积大，在弧柱高温作用下容易吸收氢；采用TIG焊时，熔池金属表面与气体氢反应，比表面积小、熔池温度低于弧柱温度，吸收氢不如MIG焊时容易。

二、氢气孔的演化过程及影响因素

铝合金焊接中氢气孔的演化过程由氢的析出、形核、长大到上浮逸出这几个过程组成。H原子会从母材中释放，进入熔池中，随着熔池的凝固，自由的[H]开始形核并形成氢气泡，剩余的自由[H]扩散到这些氢气泡中，这是一个自发的热力学过程，当气泡达到临界尺寸时，浮力大于熔池中的吸附力，使氢气泡能够逃逸，留在焊缝中的氢气泡就会形成氢气孔。

氢气孔的演化过程涉及多个阶段，受多种因素影响，焊接过程中氢的融入不可避免，故可从氢气孔的形核和逸出过程入手，进一步减少焊缝中气孔数量。铝合金焊接接头中的析出相是指从过饱和固溶体中析出的第二相粒子，其种类、数量、尺寸和分布对氢气孔的演化过程具有重要影响。

（1）作为气泡的形核核心。析出相与基体之间的界面能较低，容易成为气泡形核的核心位置。析出相的数量越多、尺寸越小，提供的形核核心较多，越有利于气泡的形成。

（2）阻碍氢的扩散。析出相的存在会阻碍氢在基体中的扩散，导致氢在局部区域富集，增加氢气孔形成的倾向。析出相的体积分数越高、分布越弥散，对氢扩散的阻碍作用越明显。

（3）影响熔池流动和凝固行为。析出相的存在会影响熔池的流动性和凝固行为，从而简介影响氢气孔的演化过程。析出相会改变熔池的粘度，影响气泡的上浮速度；也改变凝固前沿的形貌，影响气泡的捕获概率。

三、氢气孔缺陷的抑制方法

根据上述对氢气孔演化过程及影响因素的分析，可以采取以下措施有效抑制氢气孔缺陷的产生。

（1）优化焊接工艺参数。过高的焊接电流和电压会导致熔池温度过高，增加氢的溶解度，而过低的焊接电流和电压则可能导致熔池流动性差，不利于气泡逸出。根据焊接母材和工艺特性选择合适的焊接参数；控制焊接速度，过快的焊接速度会导致熔池冷却速度过快，不利于气泡逸出，而过慢的焊接速度则可能导致热输入过大，增加氢的溶解度；采用能量集中的脉冲焊接，脉冲焊接可以控制熔池的温度和凝固速度，有利于气泡的逸出。

（2）采用表面处理技术。对焊丝和母材表面进行清理，采用机械或化学方法清理焊丝和母材表面，去除污染物；对焊丝进行表面涂层处理，在焊丝表面涂覆一层能吸收或阻挡氢的涂层，如钛、锆等金属涂层。

（3）开发新型焊接工艺。激光-电弧复合焊，激光-电弧复合焊具有能量密度高、焊接速度快、热输入小等优点，可以有效减少氢气孔的产生；超声波脉冲辅助电弧焊，超声波脉冲辅助对熔池施加振荡效应，促进H原子/离子的结合，加速气孔团聚并促进液态金属池的流动。

（4）控制析出相。通过调整合金成分，控制析出相的种类和数量，如Sc元素与Al元素之间的亲和力远大于其他元素，因此在合金凝固过程中往往优先形成Al3Sc相，Al3Sc的熔点高（1320℃）且分布均匀，其可作为其他相的形核核心，大大降低形核功，使晶粒快速形核，从而达到细化晶粒的效果。另外，存在（Al， Si）3Sc颗粒降低了焊接过程中Si的含量，阻止了Si在β'相上的浓度，对β'相的粗化产生抑制作用。

总结

铝合金焊接过程中的氢气孔缺陷是影响焊接接头质量和性能的关键问题。本文系统分析了氢气孔的形成机理、演化过程及影响因素，重点探讨了析出相对氢气孔演化过程的影响机制。研究表明，氢气孔的形成主要源于焊接过程中氢的溶解、扩散、析出及逸出等复杂过程，而析出相作为气泡形核的核心，同时影响氢的扩散行为和熔池的凝固过程，对氢气孔的形成具有显著影响。基于以上分析，本文提出了从减少氢的来源、优化焊接工艺参数、采用表面处理技术、开发新型焊接工艺以及控制析出相等多角度抑制氢气孔缺陷的综合措施。未来研究可进一步深入探究氢气孔形成的微观机制，开发更加高效、环保的氢气孔抑制技术，并结合在线监控与智能控制手段，实现铝合金焊接质量的精准调控，为轨道交通装备等领域的轻量化发展提供技术支撑。

参考文献

[1] 柳洋. 铝中氢行为的计算机模拟研究[D]. 上海：上海交通大学， 2012.

[2] 康铭， 孙巍， 姜丕文， 等. AlSi10MnMg压铸铝合金焊接气孔形成原因分析[J]. 有色金属加工， 2020， 49（3）： 23-27.

[3] 张瑞， 王克鸿. 氩氦混合气对铝合金CMT电弧增材制造过程成形质量的影响[J]. 机械制造与自动化， 2018， 47（1）： 36-39.