鋁合金焊接接頭中氣孔產(chǎn)生的機(jī)理與控制措施

劉子建

摘 要：本文對(duì)鋁合金焊接接頭產(chǎn)生氣孔的原因和形成機(jī)理進(jìn)行分析，探討了形成氣孔影響因素，給出了鋁合金焊縫氣孔的控制措施：選擇合適的焊接工藝參數(shù)、有效的氣路保護(hù)和焊前清洗等。

關(guān)鍵詞：氫氣孔；形成機(jī)理；加強(qiáng)保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

相對(duì)于大多數(shù)金屬，鋁及鋁合金具有較小的密度、較高的比強(qiáng)度等優(yōu)良特性，并且地球上鋁礦資源豐富，在各種工程結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用，正逐步成為鋼結(jié)構(gòu)替代物的理想材料。但鋁合金焊接接頭在進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫金屬結(jié)晶過(guò)程容易產(chǎn)生氣孔，殘存在焊縫中的這些氣孔使接頭的實(shí)際受力面積大為減少，從而使承受能力極大地下降，還可能誘發(fā)脆性斷裂，這給鋁合金的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)一定的不利因素，因而應(yīng)研究如何控制氣孔產(chǎn)生。

1.氣孔的形成機(jī)理

鋁合金在焊接時(shí)，焊接接頭產(chǎn)生的氣孔種類(lèi)主要是氫氣孔。氫氣孔產(chǎn)生的原因是焊接時(shí)，焊接材料和焊接接頭處母材在高溫下熔化形成熔池，由這些熔化金屬形成的熔池溫度極高，氫的溶解度隨溫度急劇升高，從而熔池內(nèi)會(huì)溶入大量的氫，當(dāng)電弧離去時(shí)，熔池溫度迅速下降，這時(shí)氫的溶解度隨溫度下降急劇減小，就會(huì)有大量的氫溢出，但由于鋁結(jié)晶速度較塊，并且鋁合金密度小，形成的氣泡在熔池中受到的浮力較小，上浮速度慢，熔池結(jié)晶結(jié)束后，還會(huì)有許多氣泡來(lái)不及浮出，滯留在焊縫中形成氣孔。

1.1氫的溶解

焊接熔池里氫主要來(lái)自于：母材和工件中固溶的氫；金屬表面上的鐵銹、油污、吸附水等物質(zhì)在高溫條件下分解產(chǎn)生的氫；電弧保護(hù)氣氛中的氫和水分；空氣的水分等等。焊接時(shí)，在高溫作用下，氫分解成單原子氫，單原子氫在高溫下溶解度非常大，從而是大量的氫原子溶入到熔池當(dāng)中。

1.2氣泡的形成

高溫下溶解在熔池內(nèi)的氫，當(dāng)熔池溫度降低時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)氣泡形核、長(zhǎng)大、上浮3個(gè)階段形成氣泡。形成氣泡需要滿足3個(gè)基本條件：熔池內(nèi)存在過(guò)飽和氣；氣泡核的存在；液態(tài)單元體積有一定的保持時(shí)間（孕育期）。 焊接時(shí)焊接熔池中金屬被過(guò)熱，過(guò)熱鋁合金金屬形成的熔池，對(duì)氫的吸收量遠(yuǎn)大于氫在鋁合金中的溶解度，當(dāng)熔池金屬溫度下降時(shí)，由于溶解度下降使得導(dǎo)致整個(gè)熔池形成過(guò)飽和氣。在純金屬形成的熔池中，因?yàn)闆](méi)有氣泡核產(chǎn)生的附著點(diǎn)。很難形成氣泡，但當(dāng)熔池中有現(xiàn)成表面時(shí)，如懸浮的高熔點(diǎn)雜質(zhì)和熔池底部固液結(jié)合處，在其表面氣泡就容易形核。氣泡形核后，在內(nèi)、外壓力的共同作用下就會(huì)長(zhǎng)大，形成氣泡。

1.3形成氣孔

氣泡形成之后，在氣泡內(nèi)、外壓強(qiáng)差的共同作用下繼續(xù)長(zhǎng)大。長(zhǎng)大到一定尺寸后，與吸附表面分離，開(kāi)始上浮、溢出。但這個(gè)過(guò)程需要一定時(shí)間，能否浮出熔池表面，取決于熔池的結(jié)晶速度和氣泡上浮速度這兩個(gè)因素。 在結(jié)晶初始階段，很難形成氣孔，因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大速度遠(yuǎn)大于氫的擴(kuò)散速度，氫氣來(lái)不及聚集形成氣泡。在結(jié)晶后期，一方面，金屬溫度下降，溶解度降低形成過(guò)飽和氣，另一方面，結(jié)晶速度變緩，氫氣聚集形成氣泡傾向增大，熔池結(jié)晶時(shí)，并且在結(jié)晶前沿的凹坑中，熔池內(nèi)的難溶雜質(zhì)上，吸附表面相對(duì)較大，氣泡產(chǎn)生的可能性變大。氣泡能不能形成氣孔，取決于氣泡上浮速度與熔池結(jié)晶速度的大小關(guān)系。焊接時(shí)，在熔合線處的現(xiàn)成表面上較易形成生成氣泡。隨后，周?chē)臄U(kuò)散氫就會(huì)向氣泡中聚集，使氣泡逐漸長(zhǎng)大，所受的浮力就會(huì)隨之增加，在浮力作用下氣泡上浮，如果氣泡在這個(gè)期間沒(méi)有來(lái)得及浮出， 就會(huì)滯留在焊縫中形成氣孔。從上可以看出是否形成氣孔，主要取決于氣泡浮出速度和焊縫金屬的結(jié)晶速度大小關(guān)系： 氣泡浮出速度小于焊縫結(jié)晶速度。

2.氣孔形成的影響因素

2.1 焊縫液體金屬的凝固速度

焊縫金屬的凝固速度越大，結(jié)晶時(shí)間越短，氣泡就越不易浮出表面，也就越容易形成氣孔。某一特定材料的凝固速度主要與焊接工藝條件和焊接環(huán)境有關(guān)。鋁合金因具有良好的熱傳導(dǎo)性，相對(duì)于其他材料鋁合金材料形成的熔池導(dǎo)熱更快，結(jié)晶速度更大，留給氣體溢出的時(shí)間較短，所以不利于氣體的溢出，當(dāng)焊縫金屬結(jié)晶結(jié)束時(shí)，就會(huì)有部分氣體滯留在焊縫形成氣孔。

2.2液態(tài)金屬的粘度

若液體金屬粘度較大時(shí)，一方面，受粘滯力的影響，氣泡的長(zhǎng)大過(guò)程會(huì)減緩，另一方面，在熔池金屬的凝固階段，高粘度熔池金屬會(huì)使氣泡上浮受粘滯力的影響，上浮阻力加大，上浮速度減緩，增大氣孔傾向。

2.3氣泡內(nèi)氣體密度

當(dāng)氣泡內(nèi)氣體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔池金屬的密度時(shí)，氣泡受到的浮力相對(duì)較大，就容易浮出。如果二者密度差別不大，上浮的浮力就小，鋁合金的密度相對(duì)金屬較小，氣泡受到的浮力也就比其他種類(lèi)金屬小，氣泡上浮速度就慢，而鋁合金由于導(dǎo)熱快，結(jié)晶迅速，因而不利于氣泡浮出表面，產(chǎn)生氣孔的傾向增大。

2.4氣泡尺寸

氣泡體積越大，由阿基米德定律知物理在同一液體中所受液體的浮力越大，氣泡上浮的動(dòng)力就大，浮出熔池表面所需的時(shí)間較短。當(dāng)氣泡內(nèi)氣壓小于氣泡外壓強(qiáng)時(shí)氣泡就難以長(zhǎng)大，受到的浮力較小，產(chǎn)生氣孔的傾向增大，而當(dāng)氣泡內(nèi)壓強(qiáng)較大時(shí)，氣泡尺寸增大，浮力增大，半徑增大到足以完全浮出時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生氣孔。由于鋁合金導(dǎo)熱快，結(jié)晶時(shí)間短，氣泡的尺寸大多較小，浮出的動(dòng)力較小，因而容易產(chǎn)生氣孔。此外，熔池金屬的運(yùn)動(dòng)對(duì)氣孔的形成有一定的影響，熔池的運(yùn)動(dòng)一方面使氣體溶入熔池，另一方面有利于氣泡的上浮。

3.氣孔的控制措施

根據(jù)氫氣孔產(chǎn)生的原因，對(duì)于鋁合金焊接接頭內(nèi)的氣孔，可以采取以下措施來(lái)減少氣孔的產(chǎn)生。

3.1減少氫的來(lái)源

嚴(yán)格控制焊接材料中的氫含量，焊接材料在用前要嚴(yán)格進(jìn)行烘干處理。對(duì)焊絲和母材的表面的油污、鐵銹等雜質(zhì)進(jìn)行徹底清理，表面清理一般采用化學(xué)法、機(jī)械法，或者兩者并用?；瘜W(xué)清洗就是去除油污和氧化膜。清洗后要及時(shí)施焊，最好在化學(xué)清洗后的 2～3 小時(shí)內(nèi)用完。如果清洗后沒(méi)能立即焊接時(shí)，再次使用前用刮刀削坡口端面進(jìn)行簡(jiǎn)單清理。

3.2制定合理的焊接工藝

焊接工藝參數(shù)影響焊接熱循環(huán)，焊件上的溫度場(chǎng)，特別是熔池高溫存在時(shí)間，進(jìn)而影響氣孔產(chǎn)生。正確的工藝參數(shù)應(yīng)該是采用小線能量降低熔池存在時(shí)間，但不能太小要保證根部能完全熔合，以利熔池底部氣泡上浮。所以可用大電流，高焊速來(lái)減小線能量，達(dá)到控制焊縫中氣孔的產(chǎn)生效果。

結(jié)論

鋁合金焊接接頭中產(chǎn)生氣孔的主要原因是氫氣存在，氫氣孔形成機(jī)理是在高溫下氫在液態(tài)鋁合金中的溶解度極大，冷卻時(shí)急劇下降，形成氣泡，若結(jié)晶速度過(guò)大，氣泡來(lái)不及溢出，滯留在焊縫中形成氣孔?？梢圆捎煤线m的焊接工藝參數(shù)、有效的氣路保護(hù)和焊前清洗等措施，來(lái)減少氣孔的產(chǎn)生。

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