探析金屬材料焊接成型中主要缺陷及控制策略

陳禹臻 ， 唐 茂 ， 郭子楊 ， 曾 健 ， 吳柏強(qiáng)

（1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610100；2.成都海逸機(jī)電有限公司，四川 成都 610000）

隨著我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，金屬材料在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。金屬材料焊接成型是機(jī)械加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝因素。實(shí)踐證明，金屬材料焊接成型受諸多因素影響，因此在具體的操作環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格按照相關(guān)工藝要求，根據(jù)容易發(fā)生的缺陷問(wèn)題及時(shí)采取相應(yīng)的防范控制措施，以此提升金屬材料焊接成型的效果和質(zhì)量[1]。

1 金屬材料焊接成型概述

焊接顧名思義就是通過(guò)加熱或者加壓的方式，使用或者不使用填充材料使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法。金屬材料焊接成型則是通過(guò)加熱等方法，使兩塊金屬表面之間形成原子間的結(jié)合與擴(kuò)散作用，從而使分離的金屬材料牢固連接在一起的工藝方法。根據(jù)焊接工藝等因素劃分，金屬材料焊接成型工藝主要分為：1）熔化焊。熔化焊是最常用的焊接工藝，其主要是將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法。例如氣焊、其他保護(hù)焊以及電弧焊等都屬于熔化焊范疇。2）壓力焊。壓力焊則是在焊接過(guò)程中，由焊接操作者對(duì)焊件進(jìn)行施壓完成焊接作業(yè)。施加壓力的方法比較多，例如加熱、加壓都屬于常用的方法。3）釬焊。釬焊是近些年常用的一種焊接工藝，其主要是采取比母材金屬熔點(diǎn)更低的金屬材料作為釬料，然后焊接人員將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材金屬熔點(diǎn)的溫度，然后利用已經(jīng)成為液態(tài)的釬料潤(rùn)濕母材金屬，將其填充到接頭間隙并且與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法[2]。

大量實(shí)踐表明，金屬材料焊接成型工藝具有較高的應(yīng)用價(jià)值：一是此種工藝能夠節(jié)省焊接材料，而且焊接質(zhì)量相對(duì)比較高，能夠很好地達(dá)到焊接要求；二是焊接操作工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)以小拼大的目的；三是使用范疇相對(duì)比較廣泛，能夠快速便捷地生成異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)；四是焊接件重量相對(duì)較輕，便于焊接操作[3]。當(dāng)然金屬材料焊接成型工藝也存在一些缺陷，例如當(dāng)焊縫中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.04%時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，因此需要對(duì)金屬材料進(jìn)行控制。

2 金屬材料焊接成型中存在的主要缺陷

金屬材料焊接成型在機(jī)械制造生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，隨著我國(guó)焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是機(jī)器人技術(shù)在焊接工藝中的應(yīng)用使得焊接作業(yè)質(zhì)量不斷提升。但是通過(guò)深入調(diào)查不難看出，在金屬材料焊接成型作業(yè)中仍然存在一些缺陷問(wèn)題，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

2.1 焊接裂縫

焊接裂縫是焊接作業(yè)中常見(jiàn)的缺陷，在焊接作業(yè)中焊接應(yīng)力超過(guò)焊接材料的斷裂應(yīng)力時(shí)，焊接件就會(huì)發(fā)生裂縫。例如縱向裂縫、橫向裂紋以及內(nèi)部裂紋等都是常見(jiàn)的焊接裂縫現(xiàn)象。焊接裂縫會(huì)給金屬制品的后期使用帶來(lái)巨大的威脅，例如在汽車(chē)焊接作業(yè)中如果出現(xiàn)焊接裂縫則會(huì)給安全行駛帶來(lái)巨大隱患。根據(jù)焊接裂縫產(chǎn)生的原理，金屬材料焊接裂縫主要分為熱裂紋和冷裂紋兩種形態(tài)。1）熱裂縫。主要是在焊接作業(yè)中，金屬在熔融態(tài)開(kāi)始結(jié)晶時(shí)到完全轉(zhuǎn)化為金屬固態(tài)結(jié)晶過(guò)程中，由于受其他因素（金屬材料的雜質(zhì)較多或者焊接作業(yè)環(huán)境濕度較高）的影響而產(chǎn)生的裂縫[4]。一般熱裂縫會(huì)直觀地反映在金屬制品的表面，肉眼可以直觀地觀察到。2）冷裂縫。在焊接加熱時(shí)，焊縫金屬區(qū)的溫度在液相線以上，當(dāng)完成焊接作業(yè)后，由于焊接人員操作不當(dāng)或者未能合理處理焊接加壓工藝（焊接區(qū)域出現(xiàn)淬硬組織），就容易導(dǎo)致焊接件在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)相應(yīng)的裂縫。一般冷裂縫會(huì)在焊接作業(yè)完成后的幾個(gè)小時(shí)或者幾天內(nèi)發(fā)生，具有相對(duì)的延遲性。

2.2 焊接縫折斷

焊接縫折斷是嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量的因素，其主要是由于在焊接中出現(xiàn)各種問(wèn)題而導(dǎo)致焊接接頭根部并未完全熔化透，致使金屬焊接部位存在焊接質(zhì)量問(wèn)題。導(dǎo)致金屬材料焊接縫折斷的原因主要有以下幾個(gè)方面：1）焊接區(qū)表面有氧化膜或者銹皮。焊接屬于金屬材料原子間的重新組合，如果焊接區(qū)表面存在銹皮或者氧化膜就會(huì)導(dǎo)致不同金屬原子出現(xiàn)組合障礙，從而出現(xiàn)焊接縫焊接不緊密的問(wèn)題[5]。2）熱輸入不足，導(dǎo)致焊接熔化溫度不夠。焊接作業(yè)最基本的條件就是要保障焊接溫度達(dá)到金屬材料熔化點(diǎn)的溫度，如果焊接熱輸入不足就會(huì)導(dǎo)致焊接縫區(qū)域的金屬材料不能轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這樣會(huì)出現(xiàn)不融合的問(wèn)題。例如，當(dāng)未融合的母材金屬加熱溫度過(guò)高會(huì)成為過(guò)熱粗晶，這樣它的塑性和韌性就會(huì)變差，從而導(dǎo)致裂縫斷裂。3）焊接池太大。焊接池就是在焊接加熱時(shí)，母材金屬和填充金屬熔化后共同形成的液態(tài)區(qū)域。如果焊接池太大的話就會(huì)導(dǎo)致焊接件的塑性變得比較差，從而出現(xiàn)裂縫斷裂。當(dāng)然接頭設(shè)計(jì)不合理也是容易造成焊接件不融合的重要因素。

2.3 焊接氣孔

氣孔是金屬材料焊接成型加工中的最普遍的問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，金屬材料焊接氣孔缺陷一般發(fā)生在焊接區(qū)內(nèi)部、表面以及焊接接頭部位。如果焊接件出現(xiàn)氣孔缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響焊接件的整體質(zhì)量，為后續(xù)的機(jī)械加工帶來(lái)巨大安全隱患。本研究結(jié)合相關(guān)研究資料，認(rèn)為焊接件氣孔形成的主要原因有以下幾個(gè)：1）保護(hù)氣體覆蓋不足。在焊接過(guò)程中需要排除空氣，避免在焊接中卷入空氣，如果在焊接中卷入空氣就容易導(dǎo)致焊接區(qū)域出現(xiàn)氣孔[6]。2）焊絲污染。焊絲污染是造成氣孔的重要因素，也是在焊接作業(yè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。其原因就在于焊接作業(yè)人員缺乏安全意識(shí)，沒(méi)有做好焊絲的清潔保護(hù)工作。當(dāng)然工件的污染也是造成氣孔發(fā)生的重要因素，例如工件表面存在油污、灰塵等，就會(huì)產(chǎn)生污染區(qū)域不能熔化的故障，從而導(dǎo)致氣孔缺陷發(fā)生。3）噴嘴與工件距離太大，導(dǎo)致在焊接作業(yè)時(shí)出現(xiàn)氣孔。

2.4 夾渣和焊瘤

夾渣就是在焊接過(guò)程中存在熔渣導(dǎo)致的，一旦出現(xiàn)夾渣缺陷就會(huì)影響到金屬焊接件的整體質(zhì)量。導(dǎo)致夾渣的原因比較多，但是在實(shí)踐作業(yè)中主要是由于作業(yè)人員沒(méi)有嚴(yán)格控制行走速度結(jié)果導(dǎo)致氧化模型夾雜物。當(dāng)然焊接件的坡口切割不規(guī)范也是造成夾渣的重要因素。例如在焊接件焊接口切割時(shí)，如果切口存在大量的毛細(xì)組織，就會(huì)導(dǎo)致切口處存在一定數(shù)量的金屬氧化皮，在焊接加熱過(guò)程中，金屬氧化皮就會(huì)受到高溫影響而熔化，最終形成夾渣[7]。

焊瘤缺陷是焊接成型操作完畢后，在焊接縫周?chē)霈F(xiàn)的明顯的金屬瘤。金屬瘤的產(chǎn)生主要是由于焊接過(guò)程中產(chǎn)生的溶液金屬在下墜過(guò)程中受到其他因素干擾。例如在焊接作業(yè)中，焊接電流輸入的壓力較大或者焊接電弧放射行程過(guò)大就會(huì)使焊接點(diǎn)溶液過(guò)多導(dǎo)致下墜壓力較大，從而產(chǎn)生焊瘤。

3 控制金屬材料焊接成型缺陷的具體策略

基于金屬材料焊接成型中所存在的缺陷問(wèn)題，需要采取以下控制策略。

3.1 裂縫缺陷的控制策略

裂縫是金屬材料焊接成型的主要缺陷，對(duì)于焊接裂縫缺陷的控制主要采取以下措施：1）對(duì)于熱裂縫主要從焊接工藝入手。要規(guī)范焊接操作流程，要求焊接人員嚴(yán)格按照焊接操作順序?qū)嵤?。?guī)范焊接參數(shù)，優(yōu)化調(diào)整焊接工序及焊接電流設(shè)置[8]。2）對(duì)冷裂縫則需要從焊條等方面入手，例如為了避免發(fā)生冷裂縫缺陷，焊接人員要選擇低氫型焊條，這樣可以防止在焊接作業(yè)時(shí)出現(xiàn)大量氫氣匯集的現(xiàn)象，從而降低焊接件出現(xiàn)冷裂縫的概率[9]。同時(shí)焊接人員還要樹(shù)立安全意識(shí)，嚴(yán)格按照焊接作業(yè)流程等規(guī)范要求做好焊條的保管工作，防止焊條產(chǎn)生受潮現(xiàn)象，如果焊條受潮的話則不能使用。

3.2 焊縫折斷缺陷控制策略

焊縫折斷發(fā)生的原因比較多，但是結(jié)合常見(jiàn)焊縫折斷缺陷原因，應(yīng)采取以下措施：1）要做好焊接件的清潔作業(yè)。由于焊接件區(qū)域部分存在油污等會(huì)導(dǎo)致融合性差的問(wèn)題，從而導(dǎo)致焊縫折斷。因此在焊接作業(yè)前，焊接作業(yè)人員需要對(duì)焊接縫周?chē)M(jìn)行清潔，保障周?chē)s物清除干凈。當(dāng)在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)油污存在，則要在起弧后，適當(dāng)?shù)胤怕附铀俣?，多燒一?huì)，等金屬漆層燒損后再進(jìn)行金屬焊接，這樣可以有效避免不融合的現(xiàn)象。2）適當(dāng)提高送弧速度以解決熱輸入不足產(chǎn)生的危害。如果在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)熱輸入不足現(xiàn)象，焊接人員要適當(dāng)提高送弧的速度，這樣可以有效解決因熱輸入不足而造成的焊接不牢固的缺陷問(wèn)題[10]。3）減少電弧擺動(dòng)以減少焊接熔池。在焊接過(guò)程中由于熔池過(guò)大容易造成焊接未熔合的現(xiàn)象，焊接人員要做好熔池的設(shè)計(jì)，通過(guò)減少電弧擺動(dòng)的方式適當(dāng)增加在靠近坡口面熔池邊緣的停留時(shí)間。4）要優(yōu)化接頭設(shè)計(jì)。為了降低裂縫折斷的概率，需要優(yōu)化坡口角度，保障坡口角度足夠大，這樣可以縮短焊絲伸出長(zhǎng)度，從而使焊絲更加直接加熱熔池底部。

3.3 焊接氣孔缺陷控制策略

對(duì)于氣孔缺陷的控制策略主要是針對(duì)金屬焊接成型中的發(fā)生原理實(shí)施。1）要增加保護(hù)氣流量，及時(shí)排除影響焊接的空氣。如果在焊接中空氣含量過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致焊接縫中存在大量的氣體，從而產(chǎn)生氣孔。因此焊接人員要適當(dāng)增加保護(hù)氣流量，避免在焊接中卷入過(guò)量的空氣。2）要加強(qiáng)對(duì)焊接件的清潔作業(yè)。焊接件出現(xiàn)污染會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，所以在焊接實(shí)施前需要對(duì)相關(guān)焊接件進(jìn)行清潔[11]。一方面，要對(duì)焊絲進(jìn)行清潔，將送絲機(jī)構(gòu)的污染區(qū)清理干凈；另一方面，要對(duì)焊接件表面進(jìn)行清潔，尤其是要將表面的銹皮、塵土等清除干凈。當(dāng)然為了最大程度地控制金屬焊接氣孔的產(chǎn)生，在電弧焊時(shí)要選擇含脫氧劑的焊絲。3）優(yōu)化焊槍角度，將電弧力推動(dòng)金屬流動(dòng)。

3.4 夾渣和焊瘤問(wèn)題的控制策略

夾渣和焊瘤是影響焊接質(zhì)量的重要因素，對(duì)于夾渣和焊瘤的主要控制措施如下[12-13]：1）做好焊接件的清潔作業(yè)，避免雜物融入焊接作業(yè)中。由于焊接件表面污染或者切口存在氧化鐵皮等會(huì)導(dǎo)致夾渣出現(xiàn)，因此在焊接作業(yè)時(shí)需要做好各項(xiàng)清潔作業(yè)，保障焊接件表面干凈。2）做好切口工藝。在焊接件切口操作時(shí)必須保障切口的整潔，防止切口操作不規(guī)范。3）適當(dāng)降低送絲速度和電弧電壓，避免焊瘤發(fā)生。焊瘤出現(xiàn)的很大因素是熱輸入較大而導(dǎo)致金屬材料熔化液態(tài)下墜壓力較大，因此焊接作業(yè)人員要降低送絲的速度，提高焊接的速度，以免因瞬間熱輸入較大而造成焊瘤。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著機(jī)械智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然現(xiàn)如今金屬材料的焊接成型工藝不斷發(fā)展成熟，但是依舊不可避免地會(huì)存在一定缺陷，這些缺陷也會(huì)對(duì)金屬焊接效果及質(zhì)量形成負(fù)面影響。因此，人們需要對(duì)金屬材料焊接成型過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況去正確修正，優(yōu)選焊接材料，把控好焊接速度與電流，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，避免一切不規(guī)范操作帶來(lái)的焊接缺陷，確保金屬材料焊接成型的質(zhì)量。