分析低碳鋼焊接氣孔產生的機理及試驗研究

摘 要：我國在完成全面建設小康社會之前，鋼鐵仍將是主要結構材料，焊接技術也必然要跟隨鋼鐵的發展而同步提高。出現在焊縫中的氣孔是一種典型的焊接缺陷，氣孔的存在，不僅減小了焊縫的有效承載面積，而且會形成應力集中，使得焊縫的強度韌性、疲勞強度下降，有時氣孔還會成為裂紋源，因此，氣孔的防止是焊接中一個十分重要的問題。

關鍵詞：焊接；低碳鋼；缺陷；氣孔；原因分析

1.低碳鋼性能分析

碳含量從0.10%至0.25%的碳素鋼為低碳鋼。低碳鋼含碳量較低，沒有淬硬傾向，鋼材本身又有良好的塑性，焊接性能較好，一般在焊接時不需要采取特殊的工藝措施，幾乎各種焊接方法都適用，并能保證焊接接頭的良好質量，例如焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊等。對焊接電源沒有特殊要求，交、直流弧焊電源均可。

2.低碳鋼焊接氣孔來源

低碳鋼焊接時焊縫中的氣孔是一種典型的焊接缺陷，因此，消除焊縫的氣孔是焊接工作者的責任。

（1）焊接區周圍的空氣融入熔池 如果焊接區沒有受到很好的保護，周圍空氣會侵入熔池。空氣中的氣體的侵入是焊縫產生氣孔的重要原因，特別是氮氣孔。低氫焊條引弧時產生氣孔就是因為藥皮中造氣物質CaCO3在引弧時沒能及時分解產生足夠的二氧化碳造成保護不良所致。

（2）焊接材料的吸潮 空氣中的水分很容易吸附在焊接材料上，特別是焊條和焊劑。焊接材料的吸潮是氫氣孔產生的重要原因之一。

（3）工件以及焊絲表面的氧化膜、鐵銹、油污等均可在焊接過程中向熔池中提供氫和氧。鐵銹是氧化物的水合物，而且可以提供水分，成為氫的來源。鐵銹比不含水的氧化鐵皮更容易形成氣孔。油污通常含有大量的碳氫化合物，因此也是氫的主要來源。

3.通過實驗分析低碳鋼焊接氣孔的產生機理

3.1焊條藥皮成分對氣孔的影響

（1）E4303：也稱J422碳鋼焊條，藥皮是鈦鈣型，藥皮中含有30%以上氧化鈦和20%以下鈣或鎂的碳酸鹽礦；E5015（J507）典型的堿性焊條。它是藥皮中含有多量堿性氧化物的焊條，由于焊條藥皮中含有較多的大理石、螢石等成分，它們在焊接冶金反應中生成CO2和HF，因此降低了焊縫中的含氫量，所以堿性焊條又稱為低氫焊條。

（2）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用E4303和E5015進行焊接，焊接速度2mm/s，電流120A，ZX6-250 整流弧焊電源（有下降性特點，交換抽頭式，額定電流250A），直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，對比E4303和E5015不同焊縫氣孔情況。

（3）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用E4303和E5015進行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，觀察焊縫中氣孔情況。

小結：通過試驗可以知道，在同樣條件下焊接低碳鋼，E5015比E4303更容易產生氣孔。由此可見，焊條藥皮成分是影響低碳鋼焊接產生氣孔的一個因素。一般堿性焊條藥皮中均含有一定量的螢石（CaF2），焊接冶金反應中生成CO2和HF，CO2在高溫時與氫形成OH和H2O，因此降低了焊縫中的氫含量，但CO2的氧化性較強，如還原不足，將產生CO氣孔。而酸性焊條藥皮中不含CaF2，控制氫主要依靠藥皮中有較強氧化物的組成物，以防止氫氣孔的產生。

3.2水分對氣孔的影響

（1）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用干燥的E4303和浸濕的E4303（500ml清水中浸泡1小時）進行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，對比觀察焊縫中氣孔情況。

（2）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用干燥的E5015和潮濕的E5015進行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，對比觀察焊縫中氣孔情況。

小結：通過試驗可以得知，水分是導致氣孔出現的主要原因，水在冶金過程中分解成氫和氧，這兩種元素容易在焊縫中造成氣孔，有的氣孔會貫穿整個焊件，對焊縫危害很大，另外固態焊縫中多余的氫也會在焊縫中的微缺陷處集中形成氫分子，這種氫往往在微小空間內形成局部的極大壓力，使焊縫變脆。

3.3鐵銹對氣孔的影響

（1）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別在焊條中加鐵銹（在E4303焊條藥皮上涂混合鐵銹的水玻璃）和不加鐵銹進行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，對比觀察焊縫中氣孔情況。

（2）對清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別在焊條中加鐵銹（在E5015焊條藥皮上涂混合鐵銹的水玻璃）和不加鐵銹進行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進行破壞性檢驗，對比觀察焊縫中氣孔情況。

小結：通過試驗可以知道，在其他條件相同的情況下加鐵銹會更容易出現氣孔。鐵銹是鋼鐵氧化的產物，它是氧化鐵的水化物，分子通式為 mFe2O2·nH2O，鐵銹也包含四氧化三鐵的水化物，如 Fe3O4.H2O，鐵銹含有大量以結晶水形式存在的水分，大量的水蒸氣在電弧的條件下發生分解，分解時也吸熱。 在液態熔池中有足夠高的溫度時，這些氫溶入擴散至熔池中。結晶時，隨著溶解度下降，氫便大量析出。因此氫便成為焊接有色金屬時，產生氣孔主要原因。

4.結論

通過實踐表明，低碳鋼焊縫中的氣孔主要是由氫引起的。氫的來源有焊絲和板材中溶解的氫及表面氧化膜吸附的結晶水；焊接時由于保護不好空氣中的氫和水氣進入焊接熔池等。所以，減少焊縫氣孔要從以下幾方面入手：①焊接材料，如焊條、焊劑要嚴格烘干，并且烘干后不得放置時間過長，最好存放在保溫桶中，隨取隨用。②采用適當的表面清理方法，清除工件及焊絲表面的氧化膜、鐵銹及油污等。

參考文獻：

[1]劉會杰主編.《焊接冶金與焊接性》.哈爾濱工業大學出版社，2008.3.

作者簡介：王波，（1979.11-），男，漢族，本科，研究方向：焊接。