表面處理對鋁合金焊絲氣孔敏感性的影響

路全彬，龍偉民，杜全斌，呂登峰

（鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001）

表面處理對鋁合金焊絲氣孔敏感性的影響

路全彬，龍偉民，杜全斌，呂登峰

（鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001）

鋁合金焊絲潔凈度是影響焊縫質(zhì)量的主要因素之一。研究表面處理對鋁合金焊絲氣孔敏感性的影響，結(jié)果表明，表面處理工藝不同，焊絲氫含量存在差異。未清洗的焊絲，氫含量最高，通過機(jī)械拋光方法制備的焊絲氫含量最低；焊絲氫含量與焊縫氣孔傾向呈正相關(guān)性，隨著焊絲氫含量的提高，焊縫氣孔形成傾向增加。采用機(jī)械法拋光焊絲，減少焊絲氫含量，可防止焊縫氣孔的產(chǎn)生。

鋁合金焊絲；氣孔；機(jī)械拋光；表面處理

0　前言

表面光滑、光亮、可有效避免沾附污染物的潔凈鋁合金焊絲，是鋁合金焊絲發(fā)展的方向之一。焊絲表面質(zhì)量與焊縫氣孔、夾雜等焊接缺陷的產(chǎn)生密切相關(guān)。

焊縫氣孔是鋁合金焊接接頭的常見缺陷，是鋁合金焊接的難點(diǎn)之一，一直受到研究者的極大關(guān)注[1-3]。焊縫氣孔減少了接頭有效截面積，并導(dǎo)致焊縫致密性降低，引起焊接接頭強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能的變化[4-5]，故采取有效措施控制鋁合金焊接氣孔的產(chǎn)生非常有必要。

鋁合金焊接中，氣孔的生成主要是因?yàn)殇X在固態(tài)和液態(tài)對氫的溶解能力的顯著差異造成的。鋁合金焊接中微量的氫污染都能引起嚴(yán)重的氣孔。控制焊接過程中氫的來源，對氫氣孔的防范起到重要作用。焊接過程中氫的主要來源有：焊接材料及基體金屬內(nèi)部固溶的氫，焊接材料及基體金屬表面氧化膜吸附的水分、有機(jī)物，弧柱氣氛中的水分等含有的氫[6-8]。目前，鋁合金焊絲常用生產(chǎn)工藝為：熔煉→擠壓→拉拔（中間退火）→表面處理→層繞→包裝。鋁合金焊絲在擠壓、拉拔及退火過程中，表面不可避免地會(huì)存在氧化膜（厚度約0.02 mm）和油污垢，在存放過程中可能會(huì)吸潮或沾染灰塵和油污等，造成焊絲的污染。而焊絲表層的氫污染危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過母材，故消除焊絲表層氫污染非常重要[9]。通過不同的表面處理得到光滑、光潔、光亮的焊絲是制備無污染焊絲的關(guān)鍵技術(shù)。

去除焊絲表面氧化膜及油污可采取的方法有：有機(jī)溶劑清洗、化學(xué)清洗、化學(xué)方法拋光、電化學(xué)方法拋光、同心刮削的機(jī)械拋光方法等。焊絲表面質(zhì)量的好壞與焊縫氣孔傾向性密不可分。故有必要研究焊絲表面處理工藝和焊絲氣孔傾向性的關(guān)系，為焊絲的應(yīng)用提供理論參考。

1　試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用填充材料為φ1.6 mm的ER5356鋁合金焊絲，對焊絲進(jìn)行不同工藝的表面處理，如表1所示。其中1號(hào)焊絲未經(jīng)過任何表面處理，為直接拉拔到尺寸的焊絲。2號(hào)焊絲采用酒精清洗表面油污，然后烘干。3號(hào)焊絲采用NaOH+HNO3溶液進(jìn)行化學(xué)清洗，然后烘干。4號(hào)焊絲采用磷酸基溶液進(jìn)行化學(xué)拋光，拋光液基本組成為（體積分?jǐn)?shù)）：70％H3PO4+25％ H2SO4+5％HNO3。5號(hào)焊絲采用同心刮削模具進(jìn)行表面刮削，得到表面光亮化焊絲。6號(hào)焊絲為經(jīng)過機(jī)械拋光并烘干處理的焊絲，人為觸摸后得到的焊絲。表1中的烘干條件為120℃×12 h。

表1　鋁合金焊絲表面處理工藝

H含量測量：焊絲氫含量采用美國LECO公司生產(chǎn)的TCH-600氧氮?dú)渎?lián)測儀進(jìn)行測量。測試方法為非色散紅外吸收法。儀器測量H的范圍0.1×10-6～0.25％，測量精度為0.05×10-6。可精確測量出待測焊絲氫含量。

采用手工填絲TIG焊進(jìn)行焊接，母材為H112狀態(tài)的5083鋁合金板，試板尺寸300mm×150mm×3mm。焊接試樣采用V型坡口對接，坡口角度60°，鈍邊1 mm，間隙1 mm。焊前對試板待焊區(qū)進(jìn)行打磨去除氧化膜和油污，用丙酮清洗后進(jìn)行焊接。各組試板焊接規(guī)范相同，如表2所示。采用的Ar氣純度99.999％。

表2　TIG焊焊接工藝規(guī)范

焊接結(jié)束后，在接頭的中間部位截取焊縫的橫截面制作金相試樣，如圖1所示。

圖1　金相試樣取樣示意（單位mm）

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1焊絲氫含量測量

經(jīng)不同表面工藝處理的鋁合金焊絲含氫量如圖2所示。試驗(yàn)測得的氫含量包括焊絲中固溶的氫、焊絲表面氧化膜吸附的水分、表面油污中含有的氫。可以看出，未經(jīng)過處理的1號(hào)焊絲，氫含量最高，經(jīng)過有機(jī)溶劑酒精清洗的2號(hào)焊絲氫含量明顯降低；化學(xué)清洗的3號(hào)焊絲氫含量小于2號(hào)焊絲氫含量；4號(hào)和5號(hào)焊絲氫含量最低，兩種焊絲氫含量差別不大；拋光后，又被手觸摸污染的6號(hào)焊絲，氫含量劇增。

圖2　焊絲氫含量

表面處理工藝焊絲H含量差別的原因：由于焊絲表面處理前焊絲成分一致，熔煉、擠壓和拉拔工藝一致，焊絲中固溶的H含量差別不大。故焊絲含氫量的差別主要是焊絲表面吸附的水分、有機(jī)物、腐蝕生成物等分解產(chǎn)生的氫，即表面污染帶來的氫。1號(hào)焊絲未經(jīng)任何表面處理，經(jīng)擠壓、拉拔、中間退火等工序后，表面殘留大量的油污和氧化膜，氫含量最高。2號(hào)焊絲經(jīng)過酒精清洗后去除了焊絲表面油污和吸附的部分水分，使氫含量減少，但酒精處理對焊絲表面氧化膜吸附的水分影響較少，所以焊絲中仍含有一定量的H。鋁合金焊絲經(jīng)過NaOH+HNO3處理后，表面油污被去除，表面生成的氧化膜不規(guī)則，質(zhì)地疏松，容易吸附環(huán)境中的水分，故3號(hào)焊絲的H含量相對較高。經(jīng)化學(xué)拋光的4號(hào)焊絲和機(jī)械拋光的5號(hào)焊絲，表面氧化膜為幾個(gè)微米，且氧化膜組織致密，不易吸潮，表面含氫量低。經(jīng)手觸摸的拋光焊絲，又被水或油污污染，焊絲H含量增加。

2.2焊縫氣孔敏感性

垂直焊縫方向切取接頭橫截面進(jìn)行研磨和拋光，用10％的NaOH水溶液浸蝕后，清洗烘干。采用體式顯微鏡拍攝焊縫氣孔宏觀形貌照片。表面不同工藝處理的鋁合金焊絲焊接焊縫氣孔典型宏觀形貌如圖3所示。由圖可知，1號(hào)（見圖3a）試樣觀察到大量氣孔，氣孔尺寸較大，氣孔彌散分布在焊縫界面內(nèi)。隨著焊絲氫含量的減少，焊縫氣孔量隨之減少、尺寸減小，氣孔分布發(fā)生變化。觀察圖3b和圖3c可知，氣孔分布在焊縫近表面。當(dāng)氫含量減少至6×10-6以下時(shí)（見圖3d、圖3e），焊縫中基本不出現(xiàn)氣孔。而觸摸拋光焊絲后（見圖3f），氣孔數(shù)目顯著增加，氣孔靠近焊縫根部。統(tǒng)計(jì)不同試樣制取的焊接接頭氣孔平均含量，如表3所示。由圖3和表3可知，焊前焊絲表面氫量與焊縫氣孔傾向呈正相關(guān)性，焊縫氣孔傾向隨焊絲氫含量的增加而增加。

表3　氫含量對氣孔敏感性的影響

在焊接電弧的高溫下，焊絲所吸附的微量水分或油污等在焊接過程中分解產(chǎn)生原子態(tài)氫，析出的原子態(tài)氫進(jìn)入焊縫金屬中，其溶解度表示為

式中[H]為原子態(tài)氫的溶解度；pH2為熔池上方的氫分壓；K為平衡常數(shù)。

由式（1）知，氫在熔池中的濃度越大，其溶入熔池中的量也越大。但是，當(dāng)熔池中液體金屬冷卻并將凝固時(shí)，氫在液體金屬中的溶解度突然變低。隨著氫溶解度的快速降低，熔池內(nèi)液態(tài)金屬即為氫所過飽和，這就為焊縫內(nèi)生成氣孔提供了條件[8]。

焊接過程中溶解在熔池中的氣體形成氣泡，經(jīng)過氣泡形核、長大、上浮三個(gè)階段后，如果熔池中的氣泡來不及逸出則形成氣孔。從圖3和表3可以看出，隨著焊絲氫含量的增加，弧柱區(qū)存在的原子態(tài)氫增加，焊接時(shí)熔池上方的氫分壓隨之增加，溶入熔池中的氫絕對量增加；隨著焊接溫度的變化，熔池開始凝固，過飽和的氫，形成氣泡開始逸出。氫含量變大，氣泡量增多，氣泡逸出總時(shí)間加長，但熔池凝固時(shí)間不延長，則在熔池金屬完全固相化前仍有部分氫未逸出，而以氣泡形式殘留在凝固的焊縫金屬內(nèi)，形成焊縫氣孔。對比圖3a和圖3b、圖3f可知，當(dāng)氫源中的氫含量較少時(shí)，內(nèi)部基本無氣泡，只在表面殘留未逸出的氣泡，即成為表面氣孔。但氫含量大幅增加時(shí)，大量氣泡未成功逸出，則彌散分布在焊縫內(nèi)，形成彌散氣孔，見圖3a、圖3f。因此，焊絲氫含量的增加，會(huì)導(dǎo)致焊縫形成氣孔傾向的增加。

3　結(jié)論

（1）焊絲表面處理工藝不同，氫含量不同。機(jī)械拋光焊絲，氫含量最低。

（2）焊絲氫含量與焊縫氣孔敏感性呈正相關(guān)性，氫含量越高，形成焊縫氫氣孔傾向高。

（3）采用機(jī)械拋光的焊絲，可有效防止焊縫氣孔的產(chǎn)生，但應(yīng)避免對焊絲進(jìn)行任何形式的觸摸，以免造成焊絲的二次污染。

[1]馬建民，李敬勇.焊接缺陷對鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2003，18（6）：31-34.

[2]王元良，屈金山，晏傳鵬，等.鋁合金焊接性能及焊接接頭性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，1997，7（1）：69-74.

[3]常艷君，董俊慧.鋁合金電子束焊接氣孔的分析[J].焊接，2005（11）：43-45.

[4]張宏偉.鋁合金常見焊接缺陷分析[J].輕合金加工技術(shù)，2010，38（1）：53-55.

[5]趙為松，趙維樹．高速列車鋁合金車體焊接可靠性[J]．電焊機(jī)，2011，41（11）：103-105．

[6]Haboudou A，Peyre P，Vannes A B，et al．Reduction of porosity content generated during Nd：YAG laser welding of A356 and AA5083 aluminium alloys[J]．Mechanical Science and Engineering：A，2003，363（1-2）：40-52．

[7]李艷軍，康舉，吳愛萍，等．TIG焊工藝對LD10鋁合金接頭氣孔的影響[J]．焊接學(xué)報(bào)，2014，35（04）：37-40．

[8]周萬盛，姚君山．鋁及鋁合金焊接[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[9]范平章．鋁合金表面狀態(tài)對焊接氣孔的影響[J]．航天工藝，2000（2）：19-23．

Effect of surface treatment on gas porosity susceptibility of aluminum alloy welding wire

LU Quanbin，LONG Weimin，DU Quanbin，LV Dengfeng
（State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals&Technology，Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering，Zhengzhou 450001，China）

The cleanliness of aluminum alloy welding wire is one of the main factors affecting the quality of the welding seam.In this study，the effect of surface treatment on gas porosity susceptibility of the aluminum alloy welding wire is investigated.The results show that the Hydrogen content in the welding wires using different surface treatment technologies is disparity.The Hydrogen content in the wire with no cleaning is the highest，the Hydrogen content in mechanical polished wire is the lowest.The gas porosity susceptibility is positively related with Hydrogen content in the welding wire.Mechanical polishing is used to decrease the Hydrogen content in the welding wire and prevent the formation of the welding seam gas porosity.

aluminum alloy welding wire；gas porosity；mechanical polishing；surface treatment

圖3　接頭橫截面宏觀形貌

TG422.3

A

1001－2303（2016）04－0055-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.12

2015-01-17；

2015-07-16

國家國際科技合作項(xiàng)目（2014DFR50820）

路全彬（1984—），男，河南鄭州人，在讀博士，主要從事新型釬焊材料與技術(shù)，焊接材料與技術(shù)的研究。