鋁合金焊接接頭中氣孔產生的機理與控制措施

劉子建

摘 要：本文對鋁合金焊接接頭產生氣孔的原因和形成機理進行分析，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、有效的氣路保護和焊前清洗等。

關鍵詞：氫氣孔；形成機理；加強保護

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A

0.引言

相對于大多數金屬，鋁及鋁合金具有較小的密度、較高的比強度等優良特性，并且地球上鋁礦資源豐富，在各種工程結構中具有廣泛的應用，正逐步成為鋼結構替代物的理想材料。但鋁合金焊接接頭在進行焊接時，焊縫金屬結晶過程容易產生氣孔，殘存在焊縫中的這些氣孔使接頭的實際受力面積大為減少，從而使承受能力極大地下降，還可能誘發脆性斷裂，這給鋁合金的實際應用帶來一定的不利因素，因而應研究如何控制氣孔產生。

1.氣孔的形成機理

鋁合金在焊接時，焊接接頭產生的氣孔種類主要是氫氣孔。氫氣孔產生的原因是焊接時，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，從而熔池內會溶入大量的氫，當電弧離去時，熔池溫度迅速下降，這時氫的溶解度隨溫度下降急劇減小，就會有大量的氫溢出，但由于鋁結晶速度較塊，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，熔池結晶結束后，還會有許多氣泡來不及浮出，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、吸附水等物質在高溫條件下分解產生的氫；電弧保護氣氛中的氫和水分；空氣的水分等等。焊接時，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中。

1.2氣泡的形成

高溫下溶解在熔池內的氫，當熔池溫度降低時，會經過氣泡形核、長大、上浮3個階段形成氣泡。形成氣泡需要滿足3個基本條件：熔池內存在過飽和氣；氣泡核的存在；液態單元體積有一定的保持時間（孕育期）。 焊接時焊接熔池中金屬被過熱，過熱鋁合金金屬形成的熔池，對氫的吸收量遠大于氫在鋁合金中的溶解度，當熔池金屬溫度下降時，由于溶解度下降使得導致整個熔池形成過飽和氣。在純金屬形成的熔池中，因為沒有氣泡核產生的附著點。很難形成氣泡，但當熔池中有現成表面時，如懸浮的高熔點雜質和熔池底部固液結合處，在其表面氣泡就容易形核。氣泡形核后，在內、外壓力的共同作用下就會長大，形成氣泡。

1.3形成氣孔

氣泡形成之后，在氣泡內、外壓強差的共同作用下繼續長大。長大到一定尺寸后，與吸附表面分離，開始上浮、溢出。但這個過程需要一定時間，能否浮出熔池表面，取決于熔池的結晶速度和氣泡上浮速度這兩個因素。 在結晶初始階段，很難形成氣孔，因為晶粒長大速度遠大于氫的擴散速度，氫氣來不及聚集形成氣泡。在結晶后期，一方面，金屬溫度下降，溶解度降低形成過飽和氣，另一方面，結晶速度變緩，氫氣聚集形成氣泡傾向增大，熔池結晶時，并且在結晶前沿的凹坑中，熔池內的難溶雜質上，吸附表面相對較大，氣泡產生的可能性變大。氣泡能不能形成氣孔，取決于氣泡上浮速度與熔池結晶速度的大小關系。焊接時，在熔合線處的現成表面上較易形成生成氣泡。隨后，周圍的擴散氫就會向氣泡中聚集，使氣泡逐漸長大，所受的浮力就會隨之增加，在浮力作用下氣泡上浮，如果氣泡在這個期間沒有來得及浮出， 就會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晶速度大小關系： 氣泡浮出速度小于焊縫結晶速度。

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，結晶時間越短，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境有關。鋁合金因具有良好的熱傳導性，相對于其他材料鋁合金材料形成的熔池導熱更快，結晶速度更大，留給氣體溢出的時間較短，所以不利于氣體的溢出，當焊縫金屬結晶結束時，就會有部分氣體滯留在焊縫形成氣孔。

2.2液態金屬的粘度

若液體金屬粘度較大時，一方面，受粘滯力的影響，氣泡的長大過程會減緩，另一方面，在熔池金屬的凝固階段，高粘度熔池金屬會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氣泡內氣體密度

當氣泡內氣體密度遠遠小于熔池金屬的密度時，氣泡受到的浮力相對較大，就容易浮出。如果二者密度差別不大，上浮的浮力就小，鋁合金的密度相對金屬較小，氣泡受到的浮力也就比其他種類金屬小，氣泡上浮速度就慢，而鋁合金由于導熱快，結晶迅速，因而不利于氣泡浮出表面，產生氣孔的傾向增大。

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，氣泡上浮的動力就大，浮出熔池表面所需的時間較短。當氣泡內氣壓小于氣泡外壓強時氣泡就難以長大，受到的浮力較小，產生氣孔的傾向增大，而當氣泡內壓強較大時，氣泡尺寸增大，浮力增大，半徑增大到足以完全浮出時，就不會產生氣孔。由于鋁合金導熱快，結晶時間短，氣泡的尺寸大多較小，浮出的動力較小，因而容易產生氣孔。此外，熔池金屬的運動對氣孔的形成有一定的影響，熔池的運動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

根據氫氣孔產生的原因，對于鋁合金焊接接頭內的氣孔，可以采取以下措施來減少氣孔的產生。

3.1減少氫的來源

嚴格控制焊接材料中的氫含量，焊接材料在用前要嚴格進行烘干處理。對焊絲和母材的表面的油污、鐵銹等雜質進行徹底清理，表面清理一般采用化學法、機械法，或者兩者并用。化學清洗就是去除油污和氧化膜。清洗后要及時施焊，最好在化學清洗后的 2～3 小時內用完。如果清洗后沒能立即焊接時，再次使用前用刮刀削坡口端面進行簡單清理。

3.2制定合理的焊接工藝

焊接工藝參數影響焊接熱循環，焊件上的溫度場，特別是熔池高溫存在時間，進而影響氣孔產生。正確的工藝參數應該是采用小線能量降低熔池存在時間，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，高焊速來減小線能量，達到控制焊縫中氣孔的產生效果。

結論

鋁合金焊接接頭中產生氣孔的主要原因是氫氣存在，氫氣孔形成機理是在高溫下氫在液態鋁合金中的溶解度極大，冷卻時急劇下降，形成氣泡，若結晶速度過大，氣泡來不及溢出，滯留在焊縫中形成氣孔。可以采用合適的焊接工藝參數、有效的氣路保護和焊前清洗等措施，來減少氣孔的產生。

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