6005A-T6中厚板鋁合金焊接氣孔形成機(jī)理及控制措施研究

■ 楊大偉 崔伯永 王魚贊 王志華

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，車體輕量化對(duì)提高軌道交通車輛的運(yùn)行時(shí)速、降低能源消耗具有重要意義[1]。鋁合金是較輕的金屬材料，很容易形成微米級(jí)致密氧化層并阻止其進(jìn)一步氧化，在易于加工的同時(shí)通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化等手段可使其具有較高的強(qiáng)度，因此在選擇輕量化材料時(shí)，鋁合金成為優(yōu)先考慮的對(duì)象。隨著高難度、高復(fù)雜度鋁合金擠壓結(jié)構(gòu)型材生產(chǎn)工藝的不斷成熟，鋁合金的強(qiáng)度等性能完全能夠滿足軌道交通列車車體的需求，因此得到廣泛應(yīng)用[2-3]。6005A-T6鋁合金通過(guò)擠壓、熱處理、時(shí)效強(qiáng)化等工藝可達(dá)到中等強(qiáng)度，在制造鋁合金車體時(shí)使用最多[4-5]。在軌道列車鋁合金工業(yè)生產(chǎn)中，MIG焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、電弧功率大、可焊接鋁合金中厚板等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[6-8]；TIG焊（非熔化極惰性氣體保護(hù)焊）焊接時(shí)熱量比較集中、電弧燃燒穩(wěn)定、焊縫金屬致密、焊接接頭質(zhì)量較優(yōu)，但TIG焊熔深較淺、焊接速度慢、生產(chǎn)效率低，主要應(yīng)用于薄板焊接、返修及厚板的打底焊縫焊接。鋁合金具有氧化性強(qiáng)、固/液兩相氫溶解度相差很大等特點(diǎn)，因此鋁合金熔化焊生產(chǎn)中形成氣孔缺陷的幾率很高[9-10]。一般來(lái)說(shuō)，氣孔是導(dǎo)致構(gòu)件破壞的重要原因，存在氣孔缺陷時(shí)，將導(dǎo)致焊接接頭的性能降低、焊縫致密性降低、焊縫有效面積減小、彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度降低、塑性降低，在交變載荷作用下焊縫疲勞強(qiáng)度顯著下降[11-13]。當(dāng)焊縫中氣孔率超標(biāo)時(shí)必須進(jìn)行返修，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致報(bào)廢，這必然降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本，因此研究鋁合金焊接氣孔的形成機(jī)理、影響因素具有重要意義。

針對(duì)6005A-T6中厚板（14 mm、20 mm）鋁合金在試驗(yàn)生產(chǎn)（CLOOS-QRC 350 MIG焊接）中出現(xiàn)的氣孔缺陷，深入研究中厚板鋁合金焊接氣孔的微觀形成機(jī)理，分析產(chǎn)生氣孔的影響因素，在此基礎(chǔ)上提出生產(chǎn)中減少中厚板鋁合金焊接氣孔的措施，為提高中厚板鋁合金焊接質(zhì)量提供參考。

1 焊接氣孔微觀形成機(jī)理

大量研究表明，鋁合金熔化焊中產(chǎn)生的氣孔基本都是氫氣孔。結(jié)合焊接冶金學(xué)及材料科學(xué)相關(guān)理論，分析研究6005A-T6中厚板鋁合金熔化焊中氣孔的形成過(guò)程，可以將氫氣孔的形成過(guò)程分為4個(gè)階段：氫溶于焊接熔池階段、氫氣泡形核階段、氫氣泡長(zhǎng)大階段、氫氣泡上浮階段。

（1）氫溶于焊接熔池階段：鋁合金熔化焊焊接過(guò)程中，母材及焊絲表面、保護(hù)氣體及環(huán)境氣氛中所含有的含氫化合物在高溫焊接電弧熱的作用下發(fā)生分解反應(yīng)形成氫，氫通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散溶解到電弧中過(guò)渡的熔滴和金屬熔池中。

（2）氫氣泡形核階段：由于鋁合金熱導(dǎo)率大、散熱快，焊接熔池迅速冷卻結(jié)晶，在焊接熔池由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，氫元素溶解度將發(fā)生突變，由6．90 mL/kg驟變至0．36 mL/kg（見圖1）。因此，液態(tài)熔池里將會(huì)析出過(guò)飽和氫；由于氫氣泡在焊縫邊緣優(yōu)先結(jié)晶的樹枝晶、柱狀晶等物質(zhì)表面形核時(shí)所需的形核能很低，因此氫氣泡將會(huì)優(yōu)先在這些表面形核[14]。

（3）氫氣泡長(zhǎng)大階段：如果已經(jīng)形核的氣泡既不長(zhǎng)大也不上浮，需滿足：

式中：pg為氣泡內(nèi)部壓力；pa為大氣壓力；pm為液態(tài)熔池壓力；ps為克服表面張力需要的外在力；σ為液態(tài)熔池表面張力，σ=0．9 N/cm2；r為氣泡半徑；K為常數(shù)，K=9．87×10-7。由于在焊縫熔池樹枝晶界面處晶粒表面形核的氣泡曲率半徑r很大，所以通常ps很小，當(dāng)滿足條件pg＞pa+pm+ps時(shí)氣泡便會(huì)長(zhǎng)大。

圖1 氫在不同溫度下鋁中的溶解度

（4）氫氣泡上浮階段：氣泡向上浮出速度ve為：

式中：K為系數(shù)；g為重力加速度；η為液體金屬黏度；r為氣泡半徑；ρ1為液體金屬密度；ρ2為氣泡密度。

隨著熔池溫度的降低，η越來(lái)越大，導(dǎo)致ve很小，鋁合金熱導(dǎo)率較大，熔池凝固結(jié)晶較快，熔池冷卻速度vCR較大，當(dāng)ve＜vCR時(shí)，焊縫中的氣泡就不能及時(shí)溢出而形成氣孔，所以鋁合金焊接接頭形成氣孔的傾向很大。

在某車間試驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)觀察分析發(fā)現(xiàn)鋁合金熔化焊過(guò)程中易形成鏈狀氣孔、皮下氣孔、密集性氣孔3種主要類型氣孔。焊接熔池非平衡凝固結(jié)晶時(shí)，熔池邊緣優(yōu)先結(jié)晶的樹枝晶、柱狀晶為氣孔的形核長(zhǎng)大提供了有利條件，若此類氣孔不能及時(shí)長(zhǎng)大上浮，則將形成鏈條狀分布的小而密集的鏈狀氣孔（見圖2）。若氣泡滿足上浮條件，則在其上浮的同時(shí)氣泡將不斷長(zhǎng)大、結(jié)合，若在焊縫凝固前上浮到熔池表面附近的氣泡在液態(tài)鋁表面張力的束縛下沒能及時(shí)溢出，氣泡就會(huì)在焊縫表層附近滯留進(jìn)而產(chǎn)生分散且尺寸很大的皮下氣孔（見圖3）。在焊縫最后凝固的等軸晶及樹枝晶區(qū)，由于氣泡形核、長(zhǎng)大所需的能量較高，所以形成的氣泡在形貌上呈現(xiàn)出小尺寸、集中分布的特點(diǎn)（見圖4）。

2 焊接氣孔產(chǎn)生的影響因素

影響鋁合金產(chǎn)生焊接氣孔的因素很多，從氫的來(lái)源角度分析，主要包括母材及焊絲表面未清理干凈的氧化層、油污、水分，保護(hù)氣體含水量是否達(dá)標(biāo)（參考GB/T 4842—2006，水分含量/體積分?jǐn)?shù)≤3 ppm），環(huán)境溫濕度等。鋁合金表面的氧化膜能從空氣中吸收水分，如果焊前沒有嚴(yán)格按照規(guī)范工藝要求清理坡口及其附近30～50 mm區(qū)域，焊絲存儲(chǔ)不良受潮或使用時(shí)表面沾染污物，都會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)水分或污物在電弧中分解產(chǎn)生氫，從而增加產(chǎn)生焊接氣孔的幾率。如果焊接工藝制定的保護(hù)氣體流量不合適使空氣卷入或產(chǎn)生穩(wěn)流，冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，造成保護(hù)氣體中的含水量超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，也會(huì)提高氣孔在焊縫中的形成幾率。環(huán)境溫濕度是影響鋁合金熔化焊焊接氣孔形成的最重要因素之一。焊接溫度36～37 ℃、相對(duì)濕度50%～53%的條件下焊縫典型X射線檢測(cè)形貌見圖5，可以看出，在該溫濕度條件下，不僅形成了較大的氣孔，而且形成了較小的密集性氣孔和鏈狀氣孔。

圖2 鏈狀氣孔

圖3 皮下氣孔

圖4 密集性氣孔

3 焊接氣孔控制措施

3.1 嚴(yán)格控制環(huán)境溫濕度

相關(guān)研究已經(jīng)表明，隨著環(huán)境溫濕度的增加，焊接時(shí)弧柱和鋁合金表面吸附的水分增加，氣孔敏感性增大，并且指出習(xí)慣上采用的相對(duì)濕度不能單獨(dú)影響焊縫的氣孔敏感性，必須考慮相應(yīng)的溫度才有實(shí)際意義，而絕對(duì)濕度卻可以認(rèn)為是影響氣孔數(shù)量的獨(dú)立因素，因此采用絕對(duì)濕度來(lái)表征濕度對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的影響較為直接，同時(shí)指出當(dāng)絕對(duì)濕度大于15 g/m3時(shí)氣孔數(shù)量急劇增加[15]。絕對(duì)濕度可通過(guò)相對(duì)濕度和同一溫度下空氣的飽和水蒸氣量來(lái)計(jì)算：

圖5 X射線檢測(cè)光片

式中：W為相對(duì)濕度；F為同一溫度下空氣的飽和水蒸氣量；f為空氣中水蒸氣的絕對(duì)含量，即絕對(duì)濕度[15]。由式（4）可計(jì)算出絕對(duì)濕度為15 g/m3時(shí)各溫度條件下的相對(duì)濕度，并可做出散點(diǎn)圖（見圖6中藍(lán)色散點(diǎn)所示，18 ℃以下時(shí)空氣的飽和濕度小于15 g/m3），對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行指數(shù)擬合可得到相對(duì)濕度和溫度的函數(shù)關(guān)系y=2．559 3e-0．055x，且擬合度很高（R2=0．999 4）。焊接時(shí)各溫度條件下的相對(duì)濕度滿足y≤2．559 3e-0．055x時(shí)，絕對(duì)濕度就會(huì)小于15 g/m3，氫氣孔的產(chǎn)生率就會(huì)很低。但在某一溫度條件下，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和，此時(shí)如果環(huán)境中再有水分蒸發(fā)或溫度輕微降低，就極易在空氣中結(jié)露形成小水滴，從而增大焊接氣孔產(chǎn)生的傾向，因此實(shí)際焊接時(shí)相對(duì)濕度不應(yīng)達(dá)到100%及其附近范圍，結(jié)合文獻(xiàn)及實(shí)際生產(chǎn)情況，為降低氣孔形成率，建議實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在滿足相對(duì)濕度y≤2．559 3e-0．055x的基礎(chǔ)上，還要滿足相對(duì)濕度在80%以下。

以某生產(chǎn)車間為例，溫濕度記錄儀顯示見圖7，根據(jù)溫濕度記錄儀記錄的數(shù)據(jù)和通過(guò)函數(shù)y=2．559 3e-0．055x計(jì)算繪制的9—12月車間溫度、相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度為15 g/m3時(shí)的相對(duì)濕度曲線見圖8。可以看出，9月溫度分布在27～37 ℃，絕對(duì)濕度大于15 g/m3的天數(shù)為27 d；10月溫度分布在28～38 ℃，絕對(duì)濕度大于15 g/m3的天數(shù)為15 d；11月溫度分布在20～32 ℃，絕對(duì)濕度大于15 g/m3的天數(shù)為8 d；12月溫度分布在16～25 ℃，絕對(duì)濕度大于15 g/m3的天數(shù)為0。整體來(lái)說(shuō)，9月、10月的溫度相對(duì)11月的溫度要高，12月溫度最低；相對(duì)濕度沒有表現(xiàn)出特別的規(guī)律性；但9月、10月、11月和12月的絕對(duì)濕度大于15 g/m3的天數(shù)逐漸減少，所以氣孔的形成幾率逐漸降低。9—12月該車間焊接的6005A-T6中厚板鋁合金型材焊縫拍片數(shù)量、含氣孔片數(shù)量及氣孔缺陷不合格率曲線見圖9，可見，X射線拍片中含氣孔缺陷不合格率逐漸減小。

圖6 絕對(duì)濕度為15 g/m3時(shí)各溫度條件下的相對(duì)濕度

圖7 某車間溫濕度記錄儀

圖8 某車間溫度、相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度15 g/m3時(shí)的相對(duì)濕度曲線

圖9 9—12月X射線檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 規(guī)范焊接工藝

6005A-T6中厚板鋁合金焊接時(shí)選用直流脈沖MIG焊，焊接時(shí)在射流過(guò)渡的電弧形式中調(diào)試出3%～5%的短路過(guò)渡以形成亞射流的熔滴過(guò)渡形式，調(diào)制合適的弧長(zhǎng)修正、焊槍與工件的距離，減少熔滴飛濺，防止電弧漂移，從而形成良好的陰極霧化、氣體保護(hù)效果，降低熔滴吸氫幾率，最終減小在焊縫中產(chǎn)生氣孔的幾率，獲得質(zhì)量達(dá)標(biāo)的優(yōu)質(zhì)焊縫。

焊接時(shí)若選用的電流值比焊接工藝規(guī)程（WPS）中的參數(shù)低時(shí)，導(dǎo)致電弧弧柱能量不充足，熔滴在弧柱中過(guò)渡時(shí)不能得到足夠的能量形成較大的沖擊力，從而不能完全擊碎型材坡口及其附近范圍內(nèi)的氧化層，在電弧及熔滴作用下氧化層吸附的水分、污物發(fā)生分解產(chǎn)生氫，氫元素在高溫下迅速熱擴(kuò)散到熔滴中，且電流小時(shí)過(guò)渡熔滴尺寸小、比表面積大，在從弧柱過(guò)渡到熔池的過(guò)程中更易吸氫，電流小時(shí)焊接能量低、熔池存在時(shí)間也短，不利于氣泡的上浮溢出，因此電流小時(shí)對(duì)減少焊接氣孔不利。電流值比焊接工藝規(guī)程（WPS）中的參數(shù)大時(shí)，焊縫中的合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，焊接能量高熱影響區(qū)軟化嚴(yán)重，焊接變形嚴(yán)重，嚴(yán)重降低焊接接頭的綜合性能，因此焊接電流也不易選擇過(guò)大。

過(guò)慢的焊接速率可使熔池在高溫時(shí)停留過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，使氫擴(kuò)散到熔池金屬中的時(shí)間延長(zhǎng)，但是較長(zhǎng)的熔池存在時(shí)間增加了氫氣泡上浮逸出的機(jī)會(huì)，有助于降低焊縫中的氣孔產(chǎn)生幾率；相反，如果選擇較快的焊接速度，雖然有助于減少吸氫時(shí)間，但降低了氣泡上浮逸出的機(jī)會(huì)，增加了焊縫中形成氣孔的傾向；因此，應(yīng)根據(jù)型材的形狀結(jié)構(gòu)、焊前預(yù)熱溫度、焊接電流、電壓等綜合因素考慮調(diào)制出適中的焊接速率。

保護(hù)氣體流量過(guò)小時(shí)會(huì)出現(xiàn)保護(hù)不足，流量過(guò)大時(shí)又會(huì)出現(xiàn)紊流將周邊空氣卷入電弧中，因此保護(hù)氣體流量過(guò)小或過(guò)大都會(huì)增加氫氣孔的形成。6005A-T6中厚板鋁合金焊接時(shí)選用能增加電弧能量的Ar70%+He30%混合保護(hù)氣體，φ1．2 mm的焊絲選用18～22 L/min的流量。使用自動(dòng)焊開始焊接前要將較長(zhǎng)氣管中混入的空氣排除干凈，并控制保護(hù)氣體的含水量≤3 ppm（水分含量/體積分?jǐn)?shù)）。在試制生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)控氣體流量和氣體含水量實(shí)現(xiàn)了良好的氣體保護(hù)效果。

焊接工藝規(guī)程（WPS）中其他參數(shù)相同的情況下，焊絲干伸長(zhǎng)對(duì)焊接氣孔的形成也會(huì)產(chǎn)生一定影響。焊絲干伸長(zhǎng)過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)影響保護(hù)氣體的穩(wěn)定性，小于10 mm時(shí)會(huì)導(dǎo)致保護(hù)氣體出現(xiàn)紊流，使弧柱中混入空氣而提高焊縫中形成氣孔的幾率；焊絲干伸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致弧柱縮短從而不能形成良好的氣體保護(hù)，也會(huì)提高形成氣孔的幾率。因此，制定焊接工藝規(guī)程（WPS）時(shí)要規(guī)定合理的焊絲干伸長(zhǎng)量，試驗(yàn)生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)焊絲干伸長(zhǎng)應(yīng)控制在12～15 mm。

焊槍角度通過(guò)影響氣體保護(hù)效果進(jìn)而影響焊接氣孔的產(chǎn)生傾向，焊槍傾斜角度太大或太小都會(huì)影響保護(hù)氣體的穩(wěn)定性，太大保護(hù)不充分，太小容易產(chǎn)生穩(wěn)流造成空氣混入保護(hù)氣體中。通過(guò)試制發(fā)現(xiàn)使用MIG焊焊接6005A-T6鋁合金時(shí)，將焊槍與垂直方向控制在10°～15°的角度，其他參數(shù)相同時(shí)可降低焊縫的氣孔形成傾向。

3.3 規(guī)范焊前表面處理行為

將型材使用酒精和無(wú)塵布進(jìn)行清洗，擦除型材焊縫坡口及兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的油污、臟物及灰塵；型材坡口帶墊板時(shí)，需將墊板清理干凈；然后使用不銹鋼碗刷和不銹鋼絲刷對(duì)焊縫坡口及兩邊50 mm范圍內(nèi)區(qū)域進(jìn)行打磨去除表面氧化膜，以打磨處呈白亮色為標(biāo)準(zhǔn)，包括對(duì)引弧板和收弧板進(jìn)行清理打磨。打磨去除型材坡口及其附近30～50 mm氧化層后進(jìn)行焊前預(yù)熱，進(jìn)一步去除表面水分，每天開始焊接前需先焊接試件，經(jīng)PT檢測(cè)合格后再焊接工件。每焊完一道焊縫，需使用新的、無(wú)油污的不銹鋼絲刷或不銹鋼碗刷打磨焊縫表面及未焊接區(qū)域，保證層間清潔，沒有黑灰和斷掉的鋼絲及臟物，然后使用含水量達(dá)標(biāo)的壓縮空氣或氮?dú)膺M(jìn)行吹掃。試驗(yàn)生產(chǎn)表明，規(guī)范的焊前表面處理行為是降低焊縫產(chǎn)生氫氣孔幾率的重要措施。

4 結(jié)論

（1）鋁合金焊接時(shí)氣孔的形成經(jīng)歷了氫溶于焊接熔池、氫氣泡形核、氫氣泡長(zhǎng)大、氫氣泡上浮4個(gè)階段，試驗(yàn)焊接時(shí)焊縫中主要形成了鏈狀氣孔、皮下氣孔、密集性氣孔3種類型氣孔。

（2）從氫的來(lái)源角度分析，影響鋁合金產(chǎn)生焊接氣孔的因素主要包括母材及焊絲表面未清理干凈的氧化層、油污、水分，保護(hù)氣體的含水量，環(huán)境溫濕度等。

（3）通過(guò)控制環(huán)境溫濕度、調(diào)控合理的焊接工藝參數(shù)、選用18～22 L/min的氣體流量、焊絲干伸長(zhǎng)控制在12～15 mm、焊槍角度與垂直方向呈10°～15°、規(guī)范焊前表面處理行為等措施可有效減少焊接氣孔的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。