不同焊接位置鋁合金接頭的氣孔敏感性分析

張宗來　蘭玲　陸雷俊　桂赤斌

摘要：鋁合金的焊接特點之一是容易產(chǎn)生氣孔，大量氣孔的存在不僅會減少焊縫的有效截面強度，還可能因為氣孔形成失效源，嚴重時破壞焊接結(jié)構(gòu)，影響焊縫的使用性能。鋁合金焊縫產(chǎn)生氣孔的因素很多，試驗設(shè)計：固定焊接工藝參數(shù)，對不同焊接位置的試板進行焊接試驗，結(jié)合X射線無損檢測結(jié)果分析5083鋁合金MIG焊接頭氣孔敏感性與焊接位置的關(guān)系，總結(jié)焊縫中氣孔的分布規(guī)律。在相同焊接條件下橫焊位置焊接時對氣孔的敏感性最高，這是因為橫焊位置處的電弧不正對熔池，熔池受熱不均勻，且電弧對熔池的攪拌作用較弱造成的。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和控制焊接環(huán)境能有效改善焊接氣孔的敏感性，提高焊接質(zhì)量可靠性。

關(guān)鍵詞：鋁合金;MIG焊;氣孔

中圖分類號：TG457.1 文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0133-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.25

0 前言

由于鋁合金材料密度小、強度高、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性能強、耐低溫。具有良好的物理性能和力學(xué)性能，適用于某些船舶的建造[1-2]。

鋁合金在焊接過程中，易產(chǎn)生未熔合、夾渣（條）、氣孔等缺陷，最為常見的缺陷是焊縫氣孔[3]。焊接線能量、弧長、送絲速度、運條角度等焊接參數(shù)都會對氣孔的產(chǎn)生有不同程度的影響。此外，氫是鋁及鋁合金焊接時氣孔產(chǎn)生的主要因素，氫來源于大氣、保護氣、焊絲以及母材表面所吸附的水分、焊道表面污染等，其中焊絲及母材表面氧化膜吸附的水分對焊縫氣孔的產(chǎn)生有重要影響[4]。

鋁合金焊縫中存在的大量氣孔所形成的空洞組織會造成鋁合金焊縫有效截面降低，嚴重時，使截面強度顯著下降導(dǎo)致失效。另外，氣孔的分布形式為鏈狀成排存在或處于焊縫表面時，會形成裂紋源導(dǎo)致設(shè)計可靠性下降。所以氣孔控制一直是鋁合金焊接的重要關(guān)注點。

5083鋁合金廣泛應(yīng)用于船舶建造，其綜合性能良好[5]。在鋁合金船體維修焊接過程中，由于船體不能改變位置和翻轉(zhuǎn)，會形成現(xiàn)場平、立、橫、仰等焊接位置。本文主要針對不同的對接焊接位置，設(shè)計開展不同大氣濕度條件下的焊接工藝試驗方案，結(jié)合X射線檢測結(jié)果從焊接質(zhì)量復(fù)現(xiàn)和控制的角度進行鋁合金不同焊接位置氣孔敏感性試驗研究，并有針對性地提出優(yōu)化改善氣孔缺陷的工藝措施，達到控制現(xiàn)場焊接質(zhì)量的目標。

1 試驗方案及試驗材料

1.1 試驗方案

1.1.1 焊接試板準備

試板尺寸300 mm×150 mm，厚度6 mm。接頭形式為對接雙面連續(xù)焊，坡口角度70°～75°、根部間隙為0～0.5 mm、鈍邊為0～1 mm、氬氣純度99.999%。由于鋁及鋁合金從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時無明顯的顏色變化，加上其高溫強度低、塑性差[6]，焊接過程中隨著焊道溫度逐漸上升，接頭強度急劇下降軟化，容易出現(xiàn)燒穿或塌陷等缺陷。為避免此種情況發(fā)生，在焊縫背面加不銹鋼襯墊，用鋁合金馬板和鋁楔錚牢，使襯墊和接頭緊密貼合，如圖1所示。待正面焊接完成后，去除鋁合金馬板、鋁楔和不銹鋼襯墊，使用鋁合金鋸片或螺旋銼等工具進行背面清根，清根深度3～4 mm，寬度7～9 mm。

1.1.2 焊接方式

焊接方式選用熔化極氣體保護焊（MIG）。

1.1.3 焊接環(huán)境、位置及檢測方式

在溫度25 ℃，不同相對濕度（65%、70%、75%、80%、85%）環(huán)境下進行焊接，每個濕度為一組，每組都進行平、立、橫3個位置焊接，焊接完成后對接頭進行X射線無損檢測（X射線機型號為：XXG-1605A），通過對比檢測結(jié)果來考察不同接頭位置的焊縫氣孔的敏感性。

1.1.4 焊接參數(shù)

焊接電流105～125 A、電弧電壓18～21 V、焊接速度25～30 cm/min，氣體流量25 L/min。

1.2 試驗材料

試驗用母材為5083鋁合金板，其化學(xué)成分如表1所示。焊絲為ER5183 φ1.2 mm，其化學(xué)成分如表2所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 X射線無損檢測結(jié)果

5組（15張）焊接接頭X射線拍片結(jié)果如圖2～圖6所示。結(jié)果顯示，隨著相對濕度的增大，焊縫中氣孔數(shù)量逐漸增多。其中，平焊、立焊位置：在相對濕度為65%時，焊縫中沒有氣孔;相對濕度為70%、75%時，焊縫中分布著少量氣孔;相對濕度為80%、85%時，焊縫中的氣孔明顯增多，表現(xiàn)為分散氣孔和密集氣孔。橫焊位置：在濕度為65%、70%時，焊縫中分布著少量氣孔;相對濕度為75%、80%、85%時氣孔逐漸增多，特別是相對濕度為80%、85%時，橫焊焊縫中的氣孔增量最為明顯，主要表現(xiàn)為密集氣孔。

2.2 焊接氣孔產(chǎn)生原因分析

鋁合金焊接接頭氣孔是由焊接熔池中的氫所導(dǎo)致的。氫來源于幾個方面：（1）從焊接材料及母材自身情況分析。由于鋁合金極易氧化，在表面生成一層氧化膜，對于5×××系鋁鎂合金的母材和焊絲，這層氧化膜包括Al3O2、MgO等。其中，MgO越多，形成的氧化膜越不致密，吸水性越強，焊接時氧化膜中的水分容易侵入焊縫熔池中形成氣孔，這是焊縫中氣孔產(chǎn)生的主要原因之一。（2）環(huán)境及保護氣體中的水分也是氫的重要來源。焊縫中氣孔的數(shù)量與空氣中的含水量（絕對值）及保護氣體中的含水量（質(zhì)量分數(shù)）有直接關(guān)系。相同的焊接參數(shù)、焊接位置條件下，在環(huán)境及保護氣體中的含水量低時所獲得的焊縫氣孔量少于含水量高時。因此，嚴格控制焊接環(huán)境中的水分特別是焊絲和母材表面的水分是控制氣孔產(chǎn)生的重要手段。

控制氫的來源措施包括：清潔焊絲表面及焊縫左右各30～50 mm范圍內(nèi)的油污、水分;提高保護氣體純度，降低含水量;保持氣路干燥，避免空氣、粉塵等侵入氣路造成氣路污染;盡可能避免在濕度大的環(huán)境中焊接，必要時可使用氧-乙炔火焰或噴燈對焊件局部預(yù)熱以有效去除水分[7]。

除了通過控制氫的來源降低氣孔敏感性以外，加強焊縫中氫的析出也十分重要。在三種位置對接試驗中，在相同條件下，橫焊位置表現(xiàn)出較高的氣孔敏感性。由此可見，橫焊位置不利于氫的析出。

氫在熔池中形成的氣泡是從下至上運動的。在平焊、立焊位置，熔池正對電弧熱流（見圖7），受熱集中較均勻，且易受電弧攪拌作用，便于氣泡溢出。

而在橫焊位置，電弧不正對熔池，熔池受熱不均勻，且電弧對熔池的攪拌作用較弱，故氣泡不易溢出，容易形成氣孔。因此，解決橫焊對接的氣孔缺陷問題是提升鋁合金產(chǎn)品焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.3 焊接氣孔產(chǎn)生優(yōu)化控制

為進一步降低橫焊位置對氣孔的敏感性，采取以下優(yōu)化工藝措施：（1）環(huán)境濕度控制在75%及以下;（2）采用純度99.999%、含水量（質(zhì)量分數(shù)）小于0.08%的氬氣進行焊接;（3）采用傾斜45°斜圓圈或斜月牙等運條方式增強電弧對焊縫上口邊緣的加熱和攪拌作用，降低焊接速度以延長熔池液態(tài)存續(xù)時間，有利于熔池中氣孔的溢出;（4）增加焊槍引弧前的送氣時間，設(shè)置為3～5 s，熄弧滯后送氣時間設(shè)置為5 s左右，以確保焊接區(qū)域保護良好。

工藝優(yōu)化后進行焊接試驗，在相對濕度75%以上進行平焊、立焊、橫焊位置的對接焊時，焊接質(zhì)量有所提高，但還是不穩(wěn)定，橫焊位置仍然有較多的氣孔缺陷;在相對濕度為75%及以下進行平、立、橫位置的對接焊時，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，X射線照片如圖8～圖10所示。將優(yōu)化工藝運用到生產(chǎn)中，效果良好，說明相關(guān)優(yōu)化工藝措施和方法有效可行。

3 結(jié)論

（1）采用5183焊絲對鋁合金5083板在不同焊接位置進行了MIG焊對接試驗。結(jié)果表明，橫焊接頭表現(xiàn)出較高的氣孔敏感性。分析認為，橫焊位置的電弧不正對熔池，熔池受熱不均勻，且電弧對熔池的攪拌作用較弱。

（2）適當優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和控制焊接環(huán)境能夠改善焊接氣孔的敏感性，有效提高焊接質(zhì)量可靠性。

（3）重要部位的對接縫焊接：平焊、立焊位置焊接時相對濕度控制在75%以下為宜;橫焊對接縫焊接時，相對濕度控制在70%以下為宜。

參考文獻：

[1] 顧紀清. 鋁合金船體及上層建筑施工[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1983：2-10.

[2] 何建偉，王祝堂. 船舶艦艇用鋁及鋁合金（一）[J]. 輕合金加工技術(shù)，2015，43（8）：1-11.

[3] 李榮雪. 金屬材料焊接工藝[M]. 北京：機械出版社，2015：150.

[4] 李亞江. 焊接冶金學(xué)——材料焊接性[M]. 北京：機械出版社，2017：164-165.

[5] 何建偉，王祝堂. 船舶艦艇用鋁及鋁合金（二）[J]. 輕合金加工技術(shù)，2015，43（9）：1-12.

[6] 烏日根. 金屬材料焊接工藝[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019：137-138.

[7] 陳祝年. 焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014：1090-1091.