探析金屬材料焊接成型中主要缺陷及控制策略

陳禹臻 ， 唐 茂 ， 郭子楊 ， 曾 健 ， 吳柏強

（1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610100；2.成都海逸機電有限公司，四川 成都 610000）

隨著我國機械制造技術的快速發展，金屬材料在機械加工領域的應用越來越廣泛。金屬材料焊接成型是機械加工的關鍵環節，是影響機械產品質量的重要工藝因素。實踐證明，金屬材料焊接成型受諸多因素影響，因此在具體的操作環節需要嚴格按照相關工藝要求，根據容易發生的缺陷問題及時采取相應的防范控制措施，以此提升金屬材料焊接成型的效果和質量[1]。

1 金屬材料焊接成型概述

焊接顧名思義就是通過加熱或者加壓的方式，使用或者不使用填充材料使工件達到結合的一種方法。金屬材料焊接成型則是通過加熱等方法，使兩塊金屬表面之間形成原子間的結合與擴散作用，從而使分離的金屬材料牢固連接在一起的工藝方法。根據焊接工藝等因素劃分，金屬材料焊接成型工藝主要分為：1）熔化焊。熔化焊是最常用的焊接工藝，其主要是將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法。例如氣焊、其他保護焊以及電弧焊等都屬于熔化焊范疇。2）壓力焊。壓力焊則是在焊接過程中，由焊接操作者對焊件進行施壓完成焊接作業。施加壓力的方法比較多，例如加熱、加壓都屬于常用的方法。3）釬焊。釬焊是近些年常用的一種焊接工藝，其主要是采取比母材金屬熔點更低的金屬材料作為釬料，然后焊接人員將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于母材金屬熔點的溫度，然后利用已經成為液態的釬料潤濕母材金屬，將其填充到接頭間隙并且與母材相互擴散實現連接焊件的方法[2]。

大量實踐表明，金屬材料焊接成型工藝具有較高的應用價值：一是此種工藝能夠節省焊接材料，而且焊接質量相對比較高，能夠很好地達到焊接要求；二是焊接操作工藝流程相對簡單，能夠實現以小拼大的目的；三是使用范疇相對比較廣泛，能夠快速便捷地生成異種金屬復合結構；四是焊接件重量相對較輕，便于焊接操作[3]。當然金屬材料焊接成型工藝也存在一些缺陷，例如當焊縫中磷的質量分數超過0.04%時，就會產生裂縫，因此需要對金屬材料進行控制。

2 金屬材料焊接成型中存在的主要缺陷

金屬材料焊接成型在機械制造生產中發揮著重要作用，隨著我國焊接技術的不斷發展，尤其是機器人技術在焊接工藝中的應用使得焊接作業質量不斷提升。但是通過深入調查不難看出，在金屬材料焊接成型作業中仍然存在一些缺陷問題，具體表現為以下幾個方面。

2.1 焊接裂縫

焊接裂縫是焊接作業中常見的缺陷，在焊接作業中焊接應力超過焊接材料的斷裂應力時，焊接件就會發生裂縫。例如縱向裂縫、橫向裂紋以及內部裂紋等都是常見的焊接裂縫現象。焊接裂縫會給金屬制品的后期使用帶來巨大的威脅，例如在汽車焊接作業中如果出現焊接裂縫則會給安全行駛帶來巨大隱患。根據焊接裂縫產生的原理，金屬材料焊接裂縫主要分為熱裂紋和冷裂紋兩種形態。1）熱裂縫。主要是在焊接作業中，金屬在熔融態開始結晶時到完全轉化為金屬固態結晶過程中，由于受其他因素（金屬材料的雜質較多或者焊接作業環境濕度較高）的影響而產生的裂縫[4]。一般熱裂縫會直觀地反映在金屬制品的表面，肉眼可以直觀地觀察到。2）冷裂縫。在焊接加熱時，焊縫金屬區的溫度在液相線以上，當完成焊接作業后，由于焊接人員操作不當或者未能合理處理焊接加壓工藝（焊接區域出現淬硬組織），就容易導致焊接件在冷卻過程中出現相應的裂縫。一般冷裂縫會在焊接作業完成后的幾個小時或者幾天內發生，具有相對的延遲性。

2.2 焊接縫折斷

焊接縫折斷是嚴重影響焊接質量的因素，其主要是由于在焊接中出現各種問題而導致焊接接頭根部并未完全熔化透，致使金屬焊接部位存在焊接質量問題。導致金屬材料焊接縫折斷的原因主要有以下幾個方面：1）焊接區表面有氧化膜或者銹皮。焊接屬于金屬材料原子間的重新組合，如果焊接區表面存在銹皮或者氧化膜就會導致不同金屬原子出現組合障礙，從而出現焊接縫焊接不緊密的問題[5]。2）熱輸入不足，導致焊接熔化溫度不夠。焊接作業最基本的條件就是要保障焊接溫度達到金屬材料熔化點的溫度，如果焊接熱輸入不足就會導致焊接縫區域的金屬材料不能轉化為液態，這樣會出現不融合的問題。例如，當未融合的母材金屬加熱溫度過高會成為過熱粗晶，這樣它的塑性和韌性就會變差，從而導致裂縫斷裂。3）焊接池太大。焊接池就是在焊接加熱時，母材金屬和填充金屬熔化后共同形成的液態區域。如果焊接池太大的話就會導致焊接件的塑性變得比較差，從而出現裂縫斷裂。當然接頭設計不合理也是容易造成焊接件不融合的重要因素。

2.3 焊接氣孔

氣孔是金屬材料焊接成型加工中的最普遍的問題。據調查，金屬材料焊接氣孔缺陷一般發生在焊接區內部、表面以及焊接接頭部位。如果焊接件出現氣孔缺陷，會嚴重影響焊接件的整體質量，為后續的機械加工帶來巨大安全隱患。本研究結合相關研究資料，認為焊接件氣孔形成的主要原因有以下幾個：1）保護氣體覆蓋不足。在焊接過程中需要排除空氣，避免在焊接中卷入空氣，如果在焊接中卷入空氣就容易導致焊接區域出現氣孔[6]。2）焊絲污染。焊絲污染是造成氣孔的重要因素，也是在焊接作業中經常會出現的問題。其原因就在于焊接作業人員缺乏安全意識，沒有做好焊絲的清潔保護工作。當然工件的污染也是造成氣孔發生的重要因素，例如工件表面存在油污、灰塵等，就會產生污染區域不能熔化的故障，從而導致氣孔缺陷發生。3）噴嘴與工件距離太大，導致在焊接作業時出現氣孔。

2.4 夾渣和焊瘤

夾渣就是在焊接過程中存在熔渣導致的，一旦出現夾渣缺陷就會影響到金屬焊接件的整體質量。導致夾渣的原因比較多，但是在實踐作業中主要是由于作業人員沒有嚴格控制行走速度結果導致氧化模型夾雜物。當然焊接件的坡口切割不規范也是造成夾渣的重要因素。例如在焊接件焊接口切割時，如果切口存在大量的毛細組織，就會導致切口處存在一定數量的金屬氧化皮，在焊接加熱過程中，金屬氧化皮就會受到高溫影響而熔化，最終形成夾渣[7]。

焊瘤缺陷是焊接成型操作完畢后，在焊接縫周圍出現的明顯的金屬瘤。金屬瘤的產生主要是由于焊接過程中產生的溶液金屬在下墜過程中受到其他因素干擾。例如在焊接作業中，焊接電流輸入的壓力較大或者焊接電弧放射行程過大就會使焊接點溶液過多導致下墜壓力較大，從而產生焊瘤。

3 控制金屬材料焊接成型缺陷的具體策略

基于金屬材料焊接成型中所存在的缺陷問題，需要采取以下控制策略。

3.1 裂縫缺陷的控制策略

裂縫是金屬材料焊接成型的主要缺陷，對于焊接裂縫缺陷的控制主要采取以下措施：1）對于熱裂縫主要從焊接工藝入手。要規范焊接操作流程，要求焊接人員嚴格按照焊接操作順序實施。規范焊接參數，優化調整焊接工序及焊接電流設置[8]。2）對冷裂縫則需要從焊條等方面入手，例如為了避免發生冷裂縫缺陷，焊接人員要選擇低氫型焊條，這樣可以防止在焊接作業時出現大量氫氣匯集的現象，從而降低焊接件出現冷裂縫的概率[9]。同時焊接人員還要樹立安全意識，嚴格按照焊接作業流程等規范要求做好焊條的保管工作，防止焊條產生受潮現象，如果焊條受潮的話則不能使用。

3.2 焊縫折斷缺陷控制策略

焊縫折斷發生的原因比較多，但是結合常見焊縫折斷缺陷原因，應采取以下措施：1）要做好焊接件的清潔作業。由于焊接件區域部分存在油污等會導致融合性差的問題，從而導致焊縫折斷。因此在焊接作業前，焊接作業人員需要對焊接縫周圍進行清潔，保障周圍雜物清除干凈。當在焊接過程中發現油污存在，則要在起弧后，適當地放慢焊接速度，多燒一會，等金屬漆層燒損后再進行金屬焊接，這樣可以有效避免不融合的現象。2）適當提高送弧速度以解決熱輸入不足產生的危害。如果在焊接過程中發現熱輸入不足現象，焊接人員要適當提高送弧的速度，這樣可以有效解決因熱輸入不足而造成的焊接不牢固的缺陷問題[10]。3）減少電弧擺動以減少焊接熔池。在焊接過程中由于熔池過大容易造成焊接未熔合的現象，焊接人員要做好熔池的設計，通過減少電弧擺動的方式適當增加在靠近坡口面熔池邊緣的停留時間。4）要優化接頭設計。為了降低裂縫折斷的概率，需要優化坡口角度，保障坡口角度足夠大，這樣可以縮短焊絲伸出長度，從而使焊絲更加直接加熱熔池底部。

3.3 焊接氣孔缺陷控制策略

對于氣孔缺陷的控制策略主要是針對金屬焊接成型中的發生原理實施。1）要增加保護氣流量，及時排除影響焊接的空氣。如果在焊接中空氣含量過高就會導致焊接縫中存在大量的氣體，從而產生氣孔。因此焊接人員要適當增加保護氣流量，避免在焊接中卷入過量的空氣。2）要加強對焊接件的清潔作業。焊接件出現污染會嚴重影響焊接質量，所以在焊接實施前需要對相關焊接件進行清潔[11]。一方面，要對焊絲進行清潔，將送絲機構的污染區清理干凈；另一方面，要對焊接件表面進行清潔，尤其是要將表面的銹皮、塵土等清除干凈。當然為了最大程度地控制金屬焊接氣孔的產生，在電弧焊時要選擇含脫氧劑的焊絲。3）優化焊槍角度，將電弧力推動金屬流動。

3.4 夾渣和焊瘤問題的控制策略

夾渣和焊瘤是影響焊接質量的重要因素，對于夾渣和焊瘤的主要控制措施如下[12-13]：1）做好焊接件的清潔作業，避免雜物融入焊接作業中。由于焊接件表面污染或者切口存在氧化鐵皮等會導致夾渣出現，因此在焊接作業時需要做好各項清潔作業，保障焊接件表面干凈。2）做好切口工藝。在焊接件切口操作時必須保障切口的整潔，防止切口操作不規范。3）適當降低送絲速度和電弧電壓，避免焊瘤發生。焊瘤出現的很大因素是熱輸入較大而導致金屬材料熔化液態下墜壓力較大，因此焊接作業人員要降低送絲的速度，提高焊接的速度，以免因瞬間熱輸入較大而造成焊瘤。

4 結束語

總之，隨著機械智能制造技術的不斷發展，雖然現如今金屬材料的焊接成型工藝不斷發展成熟，但是依舊不可避免地會存在一定缺陷，這些缺陷也會對金屬焊接效果及質量形成負面影響。因此，人們需要對金屬材料焊接成型過程中出現的缺陷進行分析，同時結合現實情況去正確修正，優選焊接材料，把控好焊接速度與電流，設定標準化參數，避免一切不規范操作帶來的焊接缺陷，確保金屬材料焊接成型的質量。