铝合金焊接焊缝气孔产生的原因分析及预防措施

陈 亮， 钟广军， 茅寅敏

(1.海军驻江南造船(集团)有限责任公司 军事代表室， 上海 201913； 2. 江南造船(集团)有限责任公司， 上海 201913；3.上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

铝合金焊接焊缝气孔产生的原因分析及预防措施

陈 亮1， 钟广军2， 茅寅敏3

(1.海军驻江南造船(集团)有限责任公司 军事代表室， 上海 201913； 2. 江南造船(集团)有限责任公司， 上海 201913；3.上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

铝及铝合金焊接时会产生各种缺陷，一类为工艺性缺陷，如未焊透、咬边等；另一类为冶金性缺陷，如焊接裂纹、焊缝气孔等；气孔是铝及铝合金焊缝内的常见缺陷。各种铝及铝合金牌号不同，焊接时产生气孔的敏感程度不同，但都具有焊接时产生气孔的敏感性。本文针对某产品铝合金系留轨道焊接中产生较多气孔的现象，从气孔产生的原因着手进行分析，从人、机、料、法、环等生产因素分别考虑并提出了相应的预防措施，以期发现问题、分析问题并最终解决问题。

铝合金 焊缝气孔 原因分析 预防措施

1 气孔的分类

按气孔在焊缝长度方向的分布特征，焊缝内的气孔可分为单个气孔、密集气孔、链状气孔。按其在焊缝截面内的分布特征，可分为弥散气孔、根部气孔、熔合区气孔。

分布的气孔，其危害程度不同，允许容限不同：

单个气孔是指呈单个状，任何两相邻气孔的间距不小于此两气孔直径平均值三倍(或四倍)的气孔。

密集气孔是指呈聚集状，数量众多，任何两相邻气孔的间距小于此两气孔直径平均值三倍(或四倍)的小气孔群。

链状气孔是指大体上分布在一条近似的直线上，数量不小于三个，线上任何两相邻气孔的间距均小于此两气孔直径平均值三倍(或四倍)的气孔。

2 气孔产生的原因分析

从气孔中直接抽取气体分析的结果证实，气孔内的气体主要为氢。

铝合金在焊接时的氢源很多，如零件及焊丝表层的含水氧化膜及油污、汗迹等类碳氢化合物；工业大气及惰性气体内所含的杂质和水分；附着在焊丝输送系统内的水分；母材及焊丝自身所含的气体(氢)等。

焊接时，氢进入焊接熔池。氢在液态金属熔池内的熔解度大，但冷凝时氢在低温液态金属及固态金属内的溶解度小。当熔池凝固时，氢的溶解度突然减小，遂通过气泡成核、长大、上浮三个步骤而逸出熔池表面或残留于凝固的焊缝金属内，视焊缝的冷却速度和氢气泡的上浮速度而定。如焊接速度和焊缝的冷却速度较低，熔池存在时间较长，氢气泡即可能得以上浮并逸出熔池表面，否则氢气泡将滞留在焊缝内部，形成焊缝气孔[1～3]。

图1 大气压下氢在铝-镁合金中的溶解度

在焊缝截面内弥散分布的气孔和接近焊缝表面的单个气孔，在扫描电镜下放大观察其断口时，可见气孔壁呈树枝状结晶的枝晶端头紧密排列的球状形貌，气孔壁表面光滑、洁净、无氧化痕迹，可以认为此类气孔是来自氢源的氢在焊接熔池内溶解、冷却时析出上浮但未及逸出熔池表面的产物(见图1)。为预防此类气孔，必需严格控制氢源并减慢焊接时的熔池冷却速度。

图2 扫描电镜上拍摄的微观气孔照片

图3 宏观气孔照片

链状气孔一般大体上沿焊缝中心线分布，恰与对接间隙位置相吻合，有时就位于焊缝根部，在扫描电镜下观察其断口，可见气孔壁上有一层极薄的薄膜，看不到树枝状枝晶端头的形貌。此类气孔多与氧化膜夹杂物伴生，气孔壁与氧化膜夹杂物具有相同的形态，有时两者联生在一起，如图2、图3所示。焊接试验证明，此类气孔与铝材对接间隙处表面残存的潮湿、含水氧化膜、碳氢化合物污染有关。为预防此类气孔，必须在焊前彻底清理坡口对接表面，或将对接接头制成反面V型坡口(亦称“倒V型”坡口)，使此类链状氧化膜气孔移至垫板槽内或焊缝有效厚度以外，以便不影响焊接强度。

熔合区气孔位于熔合线焊缝一侧，多呈孔洞形态，在扫描电镜下观察断口，其气孔壁形貌与弥散气孔壁形貌相似，亦属氢气孔性质。此类氢多来自母材。焊接时，固态母材与液态熔池瞬间共存，由于存在溶解度差异，固态母材所含的氢向熔池扩散和溶解，熔池快速结晶时，氢未及析出，即形成熔合区气孔。为预防此类气孔，需控制母材自身的含氢量，高质量铝材自身含氢量应为每100 g铝材内含氢不超过0.4 mL。

3 气孔预防措施

焊缝气孔是铝及铝合金焊接时常见的、多发性的缺陷，预防气孔是一个复杂的难题。根据一些研究成果及生产实际经验，根据制造技术条件对气孔容限的宽严程度及具体生产条件，可从以下几个方面考虑气孔的预防措施。

3.1 生产准备

铝材、焊丝、零件、惰性气体、工业大气、送丝机构、焊接操作人员的手套及手迹等都可以提供氢源，主要的氢源是水分、含水氧化膜、油污等。

铝材及焊丝自身的含氢量宜控制为每100 g金属内含氢不超过0.4 mL。普通铝焊丝表面有油封及自然生长的氧化膜，焊接时易引起焊缝气孔。使用前需对其进行表面机械清理或化学清洗，即除油、碱腐蚀、酸中和、冷热水反复冲洗、风干或烘干，但是在化学清洗后的存放待用时间内，铝焊丝表面又将自然生长新的氧化膜，经放大观察，其表面疏松、不致密，甚至有较多孔洞，易吸收水分，经实测，其表面含氢量较高，存放待用时间越长，表面氧化膜的厚度及水化程度越大，即使在8～24 h内用于焊接，此种焊丝表面状态亦难以保证焊接时不致引发焊缝气孔。现在国内外已生产出一种表面抛光的铝及铝合金焊丝。在焊丝制造厂内，铝焊丝经拉伸、定径并经化学清洗后，再用化学方法或电化学方法抛光其表面，从而制成表面光洁、光滑、光亮的焊丝成品，虽然其表面仍留有抛光过程中生成的薄层氧化膜，但其厚度仅为几个微米，且不再生长变化，焊丝表面组织致密，不易吸潮，经抛光后若干小时、1年、2年测试，其表面含氢量低且较稳定。还有一种同心刮削的机械抛光方法，也可以制成表面更为光洁、光滑、光亮的铝焊丝成品。抛光焊丝使用前无需再进行化学清洗，可直接用于焊接生产，开封存放待用时间允许延长，在真空或惰性气体保护下封装在干燥洁净环境条件下的储存有效期可以年计。对抛光焊丝的焊接工艺性能试验鉴定及生产使用实践结果表明，抛光焊丝的工艺特性及其生成焊缝气孔、氧化膜夹杂物的敏感性与经化学清洗的同型号焊丝无异，使用效果甚至更好[1～3]。

零件表面应经机械清理或化学清洗，以去除油污及含水氧化膜。零件清理或清洗后，用干燥、洁净、不起毛的织物或聚乙烯薄膜胶带将坡口及其邻近区域覆盖好，防止其随后沾污。必要时临焊前再用洁净的刮刀刮削坡口及焊丝表面，继而用焊枪向坡口吹氩，吹除坡口内刮屑，然后施焊。零件表面清洗后，存放待焊时间不能超过4～24 h，否则需再行清洗。

普通焊丝表面制备过程与零件相同。抛光焊丝可不经任何清理而直接用于焊接，焊丝拆封后存放待用时间可放宽限制，但不要长期拆封存放，拆封但未用完的焊丝可再封存于干燥环境内。

惰性气体(保护气体)的纯度一般应大于99.8%，其内含氮量应小于0.04%，含氧量应小于0.03%，含水量应小于0.07%。当含氮量超标时，焊缝表面上会产生淡黄色或草绿色的化合物——氮化镁及气孔。当含氧量超标时，在熔池表面上可发现密集的黑点、电弧不稳、飞溅较大。含水量超标时，熔池将沸腾，焊缝内生成气孔。

惰性气体管路应采用不锈钢管或铜管，从管路末端至焊枪之间应采用硬质聚四氟乙烯管或聚三氟氯乙烯塑料管，由于其吸水性强，不宜采用橡胶和乙烯树脂管路。要确保惰性气体管路(包括管接头)不渗露，否则无内压时夹带潮气的工业大气将渗入管路内。由于焊枪结构内尚需接冷却水管，应确保其管接头不会漏水。当现场环境内湿度大时，可用经加热的氩气通吹气体管路，以去除管壁上可能附着的水分。也可采用试板进行电弧焊接试验，根据焊道的外观和阴极雾化区的宽窄来定性检查惰性气体的纯度、露点和保护效果，同时也藉以清除焊枪和气体管路中的冷凝水。

焊丝输送机构内不能有油或油污，送丝套管也应采用聚四氟乙烯管，同时应注意清除套管壁上可能附着的冷凝水。

铝及铝合金焊接生产厂房内环境温度不宜超过25℃，相对湿度不宜超过50%。如果难以控制整体环境，可考虑在大厂房内为焊件创造能开空调或去湿的局部小环境。焊接工作地应远离切割、钣金、加工等工作地，焊接工作地禁放杂物，应保持现场整齐清洁。

从事装配及焊接的工人身上的油污及手迹、汗迹含有碳氢化合物，也是氢源。接触、加工、焊接铝件时，必须穿戴白色工作衣、帽及手套，选择白色穿戴的目的即在于发现和清除脏污。

3.2 结构设计

设计时应考虑避免采用横焊、仰焊及可达性不好的接头，以免焊接时易于发生突然断弧，以致断弧处滋生气孔。焊接接头应便于实施自动焊，以代替引弧、熄弧、接头频繁的手工焊。凡可实施反面坡口的部位可设计成反面V型坡口。

3.3 焊前预热、减缓散热

焊前预热、减缓散热有利于减缓熔池冷却速度，延长熔池存在时间，便于氢气泡逸出，免除或减少焊缝气孔，是适用于铝及铝合金结构定位焊、焊接、补焊时预防焊缝气孔的有效措施。预热方法最好是在夹具内设置电阻加热或远红外局部加热。对于退火状态的铝合金，预热温度可选用100～150℃，对于固溶时效强化的铝合金，预热温度一般不超过100℃。减缓散热的方法为选用热导率小的材料制造胎夹具(如钢)及焊缝垫板(不锈钢或钛及钛合金)。

3.4 优选焊接方法

钨极交流氩弧焊和钨极直流正极性短弧氦弧焊时，电弧过程稳定，环境大气混入弧柱及熔池的几率较小，因而焊缝对气孔的敏感性较低。极性及参数非对称调节的变极性钨极方波交流氩弧焊和等离子弧焊立焊时，阴极雾化充分，焊接过程中可排除气孔和夹杂物，对焊缝气孔的敏感性亦较低，甚至可获得无缺陷焊缝。

与钨极氩弧焊相比，熔化极氩弧焊存在溶滴过渡过程，过程稳定性较差，环境大气难免混入弧柱区，熔池溶氢较多，焊接速度及熔池冷却速度较大，因而生成气孔的敏感性较强，宜选用亚射流过渡及粗丝焊接。

3.5 优选焊接参数

减低电弧电压、增大焊接电流、降低焊接速度，有利于减小焊接熔池溶解的含氢量，延长液态熔池存在时间，减缓熔池冷却速度，便于氢气泡逸出，减少焊缝气孔。

3.6 焊接操作技艺

始焊及定位焊接时，零件温度低、散热快，熔池冷却速度大，易产生焊缝气孔，宜采用引弧板。定位焊起弧后稍滞留，然后填丝焊接，以免该部位产生未焊透及气孔。

单面焊时，背面焊根处易产生根部气孔。最好实行反面坡口双面焊，正面焊后，反面清根，去除根部气孔及氧化膜夹杂物，然后施行背面封底焊。

多层焊时，宜采用薄层焊道，每层熔池熔化金属体积较小，便于气泡逸出。

补焊时，必须先检测原有缺陷的准确位置，确保缺陷完全排除，最好随即安排一次工艺性X射线透视，验证缺陷排除程度。补焊时，焊件温度低，补焊焊缝短，起弧熄弧间距小，补焊操作不便，熔池冷却速度大，极易产生气孔，因此补焊难度较大，必要时可施行局部预热。

焊接及补焊过程中对气孔的预防在很大程度上取决于焊工的操作技艺。焊工应善于观察焊接熔池状态转化过程和气泡产生及逸出情况，切忌盲目追求高焊接速度，应善于通过操作手法，作前后适当搅动，以利气泡逸出。

自动焊时，可采用适当的机械或物理方法搅拌熔池，如超声搅拌、电磁搅拌、脉冲换气(氩、氦)、脉冲送丝等[4、5]。

4 铝合金钨极氩弧焊的气孔预防措施

铝合金钨极氩弧焊产生气孔的原因主要包括：焊件或焊丝焊前表面清理不彻底；供气系统不干燥或漏气漏水；焊件或焊丝清理后的待焊时间过长或发生新的沾污；厚大焊件缺预热；焊接速度过高；多层焊层间表面清理不彻底；焊接时气体保护不良；母材或焊丝材质内含氢量过高等。

控制焊缝气孔，可主要从两方面着手：一是尽量减少氢在焊接过程中溶入熔池，另一方面是采取合适的工艺措施，使已经进入熔池中的氢得以逸出。

在尽量减少氢的来源方面，主要是做好焊前清理工作，零件及焊丝需经过表面清理，并在4～8 h内进行焊接，如清理后存放时间过长，则需重新清理；临焊时，需利用刮刀将焊件连接面上的氧化膜及脏物仔细刮去，然后用直径0.15 mm不锈钢丝刷将连接面刷净，直到露出金属光泽为止。采用纯度不低于99.99%的氩气作为TIG焊的保护气体。

在上述措施基础上，还可以结合实际情况采取下列工艺技术措施[4、5]：

(1) 改连续送丝为断续(脉冲)送丝。焊丝熔滴的表面积比熔池大；熔滴进入熔池前熔入的含氢量较熔池大，因此将连续送丝方式改为断续送丝方式可减少熔池熔入的含氢总量，同时，熔滴间断加入熔池提供了某种熔池搅拌的机会；熔滴间断加入熔池又提供了延长熔池存在时间的机会。因此，间断送丝有利于氢的逸出和焊缝气孔的减少。

(2) 合理选择焊接夹具。为了减少热传导，减小熔池的冷却速度，以利于减少气孔，应尽可能减小夹具结构夹持器与焊件的接触面积，因此，气动的琴键式压板夹具较为理想，其单位面积压力大，容易夹紧，同时接触面小，焊件散热少，熔池冷却速度小。

(3) 焊缝垫板预热。焊前，垫板上应事先铣出沿焊缝纵向的圆弧形槽。虽然薄壁结构不宜实施预热，但焊缝体积小，可预热焊缝垫板，使其温度达到50～60℃，以减小熔池冷却速度。此外，为避免焊缝与垫板槽间的空气受热膨胀，可沿垫板凹槽中心线钻若干Ф1.5 mm的排气孔。

(4) 当焊件厚度大(超过10 mm)、尺寸大时，可考虑实施焊前预热。预热温度视具体情况而定，预热区域一般局限于邻近焊缝的母材区。有时为了减小焊接应力和变形，及预防焊缝生成气孔而对焊接区预热，例如在夹具上安置电加热装置并对邻近焊缝区域的母材实施预热。

(5) 通过焊接工艺试验进行优选，合理选择焊接参数。

(6) 手工钨极氩弧焊时，铝焊丝标准长度为1 m，因此经常需要熄弧换丝，熄弧处易形成弧坑，且易过热，弧坑内易生成气孔或裂纹。因此熄弧时必须精心操作，决不可突然断弧。一般有两种熄弧操作方法，一种方法可称为空拉熄弧法，另一种方法可称为堆高熄弧法。

(7) 采用双枪交流TIG自动焊可有效减少气孔的产生。焊接机头上装两只氩弧焊枪，其中之一为主枪，另一为副枪，副枪装在主枪前方。副枪电弧超前于主枪电弧，对工件进行逐点均匀预热，阴极清理及净化工件坡口，因此焊缝外形美观、焊透性好、气孔少、焊接变形小。在气动的琴键式夹具上装配焊接，可以获得单面焊双面成形的优质焊缝。

(8) 采用钨极脉冲交流氩弧焊可有效减少气孔的产生。随着脉冲电流频率的提高，电弧压力随之增大，高频电弧的穿透力强，有利于深熔。高频电弧的振荡作用有利于晶粒细化，消除焊缝气孔，获得优质焊缝。

(9) 为了增大钨极交流氩弧焊的熔透能力，可实施氩氦混合气体保护，即采用钨极氩氦混合气体保护电弧焊，也可在一定程度上缓解气孔的生成。

5 铝合金熔化极氩弧焊的气孔预防措施

铝合金熔化极氩弧焊产生气孔的原因主要包括：工件清理质量低(表面有氧化膜、油污、水分)、焊丝清理质量低(表面有氧化膜、油污、水分)、保护气体保护效果不好、电弧电压太高、喷嘴与工件距离太大等。

若电池组内部单体电池的电压出现异常，则可能直接导致整车的高压断电，踩加速踏板车辆就不会有反应，同时整车警告灯、低压及高压电池警告灯会点亮。对单体电压的检测，涉及到其单独充放电测试，需要一定的检测设备，一般维修厂可能尚不具备检测能力。

控制焊缝气孔，也主要应从两方面着手：一是尽量减少氢在焊接过程中溶入熔池，另一方面是采取合适的工艺措施，使已经进入熔池中的氢得以逸出。

在尽量减少氢的来源方面，主要是做好焊前清理工作(要求同TIG焊)，采用纯度不低于99.99%的氩气作为MIG焊的保护气体。MIG焊时生成焊缝气孔的敏感性较TIG焊大，因此MIG焊前零件及焊丝表面清理的质量对焊接过程及焊接质量(主要是焊缝气孔)影响很大，其清理工作尤其重要。

在上述措施基础上，还可以结合实际情况采取下列工艺技术措施：

(1) 合理选择焊接夹具；

(2) 焊缝垫板预热；

(3) 当焊件厚度大(超过10 mm)、尺寸大时，可考虑实施焊前预热；

(4) 通过焊接工艺试验进行优选，合理选择焊接参数。

MIG焊时，焊丝直径与焊接电流及其范围有一定的关系。细丝可采用的焊接电流较小，电流范围也较窄，焊接时主要采用短路过渡方式，主要用于焊接薄件。但细丝比表面积大，随细丝进入熔池的污染物较多，出气孔的几率比粗丝大。粗丝允许采用较大电流，电流范围也比较大，适用于焊接中厚板。

MIG焊时，焊接电流主要取决于零件厚度。当所有其他焊接参数保持恒定时，增大焊接电流，可增大熔深和熔宽，增大焊道尺寸，提高焊丝熔化速度及其熔敷率。MIG焊时应尽量选取较大的焊接电流，但以不致烧穿工件为度，根据零件厚度并配合焊接电流，选取适中的电弧电压、焊接速度及保护气体流量，这样既能提高生产效率，也有助于抑制焊缝气孔。

多道焊时，减小每个焊道所需的热输入，增大道次间隔时间，防止金属过热，每个道次的熔池体积较小，也有利于氢气泡在熔池凝固前得以逸出，减少气孔的产生。单面多道焊时，打底焊前应细心刮削坡口表面，每焊完一条焊缝，必须清理焊道表面。熔敷焊道宁可宽而浅，以便气孔逐层逸出，可采用焊枪摆动方式，控制焊道成形及气孔逸出。

(5) 采用熔化极脉冲氩弧焊可便利地以粗焊丝取代细焊丝，较粗的焊丝较有利于减少气孔类焊接缺陷。脉冲MIG焊能控制热输入及焊缝成形，有利于预防对热敏感的铝合金焊接时发生过热、晶界熔化、液化裂纹、焊缝气孔等类缺陷。

(6) 在焊接大厚度铝合金零件时，可采用熔化极大电流氩弧焊，采用较粗焊丝，并改善其保护条件，采用双层喷嘴，实行双层气流保护。大电流MIG焊所要求的坡口加工量及焊丝消耗量比普通MIG焊明显减少，由于以粗丝取代细丝，也有利于减少焊缝气孔。

(7) 采用熔化极双丝氩弧焊(双丝MIG焊枪，见图4)熔敷速度和焊接速度高，可减小热输入，可延长熔池中气体逸出时间，有利于减少焊缝气孔。

图4 双丝MIG焊枪

6 结语

总而言之，预防铝及铝合金焊缝气孔是一个复杂的难题，实际生产中常需结合生产条件，采取综合防治技术措施。

[1] 李标峰.船用铝合金焊接及其船体建造工艺[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2] 顾曾迪.有色金属焊接(第二版)[M].北京：机械工业出版社，1997.

[3] 中国机械工程学会焊接学会编著.铝、镁及其合金的焊接焊接手册(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4] 王震微.气体保护焊工艺和设备[M].北京：国防工业出版社，1982.

[5] 殷树言.气体保护焊工艺[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1989.

Analysis of Causes & Precautionary Measure for Gas Hole in Aluminum Alloy Welding Seams

CHENG Liang1， ZHONG Guang-jun2, MAO Yin-min3

(1.Military Representatives Office at Jiangnan Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China;2. Jiangnan Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China;3. Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

All kinds of imperfection will be caused when aluminum alloy is welded ,which includes technology faultiness, such as no penetration and undercut, and includes metallurgical faultiness, such as welding crack and gas hole and so on. Gas hole is common imperfection in aluminum alloy welding seam. Because of different brands of aluminum alloy, sensitive degree is different when gas hole is caused in welding seam. In connection with the frequent phenomenon of gas hole caused in aluminium alloy welding seam of track material, this article carries on analysis of causes and puts forward precautionary measure on man, machine, material, method and environment, and hopes to find problem, analyze problem and solve problem.

Aluminum alloy Gas hole Analysis of causes Precautionary measure

陈 亮(1976-)，男，工程师。

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