铝合金焊接接头中气孔产生的机理与控制措施

刘子建

摘 要：本文对铝合金焊接接头产生气孔的原因和形成机理进行分析，探讨了形成气孔影响因素，给出了铝合金焊缝气孔的控制措施：选择合适的焊接工艺参数、有效的气路保护和焊前清洗等。

关键词：氢气孔；形成机理；加强保护

中图分类号：TG115 文献标识码：A

0.引言

相对于大多数金属，铝及铝合金具有较小的密度、较高的比强度等优良特性，并且地球上铝矿资源丰富，在各种工程结构中具有广泛的应用，正逐步成为钢结构替代物的理想材料。但铝合金焊接接头在进行焊接时，焊缝金属结晶过程容易产生气孔，残存在焊缝中的这些气孔使接头的实际受力面积大为减少，从而使承受能力极大地下降，还可能诱发脆性断裂，这给铝合金的实际应用带来一定的不利因素，因而应研究如何控制气孔产生。

1.气孔的形成机理

铝合金在焊接时，焊接接头产生的气孔种类主要是氢气孔。氢气孔产生的原因是焊接时，焊接材料和焊接接头处母材在高温下熔化形成熔池，由这些熔化金属形成的熔池温度极高，氢的溶解度随温度急剧升高，从而熔池内会溶入大量的氢，当电弧离去时，熔池温度迅速下降，这时氢的溶解度随温度下降急剧减小，就会有大量的氢溢出，但由于铝结晶速度较块，并且铝合金密度小，形成的气泡在熔池中受到的浮力较小，上浮速度慢，熔池结晶结束后，还会有许多气泡来不及浮出，滞留在焊缝中形成气孔。

1.1氢的溶解

焊接熔池里氢主要来自于：母材和工件中固溶的氢；金属表面上的铁锈、油污、吸附水等物质在高温条件下分解产生的氢；电弧保护气氛中的氢和水分；空气的水分等等。焊接时，在高温作用下，氢分解成单原子氢，单原子氢在高温下溶解度非常大，从而是大量的氢原子溶入到熔池当中。

1.2气泡的形成

高温下溶解在熔池内的氢，当熔池温度降低时，会经过气泡形核、长大、上浮3个阶段形成气泡。形成气泡需要满足3个基本条件：熔池内存在过饱和气；气泡核的存在；液态单元体积有一定的保持时间（孕育期）。 焊接时焊接熔池中金属被过热，过热铝合金金属形成的熔池，对氢的吸收量远大于氢在铝合金中的溶解度，当熔池金属温度下降时，由于溶解度下降使得导致整个熔池形成过饱和气。在纯金属形成的熔池中，因为没有气泡核产生的附着点。很难形成气泡，但当熔池中有现成表面时，如悬浮的高熔点杂质和熔池底部固液结合处，在其表面气泡就容易形核。气泡形核后，在内、外压力的共同作用下就会长大，形成气泡。

1.3形成气孔

气泡形成之后，在气泡内、外压强差的共同作用下继续长大。长大到一定尺寸后，与吸附表面分离，开始上浮、溢出。但这个过程需要一定时间，能否浮出熔池表面，取决于熔池的结晶速度和气泡上浮速度这两个因素。 在结晶初始阶段，很难形成气孔，因为晶粒长大速度远大于氢的扩散速度，氢气来不及聚集形成气泡。在结晶后期，一方面，金属温度下降，溶解度降低形成过饱和气，另一方面，结晶速度变缓，氢气聚集形成气泡倾向增大，熔池结晶时，并且在结晶前沿的凹坑中，熔池内的难溶杂质上，吸附表面相对较大，气泡产生的可能性变大。气泡能不能形成气孔，取决于气泡上浮速度与熔池结晶速度的大小关系。焊接时，在熔合线处的现成表面上较易形成生成气泡。随后，周围的扩散氢就会向气泡中聚集，使气泡逐渐长大，所受的浮力就会随之增加，在浮力作用下气泡上浮，如果气泡在这个期间没有来得及浮出， 就会滞留在焊缝中形成气孔。从上可以看出是否形成气孔，主要取决于气泡浮出速度和焊缝金属的结晶速度大小关系： 气泡浮出速度小于焊缝结晶速度。

2.气孔形成的影响因素

2.1 焊缝液体金属的凝固速度

焊缝金属的凝固速度越大，结晶时间越短，气泡就越不易浮出表面，也就越容易形成气孔。某一特定材料的凝固速度主要与焊接工艺条件和焊接环境有关。铝合金因具有良好的热传导性，相对于其他材料铝合金材料形成的熔池导热更快，结晶速度更大，留给气体溢出的时间较短，所以不利于气体的溢出，当焊缝金属结晶结束时，就会有部分气体滞留在焊缝形成气孔。

2.2液态金属的粘度

若液体金属粘度较大时，一方面，受粘滞力的影响，气泡的长大过程会减缓，另一方面，在熔池金属的凝固阶段，高粘度熔池金属会使气泡上浮受粘滞力的影响，上浮阻力加大，上浮速度减缓，增大气孔倾向。

2.3气泡内气体密度

当气泡内气体密度远远小于熔池金属的密度时，气泡受到的浮力相对较大，就容易浮出。如果二者密度差别不大，上浮的浮力就小，鋁合金的密度相对金属较小，气泡受到的浮力也就比其他种类金属小，气泡上浮速度就慢，而铝合金由于导热快，结晶迅速，因而不利于气泡浮出表面，产生气孔的倾向增大。

2.4气泡尺寸

气泡体积越大，由阿基米德定律知物理在同一液体中所受液体的浮力越大，气泡上浮的动力就大，浮出熔池表面所需的时间较短。当气泡内气压小于气泡外压强时气泡就难以长大，受到的浮力较小，产生气孔的倾向增大，而当气泡内压强较大时，气泡尺寸增大，浮力增大，半径增大到足以完全浮出时，就不会产生气孔。由于铝合金导热快，结晶时间短，气泡的尺寸大多较小，浮出的动力较小，因而容易产生气孔。此外，熔池金属的运动对气孔的形成有一定的影响，熔池的运动一方面使气体溶入熔池，另一方面有利于气泡的上浮。

3.气孔的控制措施

根据氢气孔产生的原因，对于铝合金焊接接头内的气孔，可以采取以下措施来减少气孔的产生。

3.1减少氢的来源

严格控制焊接材料中的氢含量，焊接材料在用前要严格进行烘干处理。对焊丝和母材的表面的油污、铁锈等杂质进行彻底清理，表面清理一般采用化学法、机械法，或者两者并用。化学清洗就是去除油污和氧化膜。清洗后要及时施焊，最好在化学清洗后的 2～3 小时内用完。如果清洗后没能立即焊接时，再次使用前用刮刀削坡口端面进行简单清理。

3.2制定合理的焊接工艺

焊接工艺参数影响焊接热循环，焊件上的温度场，特别是熔池高温存在时间，进而影响气孔产生。正确的工艺参数应该是采用小线能量降低熔池存在时间，但不能太小要保证根部能完全熔合，以利熔池底部气泡上浮。所以可用大电流，高焊速来减小线能量，达到控制焊缝中气孔的产生效果。

结论

铝合金焊接接头中产生气孔的主要原因是氢气存在，氢气孔形成机理是在高温下氢在液态铝合金中的溶解度极大，冷却时急剧下降，形成气泡，若结晶速度过大，气泡来不及溢出，滞留在焊缝中形成气孔。可以采用合适的焊接工艺参数、有效的气路保护和焊前清洗等措施，来减少气孔的产生。

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