简析GTAW焊接铝合金焊缝气孔的控制

摘  要：随着科技的发展，铝合金在生活中的作用越来越重要。由于理化性能优异、耐蚀能力强，铝合金已经广泛应用于各工业焊接结构上，例如飞机、轻形汽车、大小化工容器等都采用了铝合金材料。钨极气体保护焊（GTAW）是一种很好的焊接方法，可以焊接大多数金属材料，尤其是有色金属，很好地发挥其优点。GTAW焊接铝合金，焊缝中的气孔不好控制，而焊缝中含有一定量的气孔，对焊缝的力学性能、塑韧性会有一定影响，这就限制了铝合金的应用。现简单介绍GTAW焊接铝合金如何控制焊缝中气孔，从而扩大铝合金在焊接结构上的应用。

关键词：钨极气体保护焊（GTAW）;氢气孔;氧化膜;焊接电流;多层多道焊

1    铝合金焊接技术难点

铝合金分为变形铝合金与铸造铝合金，常用于焊接的铝合金为变形铝合金[1]。铝合金材料活性高，在表面极易生成三氧化二铝氧化物，氧化物中也含有氢化物，设氧化物中的氢含量为Y氢，焊接时氢易形成氢气孔;同时氧化物熔点远高于铝合金熔点，焊接时铝合金熔化而氧化物未熔化，焊缝凝固过程中氧化物易形成焊接夹渣[2];铝合金高温融熔状态与低温状态几乎无色差变化，焊接时焊缝不易观察[2];鋁合金散热系数大，导热率高，焊接时加热熔化速度慢，需要大功率热源，热源密度大[2]，不利于母材及填充金属熔化，易形成未焊透;高温散热快，焊接时融熔焊缝短时间内快速凝固，气孔没有及时逸出，易形成焊接气孔;高温强度低，在全焊透焊缝中，背面必须加衬垫，否则焊缝背面不成型;铝合金低沸点合金元素焊接时容易烧损，进而影响焊缝性能。鉴于以上焊接特点，铝合金金属焊接十分不易;铝合金对氢特别敏感，想要很好地控制铝合金焊缝中气孔含量，更是难上加难。常用的铝合金焊接方法有气焊、焊条电弧焊、钨极气体保护焊（GTAW）、熔化极气体保护焊（MIG）、等离子弧焊、激光焊等，根据适用场合不一样，选用的焊接方法会有不同[1]。本文主要介绍钨极气体保护焊（GTAW）对铝合金的焊接及焊接气孔的控制。

2    试验过程

焊接产品为高压散热器部件，装配在高压电基站上。产品为一个长160 mm、宽127.7 mm、厚10 mm的焊接件，由三部分组成，两端为铝合金型材，中间为20片0.5 mm厚薄铝板组合压制而成。型材材料牌号为6063，薄铝板材料牌号为1050，铝合金焊缝要求符合ISO 10042 C级要求。

铝合金GTAW焊接工艺如下：

（1）焊接人员：熟练焊工。

（2）焊机品牌：焊接机器使用松下GTAW水冷焊机，焊接时焊接电源选择交流电源，氩弧焊枪使用陶瓷喷嘴，喷嘴外直径18 mm，电极为直径2.4 mm铈钨极。

（3）焊接材料：焊丝材料牌号4043，直径2.4 mm，长度1 000 mm;保护气体使用纯氩，氩气纯度99.995%。

（4）工艺措施：焊前无特殊处理，母材开V形60°坡口，母材间隙留3～5 mm，V型坡口下垫紫铜垫，焊接电流150～200 A，焊接速度40～60 mm/min，钨电极与工件（母材）距离控制在3～5 mm。

（5）制作仿形夹具，对三部分按照要求分别定位好。

铝合金焊缝中气孔为焊缝凝固过程中氢未及时逸出残留在焊缝中产生的。设氢在液态铝合金焊缝中的含量为S液，在焊缝凝固过程中从焊缝中逸出的氢量为S逸，残留在焊缝中的氢量为S残（即焊缝中气孔含量）。理论上S残=S液-S逸，控制焊缝中的气孔，需减小S残值，就是减小S液，增大S逸。

液态中溶解的氢主要来源有这几方面：母材表面含氢化合物Y氢，空气中的含氢化合物K氢，焊工穿戴手套沾有油脂，设其中含氢化合物为H氢，焊缝背面衬垫上含氢化合物C氢。

S液=Y氢+K氢+H氢+C氢

通过以下措施来降低氢在液态铝合金焊缝中的含量S液：（1）焊接前，对母材表面进行严格的化学清洗，清理铝合金表面生成的高温氧膜，减少含氢化合物，进而减少Y氢，母材表面化学清洗后，用防油纸进行包裹，防止焊接前母材表面被二次氧化;（2）控制焊接房内温湿度，通过空调来降低焊接房内空气湿度，使空气湿度不大于50%，控制焊接房内温度在25～30 ℃范围内，通过此措施来降低空气中的含氢化合物K氢;（3）给焊工佩戴干净的白色手套，若发现手套沾有脏污、油脂等，立即更换新手套后才能进行焊接作业，通过此措施来降低H氢;（4）焊接前检查衬垫表面，若衬垫表面有油污等含氢化合物，立即更换干净衬垫，通过此措施来降低C氢。

焊前经过上述措施，再进行产品焊接试验，焊接完成后对焊缝进行X射线检测与焊缝横截面金相检测，可以发现焊缝中气孔明显减少，虽然仍不能满足ISO 10042 C级要求，但是对焊缝气孔控制起了积极作用与方向指导作用。

减少溶解在液态铝合金焊缝中的氢后，焊缝中还有许多气孔，想要达到ISO 10042 C级要求，需增大氢的逸出S逸。影响氢逸出S逸的主要因素有焊缝高温停留时间T停、氢逸出路程S路。假设氢逸出焊缝的速度V逸在焊缝凝固前恒定。

S路=V逸×T停

V逸不变，当T停增加，S路增加;V逸不变，当S路减小，T停减小。

根据上述理论公式可知，通过以下措施可以增加氢的逸出S逸：（1）焊前对母材进行预热处理，将母材加热到120 ℃，保温30 min，预热完成后立即进行焊接，防止长久放置母材表面被氧化形成氧化膜，预热用来降低铝合金的散热速度，增加焊缝高温停留时间T停，氢有足够的时间逸出焊缝，焊缝中气孔就会减少;（2）进行多层多道焊接，每道焊缝的厚度减少，氢逸出的路程S路就会减少，氢能在短时间内快速逸出焊缝，减少气孔。通过上述措施，再次进行焊接产品试验，并对焊缝进行X射线检测与焊缝截面金相检测，焊缝中的气孔明显减少，只在焊道之间有少量气孔存在。

经过上述控制措施后，虽然焊缝中气孔已经明显减少，但仍不符合ISO 10042 C级的要求。通过观察可以知道，残留少量气孔存在于焊道之间，说明氢在下一道焊缝焊接前还未及时逸出，通过增加焊接电流，降低焊接速度，来增加焊接热源，进而延长焊缝高温停留时间T停，将焊接电流控制在250～300 A范围内，焊接速度控制在30～50 mm/min，同时焊枪陶瓷喷嘴使用带重筛滤网的喷嘴，喷嘴直径增加到30 mm，减少保护气体中的水进入焊缝，从而进一步减少氢来源;焊接过程中，焊枪上下轻微摆动，对融熔焊缝进行轻微搅拌，有利于加快氢的逸出;焊丝在送进过程中，也进行轻微摆动，促进融熔焊缝的震动，有利于加快氢的逸出。通过以上措施，再次进行焊接产品试验，焊接试验完成后对焊缝进行X射线检测。从射线检测照片上可以看出，焊缝中基本看不到气孔，但有个黑色夹钨，影响焊缝质量。

查阅焊接手册得知，直径2.4 mm钨棒不能承受太大的电流，采用250 A以上的电流进行焊接时，容易烧损钨棒，烧损的钨棒掉入焊缝形成了焊缝夹钨。因此增大焊接钨棒直径，改用直径3.2 mm的钨棒。通过上述措施，再次进行焊接产品试验，焊接试验完成后对焊缝进行100% X射线检测与焊缝横截面金相检测。根据上述检测，焊缝中已经没有可见气孔。再次焊接产品，焊好的产品送到TUV进行X射线检测，TUV给出检测报告，焊缝符合ISO 10042 C级的要求。

3    结论

（1）上述焊接试验过程与结果证实了铝合金焊缝中的气孔主要是氢气孔，控制铝合金焊缝气孔，就是控制铝合金焊缝中氢含量。

（2）铝合金焊接焊缝中氢的主要来源是母材表面氧化膜含的氢化合物Y氢，空气中的含氢化合物K氢，焊工穿戴手套沾有油脂中的含氢化合物H氢，焊缝背面衬垫上含的氢化合物C氢。控制好上述四处氢的来源，可以很大程度上减少氢气孔产生。

（3）通过增加焊缝高温停留时间与缩短氢逸出路程，可以有效减少焊缝中气孔含量。

[参考文献]

[1] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：機械工业出版社，2002.

[2] 周万盛.焊接手册（第2卷）[M].3版.北京：机械工业出版社，2008.

收稿日期：2020-06-10

作者简介：万学（1989—），男，江西南昌人，焊接工程师，研究方向：焊接工艺。