环境湿度对高速列车铝合金熔化极惰性气体保护焊接头影响分析

摘要：我国国土面积辽阔，气候环境多样，高速列车无论是在生产过程还是在运行过程中均要经受复杂气候变化的考验。在铝合金车体熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）焊接过程中，环境温度、湿度、风速等均对焊接接头的微观组织、常规力学性能以及疲劳性能等产生不可低估的影响。以往的试验研究发现，空气湿度对铝合金焊接过程中含氢量及气孔的形成有着重大影响。

关键词：铝合金焊接;空气湿度;含氢量;气孔

1. 研究背景及意义

铝合金对气孔有很大的敏感性[1]，而氢是铝及铝合金熔焊时产生气孔的主要原因[2]，铝合金焊接中很少量的氢污染都能引起严重的气孔，而沉淀在钢中相同的污染对钢焊缝的质量则无明显的影响。氢之所以能使焊缝形成气孔，与它在铝及铝合金中溶解度的变化特性有关。平衡条件下，氢在铝及铝合金中的溶解度在凝固点时可以从0.69 ml/100g突降到0.036 ml/100g，相差约20倍（在钢中只相差不到2倍），这是氢容易使焊缝产生气孔的重要原因之一[3]。况且，铝的导热性很强，不利于气泡的逸出，易于促使形成气孔[4]。铝合金焊缝中氢的来源，除了焊接工艺因素外，最重要的就是在电弧气氛中侵入了空气中的水分，因此研究空气中水分对铝合金焊接接头中的含氢量以及气孔率的影响有重要意义[5]。

2. 焊缝中气孔形成过程及影响因素

气孔在焊缝中的形成过程分为三个阶段，气泡形核、气泡长大、气泡上浮[6]。焊接熔池冷却结晶时，气泡上浮的速度小于熔池结晶的速度，气泡则被滞留在焊缝中，形成气孔。当湿度比较大时，焊接电弧產生很高的温度，促使空气中的水分分解出氢，氢在焊缝熔池中的溶解量与焊接时环境中水分电离出的氢浓度成正比。但当焊接熔池中的金属冷却凝固时，氢在焊缝金属中的溶解度将突然降低，随着焊缝金属中氢浓度的降低直到达到过饱和，这就为气孔形成提供了前提条件，同时焊接熔池中存在很多附着界面，如母材未熔化的固态晶粒、分布不均的溶质质点等，为氢气泡的非自发形核提供了必备条件。

如果附着在介质上的气泡半径比较小，表面张力构成对气泡的压力又比较大，则小气泡很难自行长大，滞留在焊缝中形成较小的气孔。在焊接过程中，气泡在熔池内随着液态金属的流动而游动，在氢的扩散和液态金属的对流作用下，游动的气泡不断和相邻的气泡合并长大，形成较大的气孔。

气泡能否形成气孔的关键是气泡的上浮速度，气泡上浮的速度与半径的平方成正比。即气泡的半径越大，气泡的上浮速度越快，越容易逸出，气泡的半径越小，气泡上浮的速度越慢，越容易残留在焊缝金属中，形成气孔。另外，液态金属密度的大小与气孔的形成也有着很大关系，密度越大粘度越小，越不容易形成气孔。

3. 环境湿度对铝合金焊接接头质量的影响及机理

薛小怀、邓正才等进行了6061铝合金气孔敏感性研究，结果表明环境温度和湿度显著影响铝合金焊接时的气孔敏感性。MIG焊时气孔敏感性对环境因素的影响比TIG焊显著[7]。

BY R.F.ASHTON， R.P.WESLEY 和C.R. DIXON等研究了气孔对5086-H116铝合金焊接接头性能的影响，研究表明焊缝中的气孔会引起接头抗拉强度、冲击韧度的降低，同时会使接头抗弯曲性能变差[8]。

日本气孔防止研究委员会研究了气孔对铝合金焊接接头性能的影响，得出结论：当气孔缺欠在JIS（1995）的4级（相当于GB/T 22087-2008 所规定的B级）以上时，气孔的影响不至于造成静强度的下降;当大气孔分布在焊缝中心时气孔的影响显著，可是抗拉强度降低16%;当去除焊缝加强高时，气孔对疲劳强度的影响比对静强度的影响更大[9]。

湿度对焊接接头的各项力学性能、裂纹倾向以及气孔生成等的影响均离不开湿度变化导致接头中含氢量不同的原因。

刘全印在《关于焊接材料扩散氢含量检测试验的讨论》一文中提到，钢焊缝中，氢大多以原子或离子状态存在，这些半径相对较小的原子或离子可以在晶格中进行扩散， 一般称之为扩散氢;另一部分氢扩散到晶格缺陷、显微裂纹和空隙处的氢会结合为分子状态，由于体积变大而不能扩散，称为残余氢。在焊接接头服役过程中，扩散氢会导致焊缝或热影响区产生冷裂纹，而残余氢主要存在于气孔中，气孔的存在会对接头的机械性能产生严重影响[10]。

余巍、张京海等人在温湿可调焊接实验室中进行了不同环境条件下的测氢焊接试验，研究了环境条件对熔敷金属中扩散氢含量的影响，在温度一定的条件下，环境相对湿度越高，则熔敷金属中扩散氢含量越大。熔敷金属中扩散氢含量随着空气中的水蒸汽分压，即绝对湿度的增加而明显增加[11]。

4. 分析与讨论

环境湿度对铝合金MIG焊的作用主要体现在，随环境湿度变化，焊缝中的气孔率变化，进而对接头裂纹、强度、服役性能等产生影响。目前国内外文献中关于焊接环境对接头组织性能影响的相关报告中绝大多数是针对钢焊缝，对相应铝合金环境湿度焊接敏感性的研究很少，而随着国民经济的发展，铝合金的应用领域及范围迅速扩大，对铝合金湿度环境焊接性能的影响研究日趋必要。

参考文献：

[1] Vell Smith. US. Efficient Welding Fabrication of Extruded. Aluminum Mat Panels[R]. Army Belvoir Research， Development and Engineering Center. September， 1991

[2] MALINA. Study of metallurgical phenomena in the HAZ of 6061 - T6 aluminum welded joints[J]. Welding Research Supplement， 1995，（12）： 305-318

[3] 周振丰.金属熔焊原理与工艺[M].北京：机械工业出版社，1981：144

[4] T. Luijendijk： Welding of dissimilar aluminum alloys. Journal of materials processing technology， 2000，（103）：29～35

[5] 李敬勇，章明明，赵勇等.铝合金MIG焊焊缝中气孔的控制[J].华东船舶工业学院学报（自然科学版），2004，18（5）：80

[6] 王明涛.LF2铝合金焊接气孔的控制.《Technology&Testing》[J]，2003年5期.

[7] 薛小怀，邓正才等.6061铝合金气孔敏感性研究[J].汽车焊接国际论坛，2003：312

[8]  BY R.F.ASHTON， R.P.WESLEY and C.R. DIXON. The Effect of Porosity on 5086-H116 Aluminum Alloy Welds[J]. WELDING RESEARCH

[9] 日本气孔防止研究委员会. 铝及其合金焊缝气孔的评价及其产生倾向-气孔对焊接接头性能的影响（M）. 轻金属熔接，1980

[10] 刘全印，畅宝钢. 关于焊接材料扩散氢含量检测试验的讨论[J].焊接技术，2011，40（4）：52

[11] 余巍，张京海等.环境条件对熔敷金属中扩散氢含量的影响[J].材料开发与应用，1999，14（4）：11

作者简介：张明月，女，（1987.06-），汉族，河北省遵化市人 ，博士研究生，讲师，材料成型及控制技术专业带头人，金属材料研发、焊接方法与工艺研究、职业教育专业建设。