CO2气体保护焊焊接气孔产生的原因与应对方案

孙冰妍，于功志

(大连海洋大学，辽宁 大连 116023)

CO2气体保护焊是以CO2气体隔绝空气，保护熔池的一种先进焊接方法[1]，目前在船舶的修理和建造中应用十分广泛。在IACS NO.20《船体焊接检查指南》和ISO5817《钢、镍、钛及其合金熔焊接头(不包括电子束焊接)缺陷的质量等级》中，对气孔缺陷的允许值均有明确规定。气孔类缺陷对焊缝的性能造成了不良影响，对焊缝气孔的检测是焊缝质量评价的重要组成部分[2]，因此船体结构验收时，检验人员与验船师不允许肉眼可见的气孔存在。在施焊过程中，对发现的气孔必须逐个进行修理补焊。焊接气孔的形态多样、成因各不相同，本文认真分析船体结构焊接常见气孔的成因，并采用有效措施消除焊接气孔。

1 常见焊接气孔的种类

1) 分散气孔。分散气孔是出现在焊缝表面单个的零星的气孔，孔径一般在2 mm以下，气孔与气孔之间距离较远，这种气孔最为常见。分散气孔实物图如图1所示。

2)链状气孔。链状气孔也叫条虫状气孔，出现在焊缝表面中心，连成珠状，气孔间距小且较均匀，气孔有时还伴有气体压痕，这种气孔的修复难度较大，直接补焊方式不可取，缺陷往往会在冲砂阶段暴露出来。链状气孔实物图如图2所示。

图1 分散气孔实物图

图2 链状气孔实物图

3)蜂巢状气孔。蜂巢状气孔呈密集状，严重的焊缝出现局部空穴。这种气孔非常严重，不但影响焊缝的油、水密性，更严重的是降低了船体结构焊缝的强度。蜂巢状气孔实物图如图3所示。

图3 蜂巢状气孔实物图

4)组合式气孔。组合式气孔就是在同一条焊缝上出现了分散气孔、链状气孔或蜂巢状气孔的组合缺陷。

2 焊接气孔形成的原因分析

焊接气孔形成主要是由于在焊接过程中熔池吸收了多量多余气体，而在随后的铁水凝固过程中，多余的气体来不及从熔池中析出从而形成的空洞。本文对产生焊缝气孔的多余气体来自于何处，梳理出以下9种原因逐一进行详细的分析。

1)构件上残余锈或氧化物。船体结构中有大量的T型结构是双面填角焊接头形式，如T型材制作及与结构的安装、各种肋板、舱壁、扶强材与结构安装等。由于T型接头立向构件端头有铁锈或切割氧化物的残留，极易在焊接中受热后发生化学反应而产生多余气体，进入熔池导致出现气孔。尤其是双面角平焊，在焊接第一面时气孔较少，当焊接第二面焊缝时，气孔出现的几率就很大。

究其根源，由于结构组件之间有间隙，第一面焊接产生的气体会从间隙中扩散出去。在焊接第二面时，由于第一面焊缝已经将有限的间隙封闭住了，此时，产生的有害气体无处发散，集中从第二面焊缝中析出，造成第二面焊接的焊缝有大量分散状气孔出现。

2)车间底漆的质量及漆膜厚度不符合规范。船体结构在钢材预处理时均需喷涂一层车间底漆，这种漆的成分是无机锌，合格的车间底漆是经过船级社认可的并且是免清除可焊接的，然而对车间底漆的认可多国船级社的规范各有差异。法国船级社(BV)和德国劳氏船级社(GL)采用T型接头形式认可车间底漆，用手工焊、气体保护焊、自动焊等多种工艺方法和不同牌号的焊材做T型接头焊接试验，填角焊接后检查断面气孔的数量，以此判断是否在可接受规范之内。GL和BV认可的规范严格，经这些船级社认可的车间底漆的国内生产厂家并不多。车间底漆受热后析出了有害气体会进入到熔化的铁水中(熔池)，造成气孔出现的几率很大，因此厂家推荐车间底漆喷涂膜厚是20 μm。但是现场实际情况是钢材在预处理后常常出现膜厚达到50 μm或更厚些的情况。

3)CO2气体中存在的水分超标。CO2气体输送管道基本上都采用了水压试验的方法交验，因此管道中会残存水分。CO2气体在焊接现场出口处水分质量分数不能超出50 mg/kg。如果超出这个数值将会产生链状气孔。这就解释了为什么现场工人采用打磨焊接部位的车间底漆、调整焊接参数等措施，仍解决不了链状气孔的问题，因为是CO2气体中水分的质量分数超标造成的。

4)药芯焊丝中水分的质量分数超标。目前船体结构焊接采用的药芯焊丝均是采用中国船级社认可的3YH10级，一般情况下焊丝不会由于水分的质量分数超标而产生压痕与气孔。但在生产实际过程中也会遇到某些批次的焊丝在填角焊缝表面出现气体压痕，有时也伴随气孔，该气体压痕是由于焊丝中药粉含有较多水分，另外焊接时电弧电压过高也会产生气体压痕。如何储存保管焊丝，保障药芯焊丝干燥，防止受潮也是一个必须面对的问题。

5)不同类型的药芯焊丝对抗气孔能力有显著区别。CO2气体保护焊多数采用钛型药芯焊丝，这种焊丝抗气孔能力远远低于国外的金属型药芯焊丝，在焊速超过30 cm/min以上时表现更明显。

6)焊接作业时气体保护不良。没有装流量计的管线供气充足，气体压力大，CO2气体流量远超过规定值，过大流量的CO2气体会影响电弧稳定性，也会卷入大量空气而产生气孔。气管泄漏会造成CO2流量过小，很多工位的CO2气管由于受到机械损伤而漏气严重，而气管很少定期检查，漏气也是产生气孔原因之一。

7)工件表面存在污染物。工件表面的油污、水分、油漆、粉尘或药渣残留物等均会因为焊接时输入热量而产生有害气体，导致焊缝出现气孔。

8)设备工具影响因素。焊枪中不安放气流筛会使气体保护效果变差；喷嘴被飞溅物堵塞影响气体保护效果。

9)焊工操作因素。CO2气体喷嘴与焊接工件间距过大造成空气大量卷入；焊接时摆幅过宽造成熔池保护不良；在外场施工没有防风措施破坏了气体保护。

3 控制焊接气孔产生的应对方案

3.1 设备设施层面

1)CO2气体供气管线在使用前必须吹除管线试水时残存的水分。新建CO2气体供气管线时，建议采用气压试验的方法进行密性验收。

2)选择质量稳定，并且扩散氢含量低的药芯焊丝。

3)在平角焊位置应采用金属型药芯焊丝。

4)加强对CO2流量的控制，管线供气输出端加装气体流量计。

5)预处理设备定期检查，喷涂的膜厚不超过20 μm。

6)当CO2气体的压力表显示低于1 MPa时应停止使用。

3.2 工艺技术层面

1)船体结构焊前预热要求。船体结构焊接要求最高预热温度为250 ℃、最高道间温度为250 ℃。对于要求预热的部位，道间温度不得低于预热温度。预热区域温度应均匀，且无残留水分。

(1)当环境温度低于-15 ℃ 或相对湿度超过 90%， 必须采取有效措施否则禁止施焊。

(2)当环境温度低于5 ℃或待焊区有残留水分或受潮， 采用氧乙炔火焰烘烤待焊区，确保其干燥方可施焊(烘烤温度参考相关预热温度)。

(3)使用焊条电弧焊或半自动CO2气体保护焊进行修补焊接，最低预热温度须提高25 ℃。

(4)预热范围为不小于焊缝周围100 mm范围内。

(5)不锈钢与不锈钢焊接不预热，其最高道间温度为100 ℃。

(6)不锈钢与船体结构焊接不需要预热，其最高道间温度为250 ℃。

2)焊接过程中控制要求。

(1)对接焊缝，应在焊缝两端设置引弧板和引出板。

(2)当风速超过2 m/s时，应采取挡风板进行保护。

(3)打底焊缝的长度不应超过2 m，打底焊缝完毕后立即焊接填充焊缝。

(4)焊接应使用直流电源，反接法。

(5)焊接采用多道薄层次焊接方法，焊工焊完每一道焊缝金属都要将熔渣、飞溅等清理干净。

(6)多层多道焊接时各个焊道接头应错开，间距25 mm以上。

(7)焊缝盖面层应采用退火焊道布置，并与基体间平顺连接。

(8)科学合理的焊接顺序可以减少焊接内应力的产生：先对接后角接，先立焊后平焊，先中间后两边。

(9)船体结构及管系部分涉及的不锈钢与碳钢或低碳钢的异种钢焊接，不可采用CO2气体保护焊。

3.3 现场施工层面

1)喷嘴经常清理，喷嘴内加装气流筛，经常检查送丝器，焊接时干伸长一般为20 mm左右，焊接时不采用大幅度摆动，焊道宽度不应超过20 mm。

2)T型接头的立向构件端头一定要打磨干净。

3)装配前打磨清除立向构件端头的锈及氧化物等污垢。焊接部位应驱除油、水、粉尘及杂物。

4)在进行操作时，如果焊接速度太快，对焊丝、焊枪的角度，以及摆动的方向不正确，均会出现气孔[3]。

5)焊工养成良好的工作习惯，遵守工艺纪律是防治气孔的基础。

3.4 其他事项

1)必须选用船级社认可的可焊接车间底漆，且膜厚不应超过制造商推荐的数值。

2)研究资料表明，钛型药芯焊丝抗气孔能力远远低于金属型药芯焊丝，应在平焊、平角焊部位推广使用金属型药芯焊丝。

3)缺陷清除。 目测外观检验发现的气孔缺陷，必须在无损检测前修补完毕。表面微小分散气孔缺陷采用砂轮打磨或直接补焊方法进行修补。对于焊缝内部较大的蜂窝状气孔缺陷应采用碳弧气刨清除，缺陷清除部位的长度、深度与宽度应由缺陷位置及尺寸确定，但其最小长度不得小于35 mm(高强钢不得小于50 mm)；两端及底部圆滑过渡，不得有尖角，直至确认缺陷全部清除后再进行补焊。

4 结束语

焊接质量的好坏直接影响着船体结构的强度、质量、安全和寿命[4]，控制焊接气孔的产生不仅能提高船舶的修理和建造焊接质量，减少返工返修率，还能提高生产效率，缩短施工周期。本文分析了焊接气孔的种类、产生的原因，从工艺技术、现场施工、设备设施这3个层面采取措施进行控制，对消除气孔缺陷提出了可操作性的建议，论证结果表明通过采取上述一系列有效方案完全可以消除气孔缺陷。