分析低碳鋼焊接氣孔產(chǎn)生的機(jī)理及試驗(yàn)研究

摘 要：我國(guó)在完成全面建設(shè)小康社會(huì)之前，鋼鐵仍將是主要結(jié)構(gòu)材料，焊接技術(shù)也必然要跟隨鋼鐵的發(fā)展而同步提高。出現(xiàn)在焊縫中的氣孔是一種典型的焊接缺陷，氣孔的存在，不僅減小了焊縫的有效承載面積，而且會(huì)形成應(yīng)力集中，使得焊縫的強(qiáng)度韌性、疲勞強(qiáng)度下降，有時(shí)氣孔還會(huì)成為裂紋源，因此，氣孔的防止是焊接中一個(gè)十分重要的問題。

關(guān)鍵詞：焊接；低碳鋼；缺陷；氣孔；原因分析

1.低碳鋼性能分析

碳含量從0.10%至0.25%的碳素鋼為低碳鋼。低碳鋼含碳量較低，沒有淬硬傾向，鋼材本身又有良好的塑性，焊接性能較好，一般在焊接時(shí)不需要采取特殊的工藝措施，幾乎各種焊接方法都適用，并能保證焊接接頭的良好質(zhì)量，例如焊條電弧焊、埋弧焊、氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等。對(duì)焊接電源沒有特殊要求，交、直流弧焊電源均可。

2.低碳鋼焊接氣孔來源

低碳鋼焊接時(shí)焊縫中的氣孔是一種典型的焊接缺陷，因此，消除焊縫的氣孔是焊接工作者的責(zé)任。

（1）焊接區(qū)周圍的空氣融入熔池 如果焊接區(qū)沒有受到很好的保護(hù)，周圍空氣會(huì)侵入熔池?？諝庵械臍怏w的侵入是焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因，特別是氮?dú)饪?。低氫焊條引弧時(shí)產(chǎn)生氣孔就是因?yàn)樗幤ぶ性鞖馕镔|(zhì)CaCO3在引弧時(shí)沒能及時(shí)分解產(chǎn)生足夠的二氧化碳造成保護(hù)不良所致。

（2）焊接材料的吸潮 空氣中的水分很容易吸附在焊接材料上，特別是焊條和焊劑。焊接材料的吸潮是氫氣孔產(chǎn)生的重要原因之一。

（3）工件以及焊絲表面的氧化膜、鐵銹、油污等均可在焊接過程中向熔池中提供氫和氧。鐵銹是氧化物的水合物，而且可以提供水分，成為氫的來源。鐵銹比不含水的氧化鐵皮更容易形成氣孔。油污通常含有大量的碳?xì)浠衔?，因此也是氫的主要來源?/p>

3.通過實(shí)驗(yàn)分析低碳鋼焊接氣孔的產(chǎn)生機(jī)理

3.1焊條藥皮成分對(duì)氣孔的影響

（1）E4303：也稱J422碳鋼焊條，藥皮是鈦鈣型，藥皮中含有30%以上氧化鈦和20%以下鈣或鎂的碳酸鹽礦；E5015（J507）典型的堿性焊條。它是藥皮中含有多量堿性氧化物的焊條，由于焊條藥皮中含有較多的大理石、螢石等成分，它們?cè)诤附右苯鸱磻?yīng)中生成CO2和HF，因此降低了焊縫中的含氫量，所以堿性焊條又稱為低氫焊條。

（2）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用E4303和E5015進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流120A，ZX6-250 整流弧焊電源（有下降性特點(diǎn)，交換抽頭式，額定電流250A），直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，對(duì)比E4303和E5015不同焊縫氣孔情況。

（3）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用E4303和E5015進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，觀察焊縫中氣孔情況。

小結(jié)：通過試驗(yàn)可以知道，在同樣條件下焊接低碳鋼，E5015比E4303更容易產(chǎn)生氣孔。由此可見，焊條藥皮成分是影響低碳鋼焊接產(chǎn)生氣孔的一個(gè)因素。一般堿性焊條藥皮中均含有一定量的螢石（CaF2），焊接冶金反應(yīng)中生成CO2和HF，CO2在高溫時(shí)與氫形成OH和H2O，因此降低了焊縫中的氫含量，但CO2的氧化性較強(qiáng)，如還原不足，將產(chǎn)生CO氣孔。而酸性焊條藥皮中不含CaF2，控制氫主要依靠藥皮中有較強(qiáng)氧化物的組成物，以防止氫氣孔的產(chǎn)生。

3.2水分對(duì)氣孔的影響

（1）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用干燥的E4303和浸濕的E4303（500ml清水中浸泡1小時(shí)）進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，對(duì)比觀察焊縫中氣孔情況。

（2）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別使用干燥的E5015和潮濕的E5015進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，對(duì)比觀察焊縫中氣孔情況。

小結(jié)：通過試驗(yàn)可以得知，水分是導(dǎo)致氣孔出現(xiàn)的主要原因，水在冶金過程中分解成氫和氧，這兩種元素容易在焊縫中造成氣孔，有的氣孔會(huì)貫穿整個(gè)焊件，對(duì)焊縫危害很大，另外固態(tài)焊縫中多余的氫也會(huì)在焊縫中的微缺陷處集中形成氫分子，這種氫往往在微小空間內(nèi)形成局部的極大壓力，使焊縫變脆。

3.3鐵銹對(duì)氣孔的影響

（1）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別在焊條中加鐵銹（在E4303焊條藥皮上涂混合鐵銹的水玻璃）和不加鐵銹進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，對(duì)比觀察焊縫中氣孔情況。

（2）對(duì)清理干凈的油污、鐵銹、和水的12mm厚的低碳鋼板，分別在焊條中加鐵銹（在E5015焊條藥皮上涂混合鐵銹的水玻璃）和不加鐵銹進(jìn)行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接頭無坡口，焊接完成后進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，對(duì)比觀察焊縫中氣孔情況。

小結(jié)：通過試驗(yàn)可以知道，在其他條件相同的情況下加鐵銹會(huì)更容易出現(xiàn)氣孔。鐵銹是鋼鐵氧化的產(chǎn)物，它是氧化鐵的水化物，分子通式為 mFe2O2·nH2O，鐵銹也包含四氧化三鐵的水化物，如 Fe3O4.H2O，鐵銹含有大量以結(jié)晶水形式存在的水分，大量的水蒸氣在電弧的條件下發(fā)生分解，分解時(shí)也吸熱。 在液態(tài)熔池中有足夠高的溫度時(shí)，這些氫溶入擴(kuò)散至熔池中。結(jié)晶時(shí)，隨著溶解度下降，氫便大量析出。因此氫便成為焊接有色金屬時(shí)，產(chǎn)生氣孔主要原因。

4.結(jié)論

通過實(shí)踐表明，低碳鋼焊縫中的氣孔主要是由氫引起的。氫的來源有焊絲和板材中溶解的氫及表面氧化膜吸附的結(jié)晶水；焊接時(shí)由于保護(hù)不好空氣中的氫和水氣進(jìn)入焊接熔池等。所以，減少焊縫氣孔要從以下幾方面入手：①焊接材料，如焊條、焊劑要嚴(yán)格烘干，并且烘干后不得放置時(shí)間過長(zhǎng)，最好存放在保溫桶中，隨取隨用。②采用適當(dāng)?shù)谋砻媲謇矸椒ǎ宄ぜ昂附z表面的氧化膜、鐵銹及油污等。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉會(huì)杰主編.《焊接冶金與焊接性》.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.3.

作者簡(jiǎn)介：王波，（1979.11-），男，漢族，本科，研究方向：焊接。