探析鋁合金焊接接頭中氣孔產(chǎn)生的機理與控制方法

段金龍

（昆明中車軌道交通裝備有限公司，云南 昆明 650605）

鋁合金的耐腐蝕性能高、強度高，在航天工業(yè)、高鐵，地鐵制造業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，目前諸多焊接方法也已經(jīng)廣泛用作于鋁合金產(chǎn)品的制造。焊接和被焊材料之間有著密切關(guān)系，因鋁合金本身的特點，在焊接的過程中，其膨脹系數(shù)、凝固溫度系數(shù)、收縮率均會發(fā)生一定的變化，從而致使出現(xiàn)氣孔等等問題。氣孔的存在會影響焊接的致密性，縮小焊接有效橫截面積，導(dǎo)致焊接接頭的耐腐蝕性能、剛性、韌性受到一定程度的影響。

1 鋁合金接頭焊接缺陷種類

鋁合金溶解熔池在凝固的過程中，熔池中的氣體來不及排除，滯留在焊接處，形成的“空穴”就被稱之為“氣孔”，這種缺陷會直接影響焊接接頭處的銜接面積，而根據(jù)氣孔的微觀特征、尺寸大小可大致將其分為兩個種類：一是不規(guī)則形狀且尺寸比較大的氣孔，這類氣孔內(nèi)部較為粗糙，在微觀角度來看，此類氣孔還存在有明顯的晶體生長臺階，這類氣孔被稱之為氣穴；二是尺寸相對較小，外形較為規(guī)則，大多呈圓形，氣孔內(nèi)部表面光滑，不存在晶體生長臺階，這類氣孔被稱之為“氫氣孔”[1]。

2 氣穴的形成機理以及抑制

（1）形成機理。從理論層面上來說，鋁合金接頭處“氣穴”的產(chǎn)生是因為匙孔塌陷所導(dǎo)致的，在焊接的過程中，即便是采用保護氣體或者合理的對被焊材料進行處理，依然會出現(xiàn)氣孔[2]。這種氣穴主要分布在鋁合金焊接匙孔周圍。匙孔在鋁合金焊接中是一種常見的現(xiàn)象，它和鋁合金焊接過程中形成的蒸汽反作用力、重力、表面張力有著密切關(guān)系，在焊接的過程中，匙孔的變化較快，形狀、位置都在不斷的變化。實踐表明，匙孔的穩(wěn)定程度和“氣穴”的出現(xiàn)有著密切關(guān)系，在匙孔相對比較穩(wěn)定時，氣穴的數(shù)量會大幅度減少。由此分析，氣穴的出現(xiàn)是因為不穩(wěn)定匙孔的坍塌所導(dǎo)致的[3]。如圖1所示，匙孔內(nèi)部受力變化和氣穴的形成、構(gòu)成均有著密切關(guān)系，若是表面張力大于蒸汽反作用力，就會形成匙孔，其尺寸也會逐漸增加，在重力的作用下，匙孔的位置、形狀會逐步向下發(fā)生變化。因為匙孔的末端的形狀相對較小，所以凸起的部分會將匙孔末端封閉，不穩(wěn)定匙孔就會逐步塌陷，并最終構(gòu)成“氣穴”[4]。

圖1 氣穴形成機理示意

（2）氣穴的抑制措施。由上述內(nèi)容可見，在焊接的過程中，匙孔的穩(wěn)定性直接決定了氣穴的形成，但同時匙孔的穩(wěn)定性和重力、蒸汽反作用力、表面張力皆有著一定的關(guān)系，和鋁合金的焊接速度、接頭形式、融透形態(tài)也有著聯(lián)系。筆者在分析的過程中，為找到氣穴產(chǎn)生的抑制方法，嘗試在不同的焊接條件下，分析氣穴產(chǎn)生、焊接速度、熔池流動的關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)，焊接速度和氣穴數(shù)量呈反比關(guān)系，這就表明匙孔的穩(wěn)定性和熔池的流動性呈正比。若是焊接的速度較低，熔池的流動性較差，在重力的作用下，匙孔就極其容易出現(xiàn)塌陷的情況。同時，蒸汽反作用力也會加劇熔池的向下流動，氣體在熔池底部滯留、旋轉(zhuǎn)，并最終產(chǎn)生“氣穴”；在較快的焊接速度條件下，熔池的流動性提升，匙孔的穩(wěn)定性也相對較高，氣體不會在熔池底部滯留，所以氣穴的數(shù)量相對較少。

在焊接的過程中，采用的焊接方式也會對匙孔的穩(wěn)定性造成一定的影響，但幾乎所有的焊接方式，都可以通過改變鋁合金的接頭形式來減少氣穴數(shù)量。實踐表明，可在鋁合金對接處設(shè)置“間隙”，然后在間隙中填充“焊絲”，就可起到良好的氣穴抑制效果。一方面，在接頭處增設(shè)間隙，能夠減小匙孔形成時的阻力，讓匙孔的穩(wěn)定性得到有效提升；另一方面，間隙的存在能夠提高熔池的流動性，為氣體的排出提供了一個良好的途徑。另外，還可適當(dāng)提高焊接強度，讓匙孔能夠直接貫穿于焊接處，保證匙孔呈開放的狀態(tài)，這樣其穩(wěn)定性就可大幅度提升。

3 氫氣孔的形成機理以及抑制

（1）形成機理。在鋁合金中，有著一定量的“氫氣”，從理論層面上來說，幾乎所有鋁合金在焊接的過程中形成的氣孔都和“氫氣”有著直接關(guān)系。相對來說，氫氣在固態(tài)鋁合金中的溶解度比較低，經(jīng)測試，大約在0.033mL/100g～0.035mL/100g之間，在焊接的過程中，若是溫度高于鋁合金的熔點，氫氣的溶解度也會大幅度提高，經(jīng)測試，大約在0.64mL/100g～0.66mL/100g之間，該數(shù)值還會隨著溫度的提升不斷增大。鋁合金在焊接的過程中，熔池的溫度相對比較高，雖然不同的焊接方式，熔池溫度存在一定的差異，但是鋁合金在溶解、冷卻、凝固的過程中，氫氣的溶解度也會不斷的發(fā)生變化，一旦溶解度超出一定的數(shù)值，氫氣的狀態(tài)就極其不穩(wěn)定，甚至?xí)恢苯优懦猓缛魵錃獠荒軌蝽樌耐ㄟ^固態(tài)、液態(tài)之間的界面，就會導(dǎo)致接頭處形成氣孔。由此可見，鋁合金在焊接的過程中，氣孔的氫氣孔的形成和熔池的溫度、冷卻也有著一定的關(guān)系?？赏ㄟ^提高冷卻速度來實現(xiàn)對熔池凝結(jié)時間的有效干預(yù)，促進氣泡的運作以及排出，進而減少氫氣孔數(shù)量或者減小氫氣孔規(guī)格。

（2）氫氣孔的抑制措施。鋁合金中含有的氫氣主要來源于被焊材料表面所吸附的水分以及鋁合金中填充材料的有機物等，在焊接鋁合金的過程中，被焊材料表面存在的氧化膜極其容易吸收水分，這也是焊接過程中氫氣的主要來源，是引發(fā)氫氣孔的主要因素。因此，在焊接之前，通過合理的化學(xué)處理措施、銑削處理措施消除被焊材料表面的氧化膜，可達(dá)到降低氫氣含量，減少氫氣孔的目的。并且，采用物理措施，如噴砂、拋光、激光處理等，去除被焊材料表面的氧化物，也能夠減少焊接過程中產(chǎn)生的氫氣，經(jīng)測試，相較于拋光、噴砂等，激光處理效果最好，但是在對表面處理之后應(yīng)該及時的進行焊接，不然被焊材料表面會再次形成氧化層。

合理的調(diào)整焊接強度、效率也能夠干預(yù)熔池的冷卻速度，達(dá)到抑制氫氣孔形成的作用，在相同的表面狀態(tài)下，熔池冷卻速度的提升可通過提高焊接速度來實現(xiàn)。其原理是因為焊接速度的提升，抑制了氫氣的析出、凝聚，冷卻速度的提升能夠獲得過飽和的接頭，從而讓氫氣孔數(shù)量減少。另外，高強度的焊接，如高密度的激光焊接，能夠提高焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性，讓凝固時間延長，讓氫氣能夠充分活動，促進其溢出，從而讓氫氣孔的數(shù)量減少。

在焊接的過程中外界空氣溫度、濕度、大氣也會對氫氣孔的形成產(chǎn)生影響，試驗結(jié)果表示，在外界溫度條件較低的情況下，焊接鋁合金，氫氣孔數(shù)量相對比較少，若是外界環(huán)境溫度較高，且濕度較大，那么氫氣孔的數(shù)量則會增加。這主要是因為在高溫條件下，氣湍流相對較強，周邊的空氣在焊接過程中就會進入熔池，進而產(chǎn)生更多的氫氣。焊接時環(huán)境溫度不小于5℃ 濕度不小于65℃ 焊接時不能有穿堂風(fēng)。

4 結(jié)語

綜上所述，鋁合金焊接接頭常出現(xiàn)的氣孔大致可分為氣穴、氫氣孔兩個類型，兩種氣孔形成的機理有著一定的不同之處，在焊接的過程中，要深入分析導(dǎo)致氣孔增多的因素，結(jié)合氣穴、氫氣孔形成的機理選取有針對性的抑制方式，這樣才能有效提高焊接質(zhì)量。筆者在文中所提到的抑制方法或較為淺薄，但是仍舊希望這些內(nèi)容能夠為廣大從業(yè)者提供參考，更為深入的問題還望廣大從業(yè)者進一步探究。