簡(jiǎn)析GTAW焊接鋁合金焊縫氣孔的控制

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，鋁合金在生活中的作用越來(lái)越重要。由于理化性能優(yōu)異、耐蝕能力強(qiáng)，鋁合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各工業(yè)焊接結(jié)構(gòu)上，例如飛機(jī)、輕形汽車、大小化工容器等都采用了鋁合金材料。鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）是一種很好的焊接方法，可以焊接大多數(shù)金屬材料，尤其是有色金屬，很好地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。GTAW焊接鋁合金，焊縫中的氣孔不好控制，而焊縫中含有一定量的氣孔，對(duì)焊縫的力學(xué)性能、塑韌性會(huì)有一定影響，這就限制了鋁合金的應(yīng)用。現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹GTAW焊接鋁合金如何控制焊縫中氣孔，從而擴(kuò)大鋁合金在焊接結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）;氫氣孔;氧化膜;焊接電流;多層多道焊

1? ? 鋁合金焊接技術(shù)難點(diǎn)

鋁合金分為變形鋁合金與鑄造鋁合金，常用于焊接的鋁合金為變形鋁合金[1]。鋁合金材料活性高，在表面極易生成三氧化二鋁氧化物，氧化物中也含有氫化物，設(shè)氧化物中的氫含量為Y氫，焊接時(shí)氫易形成氫氣孔;同時(shí)氧化物熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金熔點(diǎn)，焊接時(shí)鋁合金熔化而氧化物未熔化，焊縫凝固過(guò)程中氧化物易形成焊接夾渣[2];鋁合金高溫融熔狀態(tài)與低溫狀態(tài)幾乎無(wú)色差變化，焊接時(shí)焊縫不易觀察[2];鋁合金散熱系數(shù)大，導(dǎo)熱率高，焊接時(shí)加熱熔化速度慢，需要大功率熱源，熱源密度大[2]，不利于母材及填充金屬熔化，易形成未焊透;高溫散熱快，焊接時(shí)融熔焊縫短時(shí)間內(nèi)快速凝固，氣孔沒(méi)有及時(shí)逸出，易形成焊接氣孔;高溫強(qiáng)度低，在全焊透焊縫中，背面必須加襯墊，否則焊縫背面不成型;鋁合金低沸點(diǎn)合金元素焊接時(shí)容易燒損，進(jìn)而影響焊縫性能。鑒于以上焊接特點(diǎn)，鋁合金金屬焊接十分不易;鋁合金對(duì)氫特別敏感，想要很好地控制鋁合金焊縫中氣孔含量，更是難上加難。常用的鋁合金焊接方法有氣焊、焊條電弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）、等離子弧焊、激光焊等，根據(jù)適用場(chǎng)合不一樣，選用的焊接方法會(huì)有不同[1]。本文主要介紹鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）對(duì)鋁合金的焊接及焊接氣孔的控制。

2? ? 試驗(yàn)過(guò)程

焊接產(chǎn)品為高壓散熱器部件，裝配在高壓電基站上。產(chǎn)品為一個(gè)長(zhǎng)160 mm、寬127.7 mm、厚10 mm的焊接件，由三部分組成，兩端為鋁合金型材，中間為20片0.5 mm厚薄鋁板組合壓制而成。型材材料牌號(hào)為6063，薄鋁板材料牌號(hào)為1050，鋁合金焊縫要求符合ISO 10042 C級(jí)要求。

鋁合金GTAW焊接工藝如下：

（1）焊接人員：熟練焊工。

（2）焊機(jī)品牌：焊接機(jī)器使用松下GTAW水冷焊機(jī)，焊接時(shí)焊接電源選擇交流電源，氬弧焊槍使用陶瓷噴嘴，噴嘴外直徑18 mm，電極為直徑2.4 mm鈰鎢極。

（3）焊接材料：焊絲材料牌號(hào)4043，直徑2.4 mm，長(zhǎng)度1 000 mm;保護(hù)氣體使用純氬，氬氣純度99.995%。

（4）工藝措施：焊前無(wú)特殊處理，母材開(kāi)V形60°坡口，母材間隙留3～5 mm，V型坡口下墊紫銅墊，焊接電流150～200 A，焊接速度40～60 mm/min，鎢電極與工件（母材）距離控制在3～5 mm。

（5）制作仿形夾具，對(duì)三部分按照要求分別定位好。

鋁合金焊縫中氣孔為焊縫凝固過(guò)程中氫未及時(shí)逸出殘留在焊縫中產(chǎn)生的。設(shè)氫在液態(tài)鋁合金焊縫中的含量為S液，在焊縫凝固過(guò)程中從焊縫中逸出的氫量為S逸，殘留在焊縫中的氫量為S殘（即焊縫中氣孔含量）。理論上S殘=S液-S逸，控制焊縫中的氣孔，需減小S殘值，就是減小S液，增大S逸。

液態(tài)中溶解的氫主要來(lái)源有這幾方面：母材表面含氫化合物Y氫，空氣中的含氫化合物K氫，焊工穿戴手套沾有油脂，設(shè)其中含氫化合物為H氫，焊縫背面襯墊上含氫化合物C氫。

S液=Y氫+K氫+H氫+C氫

通過(guò)以下措施來(lái)降低氫在液態(tài)鋁合金焊縫中的含量S液：（1）焊接前，對(duì)母材表面進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)清洗，清理鋁合金表面生成的高溫氧膜，減少含氫化合物，進(jìn)而減少Y氫，母材表面化學(xué)清洗后，用防油紙進(jìn)行包裹，防止焊接前母材表面被二次氧化;（2）控制焊接房?jī)?nèi)溫濕度，通過(guò)空調(diào)來(lái)降低焊接房?jī)?nèi)空氣濕度，使空氣濕度不大于50%，控制焊接房?jī)?nèi)溫度在25～30 ℃范圍內(nèi)，通過(guò)此措施來(lái)降低空氣中的含氫化合物K氫;（3）給焊工佩戴干凈的白色手套，若發(fā)現(xiàn)手套沾有臟污、油脂等，立即更換新手套后才能進(jìn)行焊接作業(yè)，通過(guò)此措施來(lái)降低H氫;（4）焊接前檢查襯墊表面，若襯墊表面有油污等含氫化合物，立即更換干凈襯墊，通過(guò)此措施來(lái)降低C氫。

焊前經(jīng)過(guò)上述措施，再進(jìn)行產(chǎn)品焊接試驗(yàn)，焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)與焊縫橫截面金相檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)焊縫中氣孔明顯減少，雖然仍不能滿足ISO 10042 C級(jí)要求，但是對(duì)焊縫氣孔控制起了積極作用與方向指導(dǎo)作用。

減少溶解在液態(tài)鋁合金焊縫中的氫后，焊縫中還有許多氣孔，想要達(dá)到ISO 10042 C級(jí)要求，需增大氫的逸出S逸。影響氫逸出S逸的主要因素有焊縫高溫停留時(shí)間T停、氫逸出路程S路。假設(shè)氫逸出焊縫的速度V逸在焊縫凝固前恒定。

S路=V逸×T停

V逸不變，當(dāng)T停增加，S路增加;V逸不變，當(dāng)S路減小，T停減小。

根據(jù)上述理論公式可知，通過(guò)以下措施可以增加氫的逸出S逸：（1）焊前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱處理，將母材加熱到120 ℃，保溫30 min，預(yù)熱完成后立即進(jìn)行焊接，防止長(zhǎng)久放置母材表面被氧化形成氧化膜，預(yù)熱用來(lái)降低鋁合金的散熱速度，增加焊縫高溫停留時(shí)間T停，氫有足夠的時(shí)間逸出焊縫，焊縫中氣孔就會(huì)減少;（2）進(jìn)行多層多道焊接，每道焊縫的厚度減少，氫逸出的路程S路就會(huì)減少，氫能在短時(shí)間內(nèi)快速逸出焊縫，減少氣孔。通過(guò)上述措施，再次進(jìn)行焊接產(chǎn)品試驗(yàn)，并對(duì)焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)與焊縫截面金相檢測(cè)，焊縫中的氣孔明顯減少，只在焊道之間有少量氣孔存在。

經(jīng)過(guò)上述控制措施后，雖然焊縫中氣孔已經(jīng)明顯減少，但仍不符合ISO 10042 C級(jí)的要求。通過(guò)觀察可以知道，殘留少量氣孔存在于焊道之間，說(shuō)明氫在下一道焊縫焊接前還未及時(shí)逸出，通過(guò)增加焊接電流，降低焊接速度，來(lái)增加焊接熱源，進(jìn)而延長(zhǎng)焊縫高溫停留時(shí)間T停，將焊接電流控制在250～300 A范圍內(nèi)，焊接速度控制在30～50 mm/min，同時(shí)焊槍陶瓷噴嘴使用帶重篩濾網(wǎng)的噴嘴，噴嘴直徑增加到30 mm，減少保護(hù)氣體中的水進(jìn)入焊縫，從而進(jìn)一步減少氫來(lái)源;焊接過(guò)程中，焊槍上下輕微擺動(dòng)，對(duì)融熔焊縫進(jìn)行輕微攪拌，有利于加快氫的逸出;焊絲在送進(jìn)過(guò)程中，也進(jìn)行輕微擺動(dòng)，促進(jìn)融熔焊縫的震動(dòng)，有利于加快氫的逸出。通過(guò)以上措施，再次進(jìn)行焊接產(chǎn)品試驗(yàn)，焊接試驗(yàn)完成后對(duì)焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)。從射線檢測(cè)照片上可以看出，焊縫中基本看不到氣孔，但有個(gè)黑色夾鎢，影響焊縫質(zhì)量。

查閱焊接手冊(cè)得知，直徑2.4 mm鎢棒不能承受太大的電流，采用250 A以上的電流進(jìn)行焊接時(shí)，容易燒損鎢棒，燒損的鎢棒掉入焊縫形成了焊縫夾鎢。因此增大焊接鎢棒直徑，改用直徑3.2 mm的鎢棒。通過(guò)上述措施，再次進(jìn)行焊接產(chǎn)品試驗(yàn)，焊接試驗(yàn)完成后對(duì)焊縫進(jìn)行100% X射線檢測(cè)與焊縫橫截面金相檢測(cè)。根據(jù)上述檢測(cè)，焊縫中已經(jīng)沒(méi)有可見(jiàn)氣孔。再次焊接產(chǎn)品，焊好的產(chǎn)品送到TUV進(jìn)行X射線檢測(cè)，TUV給出檢測(cè)報(bào)告，焊縫符合ISO 10042 C級(jí)的要求。

3? ? 結(jié)論

（1）上述焊接試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果證實(shí)了鋁合金焊縫中的氣孔主要是氫氣孔，控制鋁合金焊縫氣孔，就是控制鋁合金焊縫中氫含量。

（2）鋁合金焊接焊縫中氫的主要來(lái)源是母材表面氧化膜含的氫化合物Y氫，空氣中的含氫化合物K氫，焊工穿戴手套沾有油脂中的含氫化合物H氫，焊縫背面襯墊上含的氫化合物C氫?？刂坪蒙鲜鏊奶帤涞膩?lái)源，可以很大程度上減少氫氣孔產(chǎn)生。

（3）通過(guò)增加焊縫高溫停留時(shí)間與縮短氫逸出路程，可以有效減少焊縫中氣孔含量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 周萬(wàn)盛.焊接手冊(cè)（第2卷）[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

收稿日期：2020-06-10

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)學(xué)（1989—），男，江西南昌人，焊接工程師，研究方向：焊接工藝。