環(huán)境濕度對(duì)高速列車鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊接頭影響分析

摘要：我國(guó)國(guó)土面積遼闊，氣候環(huán)境多樣，高速列車無論是在生產(chǎn)過程還是在運(yùn)行過程中均要經(jīng)受復(fù)雜氣候變化的考驗(yàn)。在鋁合金車體熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG焊）焊接過程中，環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等均對(duì)焊接接頭的微觀組織、常規(guī)力學(xué)性能以及疲勞性能等產(chǎn)生不可低估的影響。以往的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，空氣濕度對(duì)鋁合金焊接過程中含氫量及氣孔的形成有著重大影響。

關(guān)鍵詞：鋁合金焊接;空氣濕度;含氫量;氣孔

1. 研究背景及意義

鋁合金對(duì)氣孔有很大的敏感性[1]，而氫是鋁及鋁合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因[2]，鋁合金焊接中很少量的氫污染都能引起嚴(yán)重的氣孔，而沉淀在鋼中相同的污染對(duì)鋼焊縫的質(zhì)量則無明顯的影響。氫之所以能使焊縫形成氣孔，與它在鋁及鋁合金中溶解度的變化特性有關(guān)。平衡條件下，氫在鋁及鋁合金中的溶解度在凝固點(diǎn)時(shí)可以從0.69 ml/100g突降到0.036 ml/100g，相差約20倍（在鋼中只相差不到2倍），這是氫容易使焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因之一[3]。況且，鋁的導(dǎo)熱性很強(qiáng)，不利于氣泡的逸出，易于促使形成氣孔[4]。鋁合金焊縫中氫的來源，除了焊接工藝因素外，最重要的就是在電弧氣氛中侵入了空氣中的水分，因此研究空氣中水分對(duì)鋁合金焊接接頭中的含氫量以及氣孔率的影響有重要意義[5]。

2. 焊縫中氣孔形成過程及影響因素

氣孔在焊縫中的形成過程分為三個(gè)階段，氣泡形核、氣泡長(zhǎng)大、氣泡上浮[6]。焊接熔池冷卻結(jié)晶時(shí)，氣泡上浮的速度小于熔池結(jié)晶的速度，氣泡則被滯留在焊縫中，形成氣孔。當(dāng)濕度比較大時(shí)，焊接電弧產(chǎn)生很高的溫度，促使空氣中的水分分解出氫，氫在焊縫熔池中的溶解量與焊接時(shí)環(huán)境中水分電離出的氫濃度成正比。但當(dāng)焊接熔池中的金屬冷卻凝固時(shí)，氫在焊縫金屬中的溶解度將突然降低，隨著焊縫金屬中氫濃度的降低直到達(dá)到過飽和，這就為氣孔形成提供了前提條件，同時(shí)焊接熔池中存在很多附著界面，如母材未熔化的固態(tài)晶粒、分布不均的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)等，為氫氣泡的非自發(fā)形核提供了必備條件。

如果附著在介質(zhì)上的氣泡半徑比較小，表面張力構(gòu)成對(duì)氣泡的壓力又比較大，則小氣泡很難自行長(zhǎng)大，滯留在焊縫中形成較小的氣孔。在焊接過程中，氣泡在熔池內(nèi)隨著液態(tài)金屬的流動(dòng)而游動(dòng)，在氫的擴(kuò)散和液態(tài)金屬的對(duì)流作用下，游動(dòng)的氣泡不斷和相鄰的氣泡合并長(zhǎng)大，形成較大的氣孔。

氣泡能否形成氣孔的關(guān)鍵是氣泡的上浮速度，氣泡上浮的速度與半徑的平方成正比。即氣泡的半徑越大，氣泡的上浮速度越快，越容易逸出，氣泡的半徑越小，氣泡上浮的速度越慢，越容易殘留在焊縫金屬中，形成氣孔。另外，液態(tài)金屬密度的大小與氣孔的形成也有著很大關(guān)系，密度越大粘度越小，越不容易形成氣孔。

3. 環(huán)境濕度對(duì)鋁合金焊接接頭質(zhì)量的影響及機(jī)理

薛小懷、鄧正才等進(jìn)行了6061鋁合金氣孔敏感性研究，結(jié)果表明環(huán)境溫度和濕度顯著影響鋁合金焊接時(shí)的氣孔敏感性。MIG焊時(shí)氣孔敏感性對(duì)環(huán)境因素的影響比TIG焊顯著[7]。

BY R.F.ASHTON， R.P.WESLEY 和C.R. DIXON等研究了氣孔對(duì)5086-H116鋁合金焊接接頭性能的影響，研究表明焊縫中的氣孔會(huì)引起接頭抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度的降低，同時(shí)會(huì)使接頭抗彎曲性能變差[8]。

日本氣孔防止研究委員會(huì)研究了氣孔對(duì)鋁合金焊接接頭性能的影響，得出結(jié)論：當(dāng)氣孔缺欠在JIS（1995）的4級(jí)（相當(dāng)于GB/T 22087-2008 所規(guī)定的B級(jí)）以上時(shí)，氣孔的影響不至于造成靜強(qiáng)度的下降;當(dāng)大氣孔分布在焊縫中心時(shí)氣孔的影響顯著，可是抗拉強(qiáng)度降低16%;當(dāng)去除焊縫加強(qiáng)高時(shí)，氣孔對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響比對(duì)靜強(qiáng)度的影響更大[9]。

濕度對(duì)焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能、裂紋傾向以及氣孔生成等的影響均離不開濕度變化導(dǎo)致接頭中含氫量不同的原因。

劉全印在《關(guān)于焊接材料擴(kuò)散氫含量檢測(cè)試驗(yàn)的討論》一文中提到，鋼焊縫中，氫大多以原子或離子狀態(tài)存在，這些半徑相對(duì)較小的原子或離子可以在晶格中進(jìn)行擴(kuò)散， 一般稱之為擴(kuò)散氫;另一部分氫擴(kuò)散到晶格缺陷、顯微裂紋和空隙處的氫會(huì)結(jié)合為分子狀態(tài)，由于體積變大而不能擴(kuò)散，稱為殘余氫。在焊接接頭服役過程中，擴(kuò)散氫會(huì)導(dǎo)致焊縫或熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋，而殘余氫主要存在于氣孔中，氣孔的存在會(huì)對(duì)接頭的機(jī)械性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[10]。

余巍、張京海等人在溫濕可調(diào)焊接實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了不同環(huán)境條件下的測(cè)氫焊接試驗(yàn)，研究了環(huán)境條件對(duì)熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的影響，在溫度一定的條件下，環(huán)境相對(duì)濕度越高，則熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量越大。熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量隨著空氣中的水蒸汽分壓，即絕對(duì)濕度的增加而明顯增加[11]。

4. 分析與討論

環(huán)境濕度對(duì)鋁合金MIG焊的作用主要體現(xiàn)在，隨環(huán)境濕度變化，焊縫中的氣孔率變化，進(jìn)而對(duì)接頭裂紋、強(qiáng)度、服役性能等產(chǎn)生影響。目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于焊接環(huán)境對(duì)接頭組織性能影響的相關(guān)報(bào)告中絕大多數(shù)是針對(duì)鋼焊縫，對(duì)相應(yīng)鋁合金環(huán)境濕度焊接敏感性的研究很少，而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域及范圍迅速擴(kuò)大，對(duì)鋁合金濕度環(huán)境焊接性能的影響研究日趨必要。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 薛小懷，鄧正才等.6061鋁合金氣孔敏感性研究[J].汽車焊接國(guó)際論壇，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] 日本氣孔防止研究委員會(huì). 鋁及其合金焊縫氣孔的評(píng)價(jià)及其產(chǎn)生傾向-氣孔對(duì)焊接接頭性能的影響（M）. 輕金屬熔接，1980

[10] 劉全印，暢寶鋼. 關(guān)于焊接材料擴(kuò)散氫含量檢測(cè)試驗(yàn)的討論[J].焊接技術(shù)，2011，40（4）：52

[11] 余巍，張京海等.環(huán)境條件對(duì)熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1999，14（4）：11

作者簡(jiǎn)介：張明月，女，（1987.06-），漢族，河北省遵化市人 ，博士研究生，講師，材料成型及控制技術(shù)專業(yè)帶頭人，金屬材料研發(fā)、焊接方法與工藝研究、職業(yè)教育專業(yè)建設(shè)。