摘 要:本文对铝合金焊接接头产生气孔的原因和形成机理进行分析,探讨了形成气孔影响因素,给出了铝合金焊缝气孔的控制措施:选择合适的焊接工艺参数、有效的气路保护和焊前清洗等.
关键词:氢气孔;形成机理;加强保护
0.引言
相对于大多数金属,铝及铝合金具有较小的密度、较高的比强度等优良特性,并且地球上铝矿资源丰富,在各种工程结构中具有广泛的应用,正逐步成为钢结构替代物的理想材料.但铝合金焊接接头在进行焊接时,焊缝金属结晶过程容易产生气孔,残存在焊缝中的这些气孔使接头的实际受力面积大为减少,从而使承受能力极大地下降,还可能诱发脆性断裂,这给铝合金的实际应用带来一定的不利因素,因而应研究如何控制气孔产生.
1.气孔的形成机理
铝合金在焊接时,焊接接头产生的气孔种类主要是氢气孔.氢气孔产生的原因是焊接时,焊接材料和焊接接头处母材在高温下熔化形成熔池,由这些熔化金属形成的熔池温度极高,氢的溶解度随温度急剧升高,从而熔池内会溶入大量的氢,当电弧离去时,熔池温度迅速下降,这时氢的溶解度随温度下降急剧减小,就会有大量的氢溢出,但由于铝结晶速度较块,并且铝合金密度小,形成的气泡在熔池中受到的浮力较小,上浮速度慢,熔池结晶结束后,还会有许多气泡来不及浮出,滞留在焊缝中形成气孔.
1.1 氢的溶解
焊接熔池里氢主要来自于:母材和工件中固溶的氢;金属表面上的铁锈、油污、吸附水等物质在高温条件下分解产生的氢;电弧保护气氛中的氢和水分;空气的水分等等.焊接时,在高温作用下,氢分解成单原子氢,单原子氢在高温下溶解度非常大,从而是大量的氢原子溶入到熔池当中.
1.2 气泡的形成
高温下溶解在熔池内的氢,当熔池温度降低时,会经过气泡形核、长大、上浮3个阶段形成气泡.形成气泡需要满足3个基本条件:熔池内存在过饱和气;气泡核的存在;液态单元体积有一定的保持时间(孕育期). 焊接时焊接熔池中金属被过热,过热铝合金金属形成的熔池,对氢的吸收量远大于氢在铝合金中的溶解度,当熔池金属温度下降时,由于溶解度下降使得导致整个熔池形成过饱和气.在纯金属形成的熔池中,因为没有气泡核产生的附着点.很难形成气泡,但当熔池中有现成表面时,如悬浮的高熔点杂质和熔池底部固液结合处,在其表面气泡就容易形核.气泡形核后,在内、外压力的共同作用下就会长大,形成气泡.
1.3 形成气孔
气泡形成之后,在气泡内、外压强差的共同作用下继续长大.长大到一定尺寸后,与吸附表面分离,开始上浮、溢出.但这个过程需要一定时间,能否浮出熔池表面,取决于熔池的结晶速度和气泡上浮速度这两个因素. 在结晶初始阶段,很难形成气孔,因为晶粒长大速度远大于氢的扩散速度,氢气来不及聚集形成气泡.在结晶后期,一方面,金属温度下降,溶解度降低形成过饱和气,另一方面,结晶速度变缓,氢气聚集形成气泡倾向增大,熔池结晶时,并且在结晶前沿的凹坑中,熔池内的难溶杂质上,吸附表面相对较大,气泡产生的可能性变大.气泡能不能形成气孔,取决于气泡上浮速度与熔池结晶速度的大小关系.焊接时,在熔合线处的现成表面上较易形成生成气泡.随后,周围的扩散氢就会向气泡中聚集,使气泡逐渐长大,所受的浮力就会随之增加,在浮力作用下气泡上浮,如果气泡在这个期间没有来得及浮出, 就会滞留在焊缝中形成气孔.从上可以看出是否形成气孔,主要取决于气泡浮出速度和焊缝金属的结晶速度大小关系: 气泡浮出速度小于焊缝结晶速度.
2.气孔形成的影响因素
2.1 焊缝液体金属的凝固速度
焊缝金属的凝固速度越大,结晶时间越短,气泡就越不易浮出表面,也就越容易形成气孔.某一特定材料的凝固速度主要与焊接工艺条件和焊接环境有关.铝合金因具有良好的热传导性,相对于其他材料铝合金材料形成的熔池导热更快,结晶速度更大,留给气体溢出的时间较短,所以不利于气体的溢出,当焊缝金属结晶结束时,就会有部分气体滞留在焊缝形成气孔.
2.2 液态金属的粘度
若液体金属粘度较大时,一方面,受粘滞力的影响,气泡的长大过程会减缓,另一方面,在熔池金属的凝固阶段,高粘度熔池金属会使气泡上浮受粘滞力的影响,上浮阻力加大,上浮速度减缓,增大气孔倾向.
2.3 气泡内气体密度
当气泡内气体密度远远小于熔池金属的密度时,气泡受到的浮力相对较大,就容易浮出.如果二者密度差别不大,上浮的浮力就小,铝合金的密度相对金属较小,气泡受到的浮力也就比其他种类金属小,气泡上浮速度就慢,而铝合金由于导热快,结晶迅速,因而不利于气泡浮出表面,产生气孔的倾向增大.
2.4 气泡尺寸
气泡体积越大,由阿基米德定律知物理在同一液体中所受液体的浮力越大,气泡上浮的动力就大,浮出熔池表面所需的时间较短.当气泡内气压小于气泡外压强时气泡就难以长大,受到的浮力较小,产生气孔的倾向增大,而当气泡内压强较大时,气泡尺寸增大,浮力增大,半径增大到足以完全浮出时,就不会产生气孔.由于铝合金导热快,结晶时间短,气泡的尺寸大多较小,浮出的动力较小,因而容易产生气孔.此外,熔池金属的运动对气孔的形成有一定的影响,熔池的运动一方面使气体溶入熔池,另一方面有利于气泡的上浮.
3.气孔的控制措施
根据氢气孔产生的原因,对于铝合金焊接接头内的气孔,可以采取以下措施来减少气孔的产生.
3.1 减少氢的来源
严格控制焊接材料中的氢含量,焊接材料在用前要严格进行烘干处理.对焊丝和母材的表面的油污、铁锈等杂质进行彻底清理,表面清理一般采用化学法、机械法,或者两者并用.化学清洗就是去除油污和氧化膜.清洗后要及时施焊,最好在化学清洗后的 2~3 小时内用完.如果清洗后没能立即焊接时,再次使用前用刮刀削坡口端面进行简单清理.
3.2 制定合理的焊接工艺
焊接工艺参数影响焊接热循环,焊件上的温度场,特别是熔池高温存在时间,进而影响气孔产生.正确的工艺参数应该是采用小线能量降低熔池存在时间,但不能太小要保证根部能完全熔合,以利熔池底部气泡上浮.所以可用大电流,高焊速来减小线能量,达到控制焊缝中气孔的产生效果.
结论
铝合金焊接接头中产生气孔的主要原因是氢气存在,氢气孔形成机理是在高温下氢在液态铝合金中的溶解度极大,冷却时急剧下降,形成气泡,若结晶速度过大,气泡来不及溢出,滞留在焊缝中形成气孔.可以采用合适的焊接工艺参数、有效的气路保护和焊前清洗等措施,来减少气孔的产生.
