鄭世達(dá)，易耀勇，易江龍

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)焊接技術(shù)研究所，廣東廣州 510650

鋁及鋁合金焊接在工程中易出現(xiàn)的幾種缺陷分析及預(yù)防

鄭世達(dá)，易耀勇，易江龍

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)焊接技術(shù)研究所，廣東廣州 510650

介紹了工程應(yīng)用中鋁及鋁合金焊接的幾種主要方法及其焊接過程中容易產(chǎn)生的缺陷，并著重分析了最易出現(xiàn)且最難解決的氣孔和裂紋的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施，避免焊接接頭返修．

鋁及鋁合金；應(yīng)用；焊接缺陷分析；預(yù)防

鋁及鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好以及耐腐蝕性優(yōu)良等特點，在機(jī)械、電力、輕工、家電、航天、航空、軌道車輛以及艦船等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用．在實踐中，只有掌握和熟悉鋁及鋁合金的性能、各種焊接方法的特點、焊接材料的選擇原則、缺陷的形成及預(yù)防措施等，才能根據(jù)不同產(chǎn)品的要求，選擇合適的焊接方法，制定正確的工藝規(guī)程，從而獲得優(yōu)良的焊接接頭，保證鋁及鋁合金產(chǎn)品焊接質(zhì)量．本文結(jié)合有關(guān)鋁合金容器及結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，并提出預(yù)防措施．

1 鋁及鋁合金的性能及其焊接特性

1.1 性能

鋁是銀白色的輕金屬，熔點為658℃，密度為2.7 kg/m3，其導(dǎo)電率僅次于金、銀、銅，熱導(dǎo)率比鋼大2倍左右，鋁還具有熱容量和熔化潛熱高，耐腐蝕性好及低溫下能保持良好機(jī)械性能等特點[1]．

根據(jù)鋁合金的化學(xué)成分和制造工藝，可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類．變形鋁合金又可分為熱處理強(qiáng)化型和非熱處理強(qiáng)化型鋁合金．非熱處理強(qiáng)化型鋁合金固溶體的成分不隨溫度而變，不可能通過熱處理來提高其機(jī)械性能，只能用冷作變形強(qiáng)化；熱處理強(qiáng)化型鋁合金固溶體的成分隨溫度而變，可通過熱處理對其強(qiáng)化[1]．

1.2 焊接特性

工業(yè)中用得較多的鋁合金有鋁錳合金和鋁鎂合金兩類，均為非熱處理強(qiáng)化型合金．這類合金的特點是強(qiáng)度中等、塑性好，并具有滿意的焊接性、良好的耐震性和耐蝕性，故也稱為防銹鋁合金（黃漢中:《鋁及鋁合金焊接缺陷及其對策》，《廣石化科技》，1996年第4期，第58頁）．另外，現(xiàn)階段鋁銅合金也被較多用于航天航空工業(yè)，主要因為這類鋁合金的比強(qiáng)度高，比剛度高．目前，更新型的鋁合金如鋁—鋰合金也開始應(yīng)用于重要領(lǐng)域．鋁和鋁合金具有其獨特的物理化學(xué)性能，因此在焊接過程中會遇到一系列問題，具體表現(xiàn)有以下幾點[1]:

（1）鋁及鋁合金在空氣中及焊接時極易氧化，生成致密結(jié)實的Al2O3薄膜．Al2O3薄膜的熔點高達(dá)2050℃，很穩(wěn)定，易吸潮，難去除，妨礙焊接過程的進(jìn)行，在焊接過程中易形成氣孔、夾渣等缺陷，從而降低焊接接頭的機(jī)械性能．

（2）高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性．鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率、比熱、熔化潛熱大，熱導(dǎo)率比鋼的大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳入到基本金屬內(nèi)部而被散發(fā)掉．因此，焊接鋁和鋁合金時要比鋼消耗更多的熱量，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，并采取預(yù)熱措施．因其良好的導(dǎo)電性，在電阻焊及縫焊中需選用很大電流值．

（3）容易形成熱裂紋．鋁的線膨脹系數(shù)為23.5×10-6/℃，比鋼約大兩倍左右，其凝固體積收縮率也大，因此在焊接一些鋁合金時往往由于過大的收縮內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋．

（4）容易形成氣孔．鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣體，在高溫下溶入大量氫氣，在焊接冷卻凝固過程中，這些氣體來不及析出而凝集在焊縫中形成氣孔．

（5）高溫下的強(qiáng)度和塑性低．在高溫下鋁的強(qiáng)度和塑性很低，以致不能承托液體金屬而使焊縫成型不良，甚至形成塌陷、燒穿等缺陷．

（6）合金元素的蒸發(fā)和燒損．某鋁合金中含有低沸點的合金元素如鎂、鋅等，這些元素在高溫火焰或電弧作用下極易蒸發(fā)、燒損，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分，同時也降低了焊接接頭的性能．

（7）無色澤變化．鋁及鋁合金從固態(tài)變成液態(tài)時無明顯的色澤變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難．

2 鋁及鋁合金的焊接方法和焊接材料的選擇

2.1 焊接方法

鋁及鋁合金的焊接方法有很多，各種方法適用的場合也不同．因此，必須根據(jù)鋁及鋁合金的牌號、焊件厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件以及接頭質(zhì)量要求等因素進(jìn)行選擇．氣焊多用于家電行業(yè)，電阻焊、攪拌摩擦焊、變極性等離子焊、激光焊等方法焊接質(zhì)量高，多用于航天航空及軌道車輛行業(yè)．這里介紹幾種在容器及結(jié)構(gòu)工程施工中經(jīng)常使用的實用性較強(qiáng)的焊接方法．

（1）鎢極交流氬弧焊（TIG）:這種方法是在氬氣保護(hù)下施焊，熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定，熔池保護(hù)好，電弧有陰極清理作用，能在焊接過程中清除氧化膜，焊縫金屬致密，接頭強(qiáng)度和塑性亦較高，因而在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛．特別近十來年發(fā)展起來的變極性TIG焊，具有電弧穩(wěn)定、熔深增加、焊縫晶粒細(xì)化及接頭性能高的特點，是目前鋁及鋁合金最常用的焊接方法．

（2）鎢極直流正接混合氣體保護(hù)焊:工程上常采用Ar+He混合氣體來保護(hù)，電弧無陰極清洗作用，焊前需用機(jī)械辦法去掉焊接處的氧化膜，可短弧深熔，焊接厚板，焊接效率高，母材熱影響區(qū)小，常用于焊接厚板及熱處理強(qiáng)化鋁合金結(jié)構(gòu)．

（3）鎢極脈沖氬弧焊（TIG-P）:這種方法的焊接電流由基值電流（恒定小電流）和脈沖電流（脈沖大電流）組成，它可明顯改善小電流焊接過程的穩(wěn)定性，用這種方法焊成的焊件變形量小，接頭區(qū)的熱影響區(qū)小，接頭質(zhì)量高，特別適合薄板、全位置焊接．使用交流鎢極脈沖氬弧時，具有更好的電弧穩(wěn)定性及陰極清理作用．這種交流鎢極脈沖氬弧焊機(jī)與普通交流氬弧焊機(jī)相比，前者的熱裂紋形成率比后者可減少20%～30%，接頭抗拉強(qiáng)度及冷彎角亦較高．使用交流鎢極脈沖氬弧焊時，由于電弧熱周期性地作用于基本金屬，對防止薄板燒穿極為有利①黃漢中:《鋁及鋁合金焊接缺陷及其對策》，《廣石化科技》，1996年第4期，第58頁.．

（4）熔化極氬弧焊（MIG）:這種方法分為半自動和自動熔化極氬弧焊，該法電弧功率大、熱量集中、熱影響區(qū)小、生產(chǎn)率比手工鎢極極氬弧焊高2～3倍，可焊接厚件．半自動熔化極氬弧焊還適用于點固焊，斷續(xù)的短小焊縫及結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的焊件，但采用這種方法焊接時焊縫的氣孔敏感性較大．

（5）熔化極脈沖惰性氣體保護(hù)焊（MIG-P）:這種方法分為半自動和自動，此法是在熔化極氬弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的可焊2～10 mm板厚的新方法．此法的平均焊接電流小，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬，有利于預(yù)防焊縫氣孔的產(chǎn)生，焊件的變形量及熱影響區(qū)小，抗裂性能好，適用于薄件的全位置焊接．

2.2 焊接材料的選擇原則及種類

鋁及鋁合金焊接時填充焊絲的成分與接頭的機(jī)械性能、抗裂性及腐蝕性等有很大的關(guān)系．在選擇焊絲時，必須首先考慮基本金屬的化學(xué)成分、產(chǎn)品的基本要求及施工條件，除了要滿足接頭的機(jī)械性能、耐腐蝕性能外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的剛性及抗裂性等，并應(yīng)符合下列規(guī)定:（1）焊接純鋁時，應(yīng)選用純度與母材相同或比母材高的焊絲．（2）焊接鋁錳合金時，應(yīng)選用含錳量與母材相近的焊絲或鋁硅合金焊絲．（3）焊接鋁鎂合金時，應(yīng)選用含鎂量與母材相同或比母材高的焊絲．（4）異種鋁及鋁合金焊接時，應(yīng)按抗拉強(qiáng)度較高的母材選用相應(yīng)焊絲．具體填充焊絲的選擇參見表1和表2[1-2]．

表1 各種常用鋁材焊接用焊絲Table 1 Various welding wires often used for aluminum alloys welding

表2 異種鋁及鋁合金焊接用焊絲Table 2 Dissimilar aluminum and aluminum alloy welding wire

3 鋁及鋁合金焊接接頭常見缺陷及預(yù)防

鋁及鋁合金焊接接頭常見的缺陷有焊縫成型不良、咬邊、裂紋、氣孔、未焊透、燒穿、夾渣等．在實踐中體會到，最常見和難解決的缺陷是氣孔及裂紋．造成返修及廢品的原因大多為氣孔超標(biāo)及出現(xiàn)裂紋．下面將著重分析氣孔和裂紋的成因以及采取的預(yù)防措施．

3.1 裂 紋

鋁合金液態(tài)熔池冷卻、凝固結(jié)晶到完全形成固態(tài)是在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的．在這一溫度范圍內(nèi)同時存在著液態(tài)和固態(tài)金屬，其強(qiáng)度、塑性都很低，所以將這個溫度范圍稱脆性溫度區(qū)間．另一方面，由于鋁合金的線膨脹系數(shù)大，在焊縫金屬冷卻收縮過程中會產(chǎn)生很大的拉伸變形．當(dāng)熔池金屬出現(xiàn)脆性溫度區(qū)間的時刻與產(chǎn)生最大拉伸變形的時刻一致時，立即引起裂紋．一般情況下，純鋁、錳鋁、鎂鋁合金熱裂紋傾向很?。讣慕Y(jié)構(gòu)剛度較大時，其焊接應(yīng)力也很大，或當(dāng)雜質(zhì)含量較多或工藝規(guī)范選擇不當(dāng)時，即使焊接性良好的鋁合金，都會引起裂紋①黃漢中:《鋁及鋁合金焊接缺陷及其對策》，《廣石化科技》，1996年第4期，第58頁.．對于鋁—鎂—硅系的鍛造鋁合金，由于該合金的共晶相及雜質(zhì)相多，焊縫金屬在冷卻收縮過程中易形成晶界液化裂紋．

鋁及鋁合金的裂紋分為焊縫中的裂紋和近縫區(qū)母材液化裂紋．裂紋的形式有縱向和橫向裂紋（往往擴(kuò)展到基體金屬），還有根部裂紋和弧坑裂紋等．焊接裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在起弧、熄弧、斷弧，定位焊、補(bǔ)焊、兩段焊縫的接頭，兩條焊縫的交叉處，多條焊縫密集及結(jié)構(gòu)剛性大的構(gòu)件環(huán)形焊縫，不同合金系的兩合金組合焊縫的特征部位．裂紋嚴(yán)重破壞了焊接接頭的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，使焊接接頭及焊接結(jié)構(gòu)低應(yīng)力脆性斷裂、疲勞斷裂可能性增加，甚至引起整個結(jié)構(gòu)的突然破壞，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低．因此，完全不允許裂紋存在，必須清除并補(bǔ)焊．

根據(jù)鋁合金結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)的經(jīng)驗，防止產(chǎn)生熱裂紋和液化裂紋的措施如下:（1）合理選用材料，控制基體金屬及焊絲成分．純鋁、鋁錳合金及焊絲中的鐵、硅含量比應(yīng)大于1（即Fe/Si＞1），以減少焊縫金屬中低熔點硅共晶的數(shù)量，使鐵、硅、鋁的多元化合物呈斷續(xù)分布．（2）選用抗熱裂紋能力較強(qiáng)的焊絲．通過填充焊絲向焊縫金屬加入少量細(xì)化晶粒的變質(zhì)劑（如鈦、鋯、釩等）有利防止熱裂紋的產(chǎn)生．（3）應(yīng)盡量采用加熱集中的焊接方法（如熔化極自動氬弧焊）及選擇大電流、高焊速的規(guī)范．熔化極脈沖氬弧焊與一般的熔化極氬弧焊法相比具有較好的抗裂性．（4）選用拘束度較小的結(jié)構(gòu)形式．在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時，不要使焊縫承受很大的剛性．在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施．（5）盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并實施雙面焊．避免采用十字形的接頭及不適當(dāng)?shù)狞c固、焊接順序．（6）焊接結(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則容易引起弧坑裂紋．

3.2 氣 孔

3.2.1 氣孔的種類

與其他金屬材料相比，鋁合金在焊接過程中極易產(chǎn)生氣孔，這是鋁合金焊接的難點之一．氣孔的種類很多，詳見表3．氣孔的形成不但會降低焊縫的致密性，減少接頭的承截面積，而且使接頭的強(qiáng)度、塑性降低，特別是大幅降低冷彎角和沖擊韌性．因此，有必要深入了解氣孔的成因，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)措施以提高焊接質(zhì)量．

表3 鋁焊縫中各種氣孔的特征及形成原因[1]Table 3 Characteristics and causes of the various pores in the aluminum weld

普遍認(rèn)為氣孔的形成與鋁合金焊縫中存在的氫有密切的聯(lián)系．氫的溶解度隨著溫度的下降而劇烈減少．因此，在焊縫凝固速率過快，氣泡來不及浮出焊縫金屬表面時，就會形成氣孔．X射線探傷和解剖的結(jié)果表明①黃漢中:《鋁及鋁合金焊接缺陷及其對策》，《廣石化科技》，1996年第4期，第58頁.，焊縫長度方向的氣孔形態(tài)大致分為三類．第一類是分布較為集中的小氣孔群，有時小氣孔群還摻雜著少量大氣孔，主要分布在焊接開始的起弧處或附近區(qū)域，并且位于焊縫與母材之間的熔合區(qū)內(nèi)．第二類為孤立分布的大氣孔，這種氣孔最為常見，大多數(shù)分布在焊縫內(nèi)部，并且一般在焊縫的中部．第三類為鏈狀分布的氣孔群，或稱為蜂窩狀氣孔，這種氣孔在熔合區(qū)內(nèi)以及焊縫內(nèi)部同時出現(xiàn)．該類氣孔的產(chǎn)生也往往使焊縫的氣孔總量急劇地增加，但一般并不常見①．按氣孔在焊縫截面內(nèi)的形態(tài)可分為彌散氣孔、根部鏈狀氣孔和熔合區(qū)氣孔．

圖1 焊接電壓與焊縫氣孔量的關(guān)系Fig.1 Effect of welding voltages on amount of pores in welding seam

3.2.2 產(chǎn)生氣孔的因素

（1）平均電弧電壓．焊接時的平均電弧電壓（Um）和焊縫中的氣孔有較密切關(guān)系①黃漢中:《鋁及鋁合金焊接缺陷及其對策》，《廣石化科技》，1996年第4期，第58頁.，見圖1．電弧電壓較低時焊縫中的氣孔量較多，而且從形態(tài)看，上述三類氣孔的數(shù)量都較高，其中對于SA1Si5焊縫鏈狀氣孔數(shù)量的比例更大一些．這是因為當(dāng)電弧電壓很低時，一方面陰極霧化區(qū)變小，焊縫區(qū)域的氧化膜不能充分破碎凈化，把原表面的氫帶入熔池；另一方面電壓過低使電弧難以穩(wěn)定，飛濺增大，保護(hù)氣體的保護(hù)狀態(tài)被破壞，使周圍的空氣卷入電弧空間，造成熔池中氫濃度增加，熔池中過量的氫在冷卻過程中因無法及時析出而殘留在焊縫金屬中形成氣孔．隨著電弧電壓的提高，焊縫中的氣孔數(shù)量明顯下降．當(dāng)用SA1Si5焊絲焊接的Um=21V或用SA1Mg5焊接的Um=22 V時，焊接電壓處在最佳點，熔滴過渡以射滴過渡為主，電弧極為穩(wěn)定，保護(hù)效果好，氧化膜的破碎寬度大大增加．當(dāng)電弧電壓提高到24～26 V時，這一范圍內(nèi)焊縫中的氣孔處于最低值．

（2）焊嘴高度對氣孔影響顯著．例如使用SA1Si5焊絲焊接時，焊嘴高度從10 mm增加到15 mm時，平均氣孔量從2.5個/單位增加到3.9個/單位．這是因為焊嘴增高使焊絲的干伸長度增加，焊絲端部溫度升高，使熔滴的吸氬量增加；另一方面焊嘴提高使空間加大，保護(hù)氣體的保護(hù)效果減弱，這也會使吸氫量增加，從而使氣孔量增加．

（3）焊前對焊件及焊絲的處理好壞是影響焊縫中氣孔的重要因素．

（4）大氣中的濕度（絕對濕度）及氬氣的露點也是導(dǎo)致焊縫中氣孔增多的原因．為了獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，大氣相對濕度應(yīng)控制在80%以下．從相關(guān)統(tǒng)計資料可知，當(dāng)氬氣的露點在-40℃以下時，氣孔率極低[1]．

3.2.3 預(yù)防產(chǎn)生氣孔的措施

（1）正確選擇工藝規(guī)范參數(shù)，如盡量采用高的輸入熱量（取決于焊接電流、電弧電壓及焊接速率），有利于減小焊接熔池溶解的含氫量，延長熔池存在時間，為氫氣泡逸出提供條件．

（2）增大焊接電流能改善根部的焊透程度，增加熔池的攪動，使根部的氣泡容易逸出．

（3）焊接厚板（10 mm以上）時采用鎢極雙面同步氬弧焊法，有利于增加氬氣保護(hù)效果和熔池攪拌作用，減少空氣侵入熔池，有利于氫氣從熔池中分離出去．

（4）對工件進(jìn)行預(yù)熱，不但可減少接口坡度表面上的水分，而且也可以降低熔池的冷卻速度，改善氣體逸出條件．

（5）對焊件坡口兩側(cè)及坡口根部進(jìn)行機(jī)械清理或化學(xué)清理，重要產(chǎn)品還應(yīng)拋光，焊絲進(jìn)行仔細(xì)清洗，并烘干．清洗后到使用的時間間隔不得超過8 h，焊絲表面應(yīng)潔白光亮，不得有腐蝕斑點．

（6）必須采用高純度（純度≥99.96%以上）氬氣，氣體管路系統(tǒng)要經(jīng)常檢查，保持干燥，不得有泄露現(xiàn)象，以免混入潮濕空氣．

（7）優(yōu)選焊接方法，鎢極氬弧焊的氣孔敏感性低于熔化極氬弧焊，因為熔化極氬弧焊存在熔滴過渡過程，穩(wěn)定性較差，大氣易進(jìn)入弧柱區(qū)，溶氫量較多．

表4 AlMg3焊縫返修和金相組織Table 4 The welded joints rewelding and microstructure of AlMg3

4 鋁及鋁合金焊縫返修后對焊縫性能的影響

鋁及鋁合金焊縫返修后，對其焊縫性能影響較明顯．ALMg3焊件的試驗結(jié)果列于表4．

表4的實驗結(jié)果表明，焊接試樣中焊縫、熱影響區(qū)、母材的組織均未出現(xiàn)β相增大及（α+β）相（二元共晶相）．隨著返修次數(shù)的增多，焊縫中的鑄態(tài)組織也隨著增多，熱影響區(qū)中的β相粒度也逐漸增大，并出現(xiàn)（α+β）二元共晶相沿晶界分布，焊縫的抗腐蝕性下降，機(jī)械性能亦有所下降．故應(yīng)優(yōu)化焊接工藝，確保焊接質(zhì)量，盡量避免返修．

5 結(jié)論

（1）工程上鋁及鋁合金常用的幾種焊接方法最易出現(xiàn)的缺陷是裂紋和氣孔，應(yīng)避免鋁及鋁合金焊接出現(xiàn)氣孔和裂紋．

（2）鋁及鋁合金焊接氣孔主要源于氫氣．焊接時控制氫氣來源是減少氣孔的主要措施，包括焊接材料、焊接氣體、坡口清理、焊接規(guī)范、操作技術(shù)等的控制．

（3）產(chǎn)生裂紋的主要原因是結(jié)構(gòu)剛性、母材雜質(zhì)、焊接規(guī)范、操作技術(shù)等，對此，合理選材、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、選好規(guī)范是防止出現(xiàn)裂紋的主要措施．

（4）焊縫返修會導(dǎo)致鑄態(tài)組織增多，晶粒度粗大，焊縫抗腐蝕性及機(jī)械性能下降．因此焊接時控制好質(zhì)量，避免焊縫出現(xiàn)返修．

[1]顧曾迪.有色金屬焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Analysis and prevention of several common defects during aluminum and aluminum alloy welding in the engineering applications

ZHENG Shida，YI Yaoyong，YI Jianglong
Institute of Welding Technology,Guangdong General Research Institute for Industrial Technology（Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals）,Guangzhou510650,China

This article describes the main methods and several common defects produced in the engineering applications of aluminum and aluminum alloy welding.In order to avoid welded joints repairing,this article focuses on the analysis of causes and proposes prevention measures for the defects of air hole and crack,which are the most common and scabrous defects.

aluminum and aluminum alloy；applications；welding defects analysis；prevention

TG47

A

1673-9981(2012)03-0198-06

2012-08-17

鄭世達(dá)（1961-），男，廣東人，高級工程師，本科.