摘要：CO2氣體保護焊焊縫中氣孔類型可以歸納為兩大類（冶金反應(yīng)型和析出型），氣孔的性質(zhì)分別為CO氣孔、氫氣孔及氮氣孔。氣孔的形成由氣泡生核、長大、逸出三個階段組成。CO2氣體保護焊對氣孔的敏感性是該工藝方法冶金特性所決定的。在工藝影響因素中，對氣孔傾向影響較大的主要是焊接電流、電弧電壓、氣體流量、電源極性及焊接速度?！?焊接飛濺小與氣孔傾向大 ”的不協(xié)調(diào)關(guān)系，與熔滴過渡形態(tài)及熔滴攜帶氣體行為相關(guān)。嚴格控制焊材成分、母材成分及坡口清潔度是控制焊縫中氣孔的必要條件，而采用正確的工藝參數(shù)、輔助工藝及操作技術(shù)則是控制氣孔的充分條件。

關(guān)鍵詞：焊縫中氣孔;CO2氣體保護焊;氣泡浮出速度理論; 氣體氧化性

中圖分類號：TG444+.73 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0018-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.04

0 ? ?前言

CO2氣體保護焊是一種重要的、高效的自動化焊接方法，在主要工業(yè)國家中被廣泛應(yīng)用于造船、汽車、管道、壓力容器及金屬結(jié)構(gòu)制造等工業(yè)部門。盡管CO2氣體保護焊存在飛濺大、氣孔敏感、氧化性強等缺點;盡管經(jīng)過數(shù)十年的生產(chǎn)實踐及潛心研究，在控制CO2氣體保護焊焊接飛濺等方面研發(fā)了多種新技術(shù)，如采用混合氣體、藥芯焊絲、STT技術(shù)、CMT技術(shù)及磁控技術(shù)等，可以說在控制焊接飛濺方面取得了決定性進展。然而，在一些工業(yè)應(yīng)用部門，這些控制焊接飛濺的新技術(shù)并沒有完全取代純CO2氣體保護焊。換言之，使用純CO2的氣體保護焊依然異?；钴S。更有報道，在日本GMAW方法中使用CO2幾乎取代了典型的Ar+CO2混合氣體。與此同時，美國的焊工已經(jīng)認識到，使用純CO2的GMAW可以獲得與使用Ar+CO2混合氣體GMAW一樣高的焊接質(zhì)量[1]。究其原因：一是CO2氣體保護焊設(shè)備簡單、控制系統(tǒng)不太復雜;二是CO2氣體氣源方便、價格低廉;三是焊接接頭性能滿足使用要求（CO2保護焊熔深較深，很少發(fā)生因熔深不足而導致的焊接缺陷）;四是焊接飛濺通過匹配的焊絲及合理的工藝參數(shù)被控制在一個合理的可接受水平或程度。總之，“ 合于使用 ”和價格優(yōu)勢是該工藝方法被廣泛應(yīng)用的主要原因。關(guān)于焊縫中氣孔問題涉及的影響因素較多，還有一些未知的機理需要探索，有必要繼續(xù)開展氣孔理論研究。迄今為止，介紹CO2氣體保護焊焊縫氣孔原因及防止措施的文獻較多，但基于“ 氣泡浮出速度理論 ”專題性探討CO2氣體保護焊焊縫中氣孔傾向的文獻甚少。為此，文中將焊縫中氣孔與“ 氣泡浮出速度理論 ”相聯(lián)系，探討氣孔性質(zhì)、形成機理及影響因素，建立焊接飛濺與氣孔的關(guān)系，進而歸納氣孔控制原理。該項研究對進一步完善CO2氣體保護焊冶金理論，揭示CO2氣體保護焊焊縫氣孔形成機理與冶金、工藝因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，促進控制氣孔技術(shù)的新突破，提供了一定的理論分析基礎(chǔ);對CO2氣體保護焊進一步推廣應(yīng)用，具有一定參考價值和理論意義。

1 氣孔形成機理的“ 氣泡浮出速度理論 ”概要

所謂氣泡浮出速度理論，是早期（20世紀60年代或更早時期）氣孔形成機理研究的經(jīng)典理論，一直沿用到現(xiàn)在，仍不失其指導意義。該理論認為[2-4]，焊縫中氣孔的形成是冶金過程，它由氣泡的生核、長大和上浮三個階段組成。當液態(tài)金屬中有過飽和的氣體，熔池中存在大量現(xiàn)成表面時，氣泡的生核就比較容易。當氣泡內(nèi)部的壓力大于阻礙氣泡長大的外部壓力時，氣泡就要長大，并趨向外逸。當氣泡的浮出速度νe小于或等于焊縫的凝固速度R時，就可能殘留在焊縫中形成氣孔（見圖1）。氣泡的浮出速度νe隨氣泡半徑r、液態(tài)金屬與氣泡密度差（ρ1-ρ2）的增加而增加，隨液態(tài)金屬粘度η增加而減小：

式中 νe為氣泡浮出速度（單位：cm/s）;ρ1為液態(tài)金屬的密度（單位：g/cm2）;ρ2為氣體的密度（單位：g/cm2）;g為重力加速度（單位：980 cm/s2）;r為氣泡的半徑（單位：cm）;η為液態(tài)金屬的粘度（單位：Pa·s）。

可以看出，焊縫的凝固速度越大，越不利于氣泡的浮出，越易于引起氣孔。氣泡的半徑r越大，液態(tài)金屬的密度ρ1越大，液態(tài)金屬的粘度η越小時，氣泡的上浮速度νe也就越大，焊縫中就不容易產(chǎn)生氣孔。

分析認為，氣孔生成的必要條件是進入熔池中的氣體。顯然，CO2保護氣體中攜帶的水分以及冶金反應(yīng)生成的CO氣體是首當其沖的，其次是焊縫坡口附近的鐵銹、油污和水分等雜質(zhì)（含氧化鐵皮），還有焊絲表面攜帶的水分等。在氣體進入熔池前提條件下是否形成氣孔？ 冶金因素，即 “ 氣泡浮出速度理論 ”對氣孔形成起了重要作用?？梢?，熔池結(jié)晶速度大于氣泡逸出速度應(yīng)當是氣孔形成的充分條件。鑒于CO2氣體保護焊的三個冶金特點：①明弧、無渣保溫，以及CO2高溫分解吸熱作用致使熔池冷卻速度快;②焊接時電流密度大，熔池熔深較深，氣體逸出路徑變長;③在熔滴、熔池中冶金反應(yīng)：[FeO]+[C]→[Fe]+CO，產(chǎn)生了大量CO。熔池結(jié)晶時，氣泡逸出條件差，因此焊縫具有較大的氣孔敏感性。

2 CO2氣體保護焊焊縫中氣孔的類型及性質(zhì)

CO2氣體保護焊焊縫中的氣孔類型較多（見表1），有表面氣孔，也有內(nèi)部氣孔;有單個出現(xiàn)的，也有鏈狀（串珠式）出現(xiàn)的，更有成堆密集出現(xiàn)的。氣孔的尺寸不一，最大的直徑大于2.0 mm，最小的只有針孔般大小，其中2.0 mm左右的居多。從氣孔所處部位看，有位于焊縫中心線附近的，也有在焊縫表面隨機分布的。氣孔的形貌特征有呈喇叭口形的，也有呈條蟲狀的，更有呈蜂窩狀的。按照氣孔的形成特點，CO2氣體保護焊焊縫中的氣孔可以分為兩種類型：冶金反應(yīng)型和氣體逸出型（析出型）。（1）冶金反應(yīng)型氣孔主要是內(nèi)氣孔，呈條蟲狀臥在焊縫內(nèi)（條蟲壓痕形），亦有表面氣孔（見圖2a[5]）。該類氣孔性質(zhì)屬于CO氣孔。（2）氣體逸出型（析出型）又分為兩種：一是呈喇叭口形，具有光滑內(nèi)壁的表面氣孔（偶有內(nèi)部氣孔）（見圖2b[5]），該類氣孔性質(zhì)屬于氫氣孔;二是成堆出現(xiàn)、蜂窩狀表面氣孔（見圖2c），該類氣孔性質(zhì)屬于氮氣孔。此外，對于涂有底漆鋼板CO2氣體保護焊焊縫中的氣孔形態(tài)（見圖3[6]）的判別比較復雜，氣孔外觀形態(tài)類似于氫氣孔，如圖3b所示。該類氣孔性質(zhì)屬于混合氣體型氣孔，具有氣體逸出型（析出型）形成特點。再有鍍鋅板CO2氣體保護焊焊縫中的氣孔形態(tài)，其表面氣孔的形貌亦類似于氫氣孔，如圖4所示[7]。該類氣孔性質(zhì)亦屬于氣體逸出型（析出型）氣孔。

3 CO2氣體保護焊焊縫中氣孔形成機理及影響因素

3.1 焊縫中氣孔形成機理

CO2氣體保護焊焊縫中氣孔形成機理如表2所示?？梢钥闯觯瑢τ贑O性質(zhì)氣孔，其形成機理是：在熔滴、熔池中冶金反應(yīng)[FeO]+[C]→[Fe]+CO，產(chǎn)生了大量CO，在結(jié)晶過程中，熔池結(jié)晶速度R大于氣泡逸出速度νe時，氣泡來不及逸出，形成CO氣孔。對于氫氣孔，其形成機理是：高溫時熔滴或熔池吸收了大量氫，冷卻時氫的溶解度急劇下降，熔池結(jié)晶速度R大于氣泡逸出速度νe時，氣泡來不及逸出，形成氫氣孔。對于氮氣孔，其形成機理是：高溫時熔滴或熔池吸收了大量氮，冷卻時氮的溶解度急劇下降，熔池結(jié)晶速度R大于氣泡逸出速度νe時，氣泡來不及逸出，形成氮氣孔。3種氣孔形成機理的共同點是：高溫進入熔池的氣體，冷卻時需要上浮排出（逸出），但熔池結(jié)晶速度R大于氣泡逸出速度νe時，分別形成3種形態(tài)各異的氣孔。不同點是進入熔池氣體類型不同和來源不同，前者是熔滴、熔池冶金反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體，而后者是被攜帶或侵入熔池的氣體。對于涂有底漆鋼板出現(xiàn)的形態(tài)類似于氫氣孔，其形成機理是：底漆加熱分解后可析出多種氣體，主要是氫和CO，其中氫的含量遠高于CO，而且易溶于熔池金屬;冷卻時進入熔池的混合氣（H2+CO）的溶解度急劇下降，熔池結(jié)晶速度大于氣泡逸出速度時，氣泡來不及逸出，形成類氫氣孔。至于氣孔位于焊縫內(nèi)部還是表面，其實它們的形成具有同源性，即焊縫中的氣體及其逸出行為是其根源。當氣體從焊縫金屬中逸出被阻止于焊縫中，就形成了內(nèi)氣孔（見圖3a）;但氣體從焊縫金屬中逸出被困于焊縫表面（薄層熔渣下面），就形成了表面氣孔（見圖2b、圖3b）;當氣體從焊縫金屬中逸出在表面聚集時，就形成了臥姿條蟲狀表面氣孔（見圖2a）。

鍍鋅板CO2氣體保護焊焊縫中氣孔形成機理如圖5所示[7]?？梢钥闯?，熔池附近的鋅層在電弧熱的作用下氧化成ZnO并形成ZnO蒸氣，進入焊縫底部凝固界面，此為氣孔形成的第一階段，即氣泡形核階段;隨著進入焊縫底部氣體數(shù)量增多，氣泡內(nèi)壓力增大，氣泡迅速長大，此為第二階段;氣泡經(jīng)過短暫的長大過程，上浮向外逸出，此為第三階段。當氣泡的浮出速度νe小于或等于焊縫的凝固速度R時，就可能殘留在焊縫中形成氣孔（見圖4）。

3.2 氣孔影響因素（參見表3）

3.2.1 冶金因素的影響

①冶金反應(yīng)的影響。CO2高溫分解吸熱作用致使熔池冷卻速度快;CO2焊接電流密度大，熔深較深，氣體逸出路徑變長;再加上CO2氣體的氧化性，高溫分解的CO2數(shù)量多，況且熔池中存在[FeO]+[C]

→[Fe]+CO反應(yīng)。上述不利因素導致對氣孔敏感。

②焊絲及母材成分的影響。采用低C含量（小于0.10%），以及Si、Mn等元素脫氧后的焊絲，減弱CO2的氧化作用之后，引起氣孔的另一個主要因素便是侵入焊接區(qū)的氫氣和氮氣。氫主要來源于兩個方面：一是焊絲表面上的，或是工件表面上的油污和鐵銹等;二是CO2氣體中所含的水分。而且后者往往是侵入焊接區(qū)氫的主要來源。通常情況下，由于CO2氣體的氧化性，CO2氣體保護焊對鐵銹、水分并不敏感，但并不是所有情況下都不出氫氣孔。

③保護氣體成分的影響。為了考察保護氣體成分對氣孔敏感性的影響，采用φ1.2 mm實心焊絲（YGW 12）、300 A焊接電流和相應(yīng)電弧電壓條件下進行了不同保護氣體成分的氣孔敏感性試驗[8]。保護氣體成分比例對氣孔的影響如圖6所示?？梢钥闯?，隨著保護氣體中Ar含量的增加，焊縫中氣孔數(shù)量增多。當Ar含量較小時，氣孔數(shù)量增加傾向較小;當Ar含量超過50%時，氣孔數(shù)量明顯增多。同時，電弧電壓的波動對氣孔數(shù)量亦有影響?；航档拖噍^于弧壓增高，氣孔數(shù)量反而增多。對于圖6中曲線隨Ar/CO2比值上升趨勢，同樣可以運用“ 氣泡浮出速度理論 ”予以解釋。在圖6試驗條件下，當保護氣中Ar含量超過50%或達富氬時，熔滴已呈現(xiàn)噴射過渡形態(tài)，焊縫的熔深已經(jīng)成為指狀，被圍困在熔池中央深而窄凹陷部分的氣體無法完全浮起，很容易生成氣孔。在純CO2保護氣焊接時，焊縫斷面形狀不可能形成指狀，況且短路過渡對熔池的攪拌作用使熔池中的氣泡容易浮出，難以形成氣孔。對于富氬保護氣時降低弧壓氣孔數(shù)量增大，則是由于低的電弧電壓使電弧的穩(wěn)定性受到干擾（熔滴短路后電弧的長度會急劇增加），保護氣體被卷入熔池所致?？梢?，純CO2保護氣焊接時抗氣孔性以及弧壓波動的影響均優(yōu)于富氬混合氣體保護的。

3.2.2 工藝因素的影響

①焊接電流。焊接電流較小時，冶金反應(yīng)不劇烈，飛濺不大，熔池體積較小;當焊接速度較快時，熔池存在時間較短，氣體逸出條件不是太好，對氣孔產(chǎn)生存在敏感性。當電流較大或很大時，熔滴非軸向性增大，電弧不穩(wěn)，盡管熔滴被細化，但進入熔池中的氣體數(shù)量增多[9]，且隨熔深的增大，氣體逸出條件變差，氣孔敏感性增大。

②電弧電壓。電弧電壓愈高，空氣侵入的可能性愈大，進入熔池中氮的數(shù)量增多，容易出氮氣孔。

③焊接速度。主要影響氣體逸出條件。焊接速度較慢時，熔池存在時間長，有利于氣體逸出，不致形成氣孔。反之，對氣孔敏感。

④氣體流量。影響電弧區(qū)氣體的氧化性。流量愈大，氧化性愈強。適當改變流量在一定程度上對消除氣孔是有效的。但是流量過小，保護不好，易出氮氣孔;流量過大，出現(xiàn)紊流，卷入空氣，同樣易出現(xiàn)氮氣孔。

⑤電源極性。直流反接時，熔池表面有大量電子，使被電離的氫離子中和為不易溶于金屬的原子態(tài)氫，減少了熔池中氫的溶解量，氣孔被減少; 反之，直流正接時，對氫氣孔敏感。

⑥干伸長。焊絲干伸長太長時，飛濺嚴重，電弧不穩(wěn)，熔滴尺寸增大，氣體保護效果變差，熔池中氣體數(shù)量增大，氣體逸出條件變差，氣孔傾向增大。干伸長太短時，飛濺容易堵塞碰嘴，惡化氣體保護效果，氣孔傾向也會增大。

⑦焊絲直徑。隨焊絲直徑增大，電流密度減小，熔滴的非軸向性增大，熔滴粗化，電弧不穩(wěn)。但進入熔池的氣體減少，而且熔深變得略淺，改善氣體逸出條件，氣孔傾向略有減小。

⑧回路電感量?；芈冯姼辛窟^大或過小，電弧都不穩(wěn)，進入熔池的氣體數(shù)量增大，逸出條件變差，氣孔敏感性增大。

⑨焊接位置。在2.3 mm厚的鍍鋅板搭接角焊縫中（搭接板間隙為0），采用脈沖MAG焊對水平和30°下坡兩種焊接位置進行試驗[10-11]，以考察焊接位置對氣孔敏感性的影響。圖7為角焊搭接試板示意圖，圖8為焊接位置與氣孔數(shù)量關(guān)系?？梢钥闯觯轿恢煤附訒r氣孔數(shù)量很小，而下坡焊接時氣孔數(shù)量是前者的4～9倍以上。究其原因，一是與鍍鋅板CO2氣體保護焊焊縫中氣孔形成機理有關(guān)（見圖5），二是很大程度上受到熔池形狀的控制，如圖9所示。由于焊接位置的不同，熔池的形狀亦有所不同。描述熔池形狀差別的主要指標是熔池后部尖端處B至電弧中心位置的距離γ。水平位置焊接時電弧先行，熔池在后，γ1較長，熔池表面積大，電弧的攪拌作用較強，熔池中的氣泡容易浮出，氣孔傾向小;反之，30°下坡焊接時出現(xiàn)熔池超前，電弧滯后現(xiàn)象，γ2較短，熔池表面積小，電弧的攪拌作用減弱，熔池中的氣泡不容易浮出，氣孔傾向大。此外，還與焊接熔池的深度等因素的影響有關(guān)[11]。

綜上，CO2氣體保護焊對氣孔的敏感性是該焊接方法冶金特性所決定的。正確選用焊絲成分固然可以防止或有效控制CO2的氧化作用，但必須指出，即使焊絲成分合理，也不能解決因工藝參數(shù)變化而引起的氣孔傾向等問題?？傮w上看，在非鍍鋅板條件下，對氣孔傾向影響較大的工藝因素主要是：焊接電流、電弧電壓、氣體流量、電源極性及焊接速度。

4 CO2氣體保護焊焊接飛濺與氣孔的關(guān)系

在非鍍鋅板條件下，CO2氣體保護焊存在飛濺大、氣孔傾向小，飛濺小、氣孔傾向大的不和諧關(guān)系（見表4）?？梢杂谩?熔滴過渡形態(tài)對氣孔的影響理論 ”[10-12]予以解釋。焊接飛濺以滴狀過渡形態(tài)時最嚴重。此時，電弧不穩(wěn)，熔滴的非軸向性強烈，熔滴尺寸很大，由于大顆粒的飛濺帶走了部分氣體，致使進入熔池的氣體總量減少;同時熔池中氣體逸出條件因飛濺對熔池的攪拌作用使氣泡易于浮出（盡管熔深大，上浮路徑長），氣孔傾向相對被減小。焊接飛濺以短路過渡形態(tài)時被減小。此時，電弧形態(tài)被改善，熔滴的非軸向性減弱，熔滴尺寸被減小，熔滴的比表面積增大，熔滴攜帶的氣體量增大，進入熔池的氣體總量增多，如果熔池中氣體逸出條件依舊，焊縫中氣孔傾向增大。只有當熔池中氣體逸出條件被改善，如減慢焊接速度，使熔池存在時間變長，或增強熔池攪拌程度，促使氣泡上浮速度加快，才有可能使氣孔傾向明顯降下來?？梢哉f，焊接飛濺與焊縫中氣孔之所以發(fā)生關(guān)系，均與熔滴攜帶氣體行為相關(guān)。

5 CO2氣體保護焊焊縫中的氣孔控制原理

對于CO2氣體保護焊焊縫中氣孔，可以考慮從以下幾個工藝途徑進行控制（見表5）。首先是焊接材料的質(zhì)量控制。對焊絲而言，化學成分的控制主要是C元素，以及Si、Mn、Ti元素。前者為的是控制CO生成數(shù)量，后者為的是控制脫氧效果。對焊絲表面質(zhì)量的控制，主要是控制表面水分要少。對保護氣體質(zhì)量的控制，要求氣體中雜質(zhì)含量要少，尤其是水分含量要極少。最終目的是控制焊縫中氣體來源，使進入熔池中的氣體總量減少，形成氣孔傾向減小。第二，母材成分及坡口清潔度的控制。對母材而言，C元素含量要低，為的是控制熔池中的CO生成量。清除坡口附近鐵銹、油污和水分等雜質(zhì)，以防止這些有害物侵入熔池。最終目的仍然是控制焊縫中氣體來源，以減少氣孔傾向。第三，工藝參數(shù)的控制。正確選用所涉及的多種焊接參數(shù)及參數(shù)匹配關(guān)系，控制進入熔池中的氣體數(shù)量，同時改善氣體逸出條件，最大限度減小氣孔傾向。第四，輔助工藝控制。對于某些拘束度較大的工件，采用適當?shù)墓ぜA熱或緩冷等輔助工藝，延長熔池存在時間，改善氣體逸出條件，減小氣孔傾向。第五，焊接操作技術(shù)，包括正確的焊槍角度、運絲方式（如橫向擺動等）、防風措施等。這些技術(shù)或者改善氣體逸出條件，或者防止空氣侵入熔池，總之在一定程度上可以減小氣孔傾向。

不難看出，表5所列前2條工藝措施是從源頭上控制氣體進入熔池的數(shù)量， 使其最小;而后3條措施是在限制氣體進入熔池前提條件下，主要是改善氣體從熔池逸出的條件。采用“ 一堵二排 ”，即從源頭上“ 堵截 ”氣體，又從熔池中“ 排放 ”氣體，所謂雙管齊下工藝措施。前者是控制氣孔產(chǎn)生的必要條件，后者則是控制氣孔產(chǎn)生的充分條件，二者缺一不可。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)氣孔形成機理，CO2氣體保護焊焊縫中氣孔類型可以歸納為兩大類（冶金反應(yīng)型和析出型），氣孔的性質(zhì)分別為CO氣孔、氫氣孔及氮氣孔。

（2）氣孔的形成由氣泡生核、長大、逸出三個階段組成，當氣泡的浮出速度小于或等于焊縫的凝固速度時，就可能殘留在焊縫中形成氣孔。

（3）CO2氣體保護焊對氣孔的敏感性是由該焊接方法冶金特性所決定的。在不可或缺的工藝影響因素中，對氣孔傾向影響較大的主要是焊接電流、電弧電壓、氣體流量、電源極性及焊接速度。

（4）“ 焊接飛濺小與氣孔傾向大 ”的不協(xié)調(diào)關(guān)系，與熔滴過渡形態(tài)及熔滴攜帶氣體行為相關(guān)。

（5）嚴格控制焊材成分、母材成分及坡口清潔度是控制焊縫中氣孔的必要條件，而采用正確的工藝參數(shù)、輔助工藝及操作技術(shù)則是控制氣孔產(chǎn)生的充分條件，二者缺一不可。

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