铝镁的焊接工艺及技巧

铝镁合金焊缝中的气孔主要是由氢引起的。氢的来源有:焊丝和板材中溶解的氢及 其表面氧化膜吸附的结晶水；氩气中的氢和湿气；焊接时由于保护不好空气中的氢和水气进入焊 接熔池等。氢在铝的熔点温度下溶解度发生突变，并随温度增加而急增。铝镁合金在焊接时，焊 缝中能否产生气泡首先取决于溶入氢的浓度，在溶入氢的浓度小于0.69 cm/100g 时，形成气泡 的可能性极小。但在实际焊接过程中，由于某些因素控制不严，在电弧高温作用下，溶解于铝中 氢的浓度就会大于0.69 cm/100g，此时气孔的产生主要取决于结晶速度：当结晶速度快到恰好 抑制了气泡的形成，则氢只能饱和固溶于焊缝金属中，而不以气泡形式逸出，气孔就会发生；当 结晶速度足够慢，已形成的氢气泡来得及逸出焊缝溶池时，也不会形成气孔；当结晶速度正好使 气泡能够形成而来不及逸出时便产生气孔。其次铝镁合金的导热性强，在同样的工艺条件下其熔 合区的冷却速度是钢的4~7倍，不利于气泡的浮出，实际冷却条件下是非平衡状态。实际生产中 发现铝镁合金对氢的溶解度较大，对气孔的敏感性比纯铝低，出现的气孔比较少。 弧柱气氛中水分弧柱空间总是或多或少存在一定数量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的环境里进行焊接时，由 弧柱气氛中的水分分解产生的氢，溶入过热的熔融金属中，是焊缝气孔产生的主要原因。 弧柱气氛中的氢形成焊缝的气孔还与其在铝镁合金中溶解度的变化特性有关，如图3-1所示。在 平衡状态下，氢的溶解度沿图中的实线发生变化，在凝固点时可从0.69 mL/100g 突降到 0.036mL/100g，相差约20倍（在钢中只差不到2倍），这就是形成气孔的重要原因之一。况且铝镁 合金的导热性很强，在同样的工艺条件下，熔合区的冷却速度是高强钢的4~7倍，不利于气泡的 浮出，更易促使形成气孔。而在实际的冷却条件下是非平衡状态，溶解度变化沿a 间溶解度差所造成的气泡数量虽然不多，但可能来不及逸出，而在上浮途中被“搁浅”，形成粗大而孤立的“皮下气孔”；同样，若 冷却速度较小，从a 到b’气孔虽然多一些，但可能来得及聚合浮出，在凝固点时，由于溶解度 突变 c’)，伴随着凝固过程可在结晶的枝晶前沿形成许多微小气泡，枝晶晶体的交互生长致使气泡的生长受到限制，并且不利于浮出，因而可沿结晶的层撞线形成均布形式的 小气孔，称为“结晶层气孔”。 不同的合金系统，对弧柱气氛中水分的敏感性不同，纯铝对气氛中水分最为敏感。Al-Mg 合金含 Mg 量增高，氢的溶解度和引起气孔的临界分压PH2均随之增大，因而对吸收气氛中水分不太敏感。 相比起来，仅对气氛中水分而言，同样焊接条件下，纯铝焊缝产生气孔的倾向要大些。 不同的焊接方法，对弧柱气氛中水分的敏感性也是不同的。TIG 或MIG 焊接时氢的吸收速率和吸 收数量有明显差别。在MIG 焊接时，焊丝是以细小熔滴形式通过弧柱而落入熔池，由于弧柱温度 最高，且熔滴比面积很大，熔滴金属显然最有利于吸收氢；而TIG 焊接时，主要是熔池金属表面 与气体氢反应，因其比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIG 焊时有利。同 时，MIG 焊的熔池深度一般大于TIG 焊时深度，也不利于气泡的浮出。所以，MIG 焊焊接时，在 同样的气氛条件下，焊缝气孔倾向要比TIG 焊时大些。 氧化膜中水分在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已经尽量加以限制，这时，焊丝或工件的氧化膜中所吸 附的水分将是生产焊缝气孔的主要原因。而氧化膜不致密、吸水性强的铝合金，要比氧化膜致密 的纯铝具有更大的气孔倾向。这是因为铝镁合金的氧化膜是由Al2O3和MgO 所构成，而MgO 越多， 形成的氧化膜越不致密，因而更容易吸附水分。 MIG焊接时，焊丝表面氧化膜的作用将具有重要意义。MIG 焊接时，由于熔深较大，工件端 部的氧化膜迅速熔化掉，有利于氧化膜中水分的排除，坡口氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多了。 焊丝表面氧化膜的清理情况对焊缝含氢量的影响是比较大的， Al-Mg 合金焊丝，则其影响更显 著。实践表明，在严格限制弧柱气氛水分的MIG 焊接条件下，用Al-Mg 合金焊丝比用纯铝焊丝时 具有较大的气孔倾向。 TIG 焊接时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜中所吸附的水分，常常是产生 焊缝气孔的主要原因。这种氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。在刚刚形成熔 池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并 在氧化膜上萌生出气泡；由于气泡是附着在残留氧化膜上，不容易脱离浮出，而且还因气泡是在 熔化的早期形成的，有条件长大，所以常常造成集中形式的大气孔。这种气孔在焊缝根部有未熔 合是就更严重。坡口端部氧化膜引起的气孔，常常沿着熔合区原坡口边缘分布，且内壁呈氧化色 彩，是其重要特征。由于Al-Mg 合金比纯铝更容易形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg 合金比纯铝更容易产生这种集中形式的氧化膜气孔。为此，焊接铝镁合金时，焊前必须特别仔细 地清理坡口端部的氧化膜。 顺便提到，母材表面氧化膜也会在近缝区引起“气孔”，主要发现于Al-Mg 合金气焊的条件下， 实际上用气焊火焰沿板表面加热一道后，也能看到这种现象。这种“气孔”往往以表面密集的小 颗粒状的“鼓泡”形式呈现出来，也可认为是“皮下气泡”。关于这种“气孔”的产生机理，还 没有比较合理的解释。 材料特性由于液态铝在高温时能吸收大量的氢，冷却时氢在其中的溶解能力急剧下降，在固态时又几乎不 溶解氢，致使原来溶于液态铝的氢大量析出，形成气泡。同时，因铝及铝合金密度小、导热性很 强，不利于气泡的逸出，因此，铝及铝合金焊接易产生气孔。此外，铝镁合金化学活泼性强，表 面极易形成熔点高的氧化膜Al2O3和MgO，由于MgO 的存在，形成的氧化膜疏松且吸水性强，这 就更难避免焊缝中产生密集气孔。用TIG 焊，虽然负半周瞬间氩离子对氧化膜具有“阴极雾化” 作用，但并不能去除氧化膜中的水分，因而铝镁合金焊接比纯铝具有更大的气孔倾向。 氩气的流量与纯度氩气的流量是影响熔池保护效果的一个重要参数。流量过小，氩气挺度不够，排除周围空气能力 弱，保护效果差。但是流量过大，不仅浪费氩气，而且会引起喷出气流层流区缩短，紊流区扩大， 将空气卷入保护区，反而降低了保护效果，使焊缝易产生气孔。这一点在现场施焊时，往往被忽 视。因此，必须选择合适的氩气流量。氩气流量与喷嘴直径大小有关。氩气的纯度对焊接质量也 有较大的影响。氩气纯度低、杂质多，可增加弧柱气氛中氢的含量，同时也降低“阴极雾化”效 焊接工艺焊件坡口准备、组对方式和焊接工艺参数的选择对防止气孔产生至关重要。焊件组对时根部留有 间隙，可使氧化膜有效地暴露在电弧作用范围内。改变焊接参数可影响气体逸出和溶入熔池条件。 焊接速度过慢，熔池保留时间长，增加氢的溶入量；焊接速度较快，易产生未焊透和未熔合缺陷。 实践证明，采用较快的焊接速度，并配以较大的焊接电流，可有效防止气孔的产生。增大焊接电 流不仅能保证根部熔合，而且能增加电弧对熔池的搅拌作用，有利于根部氧化膜中气泡的浮出， 从而减少气孔的产生。 焊接操作技术掌握熟练的操作技能也是防止气孔的一个重要环节。铝镁合金管道现场焊接位置一般为全位置焊 接，施焊时金属熔池所处空间位置不断改变，操作难度较大。但焊枪与工件表面后倾角不能随熔 池位置的改变而任意改变。若夹角过小，其内侧产生紊流，外侧则氩气挺度不够，气体保护熔池 效果差。水平管仰焊接头部位可采用交叉接头法，以避免接头部位产生密集气孔。此外，钨极伸 出长度过长、电弧过长或不稳等，都可能造成保护气体的污染而使焊缝产生气孔。 其它影响因素除上述因素外，还应注意环境因素等方面的影响。在高湿度的环境下，焊丝或输氩管内壁易吸附 结晶水。因此，环境相对湿度愈低愈好。环境温度低于5C 施焊时要预热。