鋁合金MIG焊常見焊接缺陷分析及預(yù)防措施

李 會，郭繼祥，何小勃，侯振國，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 前言

軌道列車提速必然輕量化，因此具有密度小、比強度高、工藝性良好等特點的鋁合金在軌道車輛中得到了廣泛應(yīng)用。焊接是軌道車輛普遍采用的連接方法，焊接接頭是鋁合金結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部位，也是結(jié)構(gòu)失效的主要部位[1]，因此焊接質(zhì)量是保證軌道車輛安全的關(guān)鍵措施之一。鋁合金自身的特殊性質(zhì)導(dǎo)致焊后易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，對焊接接頭性能產(chǎn)生較大的影響[2]，目前高速列車鋁合金焊接主要采用MIG焊。在此結(jié)合生產(chǎn)實際，分析和總結(jié)了鋁合金MIG焊接過程中容易出現(xiàn)的缺陷，并提出預(yù)防措施和處理方法。

1 焊接缺陷產(chǎn)生原因、危害和預(yù)防措施

鋁合金MIG焊接常見缺陷有：裂紋、氣孔、未熔合、未焊透、燒穿、焊洇、錯邊、下塌、變形、咬邊等，如圖1所示。

圖1 鋁合金MIG焊常見缺陷

1.1 裂紋

裂紋是在焊接應(yīng)力及其他因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞形成新界面而產(chǎn)生的縫隙。裂紋主要出現(xiàn)在接頭部位、起弧和收弧部位以及拐彎的位置，厚板多層焊時還可能出現(xiàn)層間裂紋。

裂紋分冷裂紋和熱裂紋，鋁合金焊接中幾乎沒有冷裂紋，最常見的是熱裂紋。熱裂紋主要是由于晶界合金元素偏析或存在低熔點物質(zhì)引起的，熱裂傾向與鋁合金化學(xué)成分有關(guān)。鋁合金的高線膨脹系數(shù)、高收縮應(yīng)力、寬的熔化溫度區(qū)間導(dǎo)致焊縫易形成熱裂紋；焊接速度過大會增加焊接接頭的應(yīng)變速度，從而增大熱裂傾向；焊前、層間清理不徹底時，焊縫中的夾雜會成為裂紋源；氧化層常伴有高濕度，會誘發(fā)氫致裂紋；焊縫深寬比太大，尤其是仰角焊時，過窄的焊縫易產(chǎn)生裂紋；以及焊接填充金屬與母材不匹配、焊接熱輸入過大、焊縫設(shè)計不當引起焊接應(yīng)力過大、工件所受拘束度較大、坡口間隙不合適、定位焊時焊道長度和焊縫厚度過小、厚板（大于等于8mm）沒有按規(guī)定預(yù)熱等都易引起裂紋。

一般情況下，由于小裂紋并未達到臨界尺寸，結(jié)構(gòu)不會在運行后立即發(fā)生斷裂，但尖銳裂紋容易產(chǎn)生尖端缺口效應(yīng)、三向應(yīng)力狀態(tài)和溫度降低等情況，裂紋可能失穩(wěn)和擴展，疲勞載荷、腐蝕環(huán)境使裂紋等缺陷變得更尖銳，導(dǎo)致裂紋尺寸逐漸增大，加速其達到臨界值并最終造成結(jié)構(gòu)的斷裂。由于裂紋尖端的尖銳度比未焊透、未熔合、咬邊、氣孔等缺陷要尖銳得多，所以裂紋危害最大[3]。

為減少和避免裂紋缺陷，可采取改進接頭設(shè)計并避免選用熱裂傾向大的材料；在熱輸入合理的前提下，適當降低焊接速度；盡可能采用線型焊縫和小電流多層多道焊，加強散熱速度，以減小熔池過熱；采用熱能集中的焊接方法，防止形成方向性強的粗大柱狀晶，改善抗裂性；焊前清理和層間清理要到位；適當提高焊縫形狀系數(shù)，避免窄而深的焊縫；采用適應(yīng)母材特點的焊接填充材料；選擇合理的焊接順序，盡量允許工件部分自由收縮；對于高強度鋁合金焊接接頭，采用隨焊錘擊的方法可以改變焊接接頭的應(yīng)力分布；選擇合適的坡口間隙；合理的定位焊長度和厚度；母材較厚時要預(yù)熱（緩慢加熱和緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力）等措施。

1.2 氣孔

氣孔是指在焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而形成的空穴。鋁合金焊縫金屬內(nèi)的氣孔主要為氫氣孔。

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大，熔池冷卻快，不利于氣泡的逸出，而氫在鋁合金凝固點時的溶解度降低約20倍，這是焊接產(chǎn)生氣孔的主要原因；MIG焊時，弧柱溫度高，熔滴細小、比表面積大，易于吸氫，且熔池深度大于TIG焊，不利于氫氣逸出；再者，焊接現(xiàn)場空氣濕度較大；焊接材料、母材坡口及其邊緣吸附的水分、油污、氧化膜吸附的水分（尤其是自動焊焊道長，焊道處理較為困難，容易有處理不到位的地方而留有油污或水等，引起的粗大氣孔）；保護氣體流量過低或過高、純度不夠或有水分、保護氣體管路氣密性不好；焊槍角度不合理；雙面焊時清根不徹底、多層多道焊時層間清理不徹底；電弧不穩(wěn)或太長；在同一部位重復(fù)起弧，接頭太多；焊絲伸出長度過長、噴嘴與焊件距離過大；坡口根部間隙不合適；設(shè)計選用的鋁材氣孔敏感性大；焊接操作可達性差；焊槍噴嘴有飛濺物、破損；焊接區(qū)域的風(fēng)速超標或磁偏吹存在等都會導(dǎo)致氣孔。

氣孔易引起應(yīng)力集中，破壞焊縫金屬的致密性，減小焊縫有效截面，還可能促成冷裂紋、引起泄漏；過大的氣孔會降低焊縫的力學(xué)性能，尤其是焊縫的彎曲強度和沖擊韌性，在交變應(yīng)力作用下焊縫的疲勞強度顯著下降[4]。氣孔的存在量低于5%時，如果工作溫度不低于材料的塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度，則對結(jié)構(gòu)安全影響不大；進行表面處理時，表面氣孔會引起缺欠，且在部件服役過程中易演變?yōu)榱鸭y源。

減少和避免氣孔缺陷的措施有：在熱輸入滿足要求的前提下，通過降低焊速、提高焊接線能量、厚板時預(yù)熱等措施來增大熔池存在時間，便于氫氣逸出；控制焊接現(xiàn)場的空氣濕度；焊前清理坡口及其邊緣水分、油污和氧化膜；嚴格按規(guī)定保管焊接材料，使用合格的焊材；焊絲直徑盡可能大；使用純度達到要求的焊接保護氣體，按工藝評定要求，控制保護氣體流量、避免出現(xiàn)紊流，并使用氣密性良好的管路；焊槍角度正確；雙面焊時清根徹底、多層多道焊時層間清理徹底；電弧穩(wěn)定且不宜太長；盡量避免在同一部位重復(fù)起弧，需重復(fù)起弧時要打磨接頭；焊絲伸出長度、噴嘴與焊件間距離合適；坡口間隙合理；設(shè)計時選用對氣孔敏感性小的鋁材；焊接操作可達性好或有可能實施自動焊的結(jié)構(gòu)，以減少焊接接頭，避免手工焊頻繁引弧和熄弧引起氣孔；手工焊時盡量使用引弧板和收弧板；焊前清除噴嘴上黏附的飛濺物，以免混入水分；選擇合適的噴嘴直徑，及時更換破損的噴嘴；焊接時提前送氣，焊接完后延遲斷氣；控制焊接區(qū)域的風(fēng)速不大于1 m/s；避免磁偏吹等。

1.3 未熔合

未熔合是指在焊縫金屬和母材之間或焊道金屬之間未完全熔化和結(jié)合的部分。

造成未熔合的原因有：焊接電流過小、速度太快造成熱輸入不夠；焊槍角度不合理或焊槍沒有充分擺動；層間溫度太低；工件太厚；坡口形狀不合理、有死角；工件坡口及附近、層道間有氧化膜、油污；焊接時流入熔渣妨礙了金屬間的熔合；或存在磁偏吹等。

未熔合使焊縫承載面積減小，不能承受較高的靜載荷，引起的應(yīng)力集中大，在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源，其危害性僅次于裂紋；為避免出現(xiàn)未熔合，需選擇合適的焊接參數(shù)和焊槍角度；層間溫度合理；厚板進行預(yù)熱；坡口尺寸設(shè)計合理、避免死角；坡口及附近、層道間的污物和氧化膜清理徹底，并避免出現(xiàn)溝槽；減少磁偏吹。

1.4 未焊透

未焊透是指焊接時接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象。

未焊透的原因有：焊接電流過小、焊接速度太快等導(dǎo)致熱輸入太??；電弧過長；焊槍角度不正確；坡口角度太小、鈍邊太大；V形焊縫根部間隙太??；坡口有污物；電弧發(fā)生磁偏吹；雙面焊時背部清根不徹底、收弧電流太小等。

未焊透減少焊縫有效截面積；不能承受較高的靜載荷；且因未焊透引起應(yīng)力集中嚴重降低焊縫疲勞強度；未焊透在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源。為了避免未焊透必須選擇合適的焊接電流、焊接速度、電弧長度和焊槍角度；設(shè)計合理的坡口和鈍邊；嚴格控制裝配質(zhì)量；焊前清理氧化膜和油污；減少磁偏吹；雙面焊時清根徹底；盡量采用收弧板。

1.5 燒穿

燒穿是指焊接過程中，熔深超過工件厚度，熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔性缺陷。

在焊接過程中鋁合金熔池?zé)o明顯的色澤變化，判斷熱輸入大小有一定困難，且高溫下鋁的強度和塑性很低，易造成塌陷或燒穿[5]。焊接電流過大、速度太慢等導(dǎo)致熱輸入過大；焊前裝配間隙太大；Y形焊縫鈍邊太小；工件太薄；點固焊時焊點間距過大，焊接過程中產(chǎn)生較大的變形量等情況都易導(dǎo)致燒穿。

燒穿減小焊縫有效截面，嚴重降低力學(xué)性能。為避免燒穿，焊接時需選擇合適的焊接電流和速度等工藝參數(shù)；控制焊前裝配間隙；Y形焊縫鈍邊設(shè)計合理，必要時在焊縫背面加墊板；薄板焊接調(diào)整焊槍角度；點固焊間距合適；避免變形、錯邊等。

1.6 焊洇

單面焊時由于熱輸入過大，熔化金屬過多而使液態(tài)金屬向焊縫背面塌陷，成型后焊縫背面凸起，正面下塌的現(xiàn)象。

焊縫形式設(shè)計不合理；坡口角度太大；Y形焊縫鈍邊大小；焊接熱輸入過大；焊槍指向不合理；焊前裝配間隙大；工件薄等都易產(chǎn)生焊洇。

焊洇是圓滑的凸起，且尺寸不很大時，可以接受；但焊洇伴有縮孔和縮孔裂紋時，則會嚴重降低焊縫力學(xué)性能。為避免焊洇，必須設(shè)計合理的焊縫形式、坡口角度及鈍邊大?。贿x擇合適的焊接參數(shù)；焊槍指向正確；控制合理的焊前裝配間隙；工件薄時制定適合的工藝方案。

1.7 錯邊

錯邊是指兩個工件在厚度方向上錯開一定的位置。

產(chǎn)生錯邊的原因包括：原材料尺寸超標；裝配不符合要求；點固、打底及填充焊接過程中產(chǎn)生錯邊；焊縫交匯較多的結(jié)構(gòu)處易引起錯邊。

錯邊減小焊縫有效截面積；產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；影響焊縫在承載時的性能；錯邊引起的附加彎曲應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的脆性破壞也有影響。為了避免錯邊，需要加強原材料的驗收質(zhì)量；嚴格控制焊前裝配質(zhì)量；點固焊、打底焊、填充焊過程中及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整錯邊；結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡量避免過多焊縫交匯。

1.8 下塌

在焊接過程中鋁合金熔池?zé)o明顯的色澤變化，判斷熱輸入大小有一定困難，且高溫下鋁的強度和塑性很低，以致無法支撐住熔池液體金屬，易造成塌陷。

導(dǎo)致下塌的原因有：焊接熱輸入過大；坡口角度大和角焊縫裝配間隙較大導(dǎo)致焊接填充量大；焊槍角度不當；板厚較?。缓缚p處沒有加強筋。

下塌量較大時造成單位面積上承力過大，焊接強度降低；影響工件平面度和尺寸精度。為減少和避免下塌，應(yīng)控制焊接熱輸入、焊前裝配間隙；坡口角度及焊槍角度合理；且焊縫盡量靠近加強筋設(shè)計。

1.9 焊接變形

焊接變形是由于電弧高溫引起的變形，包括縮短、角度改變、彎曲變形等。

鋁合金的線膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率高，屈服強度低是產(chǎn)生焊接變形的根本原因。焊縫金屬受熱時各部位的收縮不均勻，受熱程度越大，變形越大。焊接熱輸入過大、焊接順序不合理、焊前裝配間隙過大導(dǎo)致焊接填充量大、間隙過小時鋁材膨脹引起對接焊縫坡口重疊、定位焊間距不合理、焊縫數(shù)量太多或布置不合理、坡口尺寸及焊縫尺寸不合理等都會導(dǎo)致焊接變形。

焊接變形影響工件平面度和尺寸精度，變形大時需調(diào)修，調(diào)修無法達到要求時，需切除工件重新焊接，浪費人力、財力和時間，生產(chǎn)效率低。選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序；焊前裝配間隙及定位焊間距合理；盡量減少焊縫數(shù)量；合理安排焊縫，盡量使焊縫對稱布置；盡量選擇間斷焊，以避免焊縫過于集中；盡可能用型材或翼緣板材代替寬板；合理設(shè)計坡口尺寸、焊縫尺寸；必要時預(yù)加反變形；使用工藝放量，焊完后再機加工減少或去除焊接變形；根據(jù)焊接構(gòu)件的具體情況選擇合理的拘束方法或工裝來控制變形，尤其是焊接薄板時。

1.10 咬邊

咬邊是指沿著焊趾，在母材部分形成的凹陷或溝槽，是由于電弧將焊縫邊緣的母材熔化后沒有得到熔敷金屬的充分補充所留下的缺口。咬邊大多是局部超標，連續(xù)咬邊很少。

咬邊是由于電弧熱量太高（如電流過大、速度太慢等）；電弧過長；焊槍角度不合理、擺動不合理；焊接順序不合理等都會造成咬邊；直流焊時電弧的磁偏吹也會造成咬邊；某些焊接位置（立、橫、仰）會加劇咬邊。

圖2 其他焊接缺陷

咬邊減小了母材的有效截面，降低結(jié)構(gòu)承載能力；引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋；當這些缺陷與結(jié)構(gòu)中的高殘余拉應(yīng)力區(qū)或熱影響區(qū)中粗大脆化晶粒區(qū)相重疊時，常會引發(fā)脆性不穩(wěn)定擴展裂紋，故在重要的或承受動載荷的結(jié)構(gòu)中，一般不允許咬邊存在，或咬邊值有限制。選擇合適的焊接熱輸入、電弧長度、正確的焊槍角度和擺動；合理的焊接順序；減小或避免磁偏吹；盡量采用平焊等措施都可以防止咬邊。

此外還有未焊滿、焊偏、脫節(jié)、余高超高、夾渣、電弧擊傷、弧坑和弧坑裂紋、焊接飛濺等焊接缺陷，如圖2所示，每種缺陷都對焊縫質(zhì)量有不同程度的影響。

焊接結(jié)構(gòu)常在焊接缺陷或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處發(fā)生脆性斷裂，造成災(zāi)難性的破壞。一般認為，結(jié)構(gòu)中缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴重，脆性斷裂的危險越大。當焊接結(jié)構(gòu)承受沖擊或局部發(fā)生高應(yīng)變或環(huán)境惡劣時都容易使焊接缺陷缺陷引發(fā)脆性斷裂[6]。

2 缺陷修正

裂紋是不允許存在的，故應(yīng)徹底將裂紋去除后補焊；氣孔根據(jù)ISO 10042標準判斷是否超標，超標的去除，必要時補焊，但處理超標氣孔時建議綜合考慮其超標程度及焊縫結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)及補焊難易和得失；未焊透、未熔合、燒穿、焊偏、未焊滿等需將缺陷徹底去除后補焊；焊洇、錯邊、下塌、變形、脫節(jié)、夾渣、余高超高等根據(jù)標準判斷是否需去除和補焊；弧坑和弧坑裂紋、電弧擊傷、咬邊缺陷需去除，必要時補焊；焊接飛濺應(yīng)在焊接完成后清理干凈。

3 結(jié)論

（1）鋁合金MIG焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、氣孔、未熔合、未焊透、焊洇、焊接變形等缺陷。

（2）鋁合金MIG焊接產(chǎn)生缺陷的原因有很多，主要是鋁合金自身特性影響、焊接工藝參數(shù)不當、焊前處理不到位、設(shè)計結(jié)構(gòu)影響等；可結(jié)合缺陷產(chǎn)生的原因，對焊接缺陷進行預(yù)防。

（3）每種焊接缺陷都會在不同程度上影響焊縫質(zhì)量，缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴重，脆性斷裂的危險越大，需綜合缺陷種類、位置、嚴重程度等方面并結(jié)合相關(guān)標準確定具體處理措施。

[1]龍 林.車身鋁合金焊接及及接頭力學(xué)性能[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007.

[2]趙為松，趙維樹.高速列車鋁合金車體焊接可靠性[J].電焊機，2011，41（11）：103-105.

[3]黃旺福，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004：122-123.

[4]張宏偉.鋁合金常見焊接缺陷分析[J].輕合金加工技術(shù)，2010，38(1)：53-55.

[5]顧曾迪，陳根寶，金心溥.有色金屬焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995：6-7.

[6]李明奎.焊接缺陷對結(jié)構(gòu)的影響及其防治措施[J].黑龍江科技信息，2010(16)：22.