聚焦焊缝气孔：成因、危害与应对全解析.docx

聚焦焊缝气孔：成因、危害与应对全解析
气孔是焊接熔池在结晶过程中由于某些气体来不及逸出残存在焊缝中形成的，是焊接接头中常见的缺陷，在碳钢、高合金钢、有色金属焊接接头中都可能产生气孔。焊缝中的气孔不仅削弱焊缝的有效工作截面积，同时也会带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利。个别情况下，气孔还会引起裂纹。

气孔的主要危害
气孔属于体积型缺陷，对焊缝的性能影响很大：
（1）导致焊接接头力学性能降低
气孔的存在会降低焊缝的承载能力。因为气孔占据了焊缝金属一定的体积，使焊缝的有效工作截面积减小，降低了焊缝的力学性能，使焊缝的塑性特别是冲击韧性降低很多。
2）诱发焊接裂纹的产生
如果气孔穿透焊缝表面，特别是穿透接触介质的焊缝表面，介质存在于孔穴内，当介质有腐蚀性时，将形成集中腐蚀，孔穴逐渐变深、变大，以致腐蚀穿孔而泄漏，从而破坏了焊缝的致密性，严重时会引起整个金属结构的破坏。如果是焊缝根部气孔和垂直气孔，可能造成应力集中，成为焊缝开裂源。
（3）影响焊缝的疲劳性能
在交变应力的作用下，气孔对焊缝的疲劳强度影响显著。但如果气孔没有尖锐的边缘，一般认为不属于危害性缺陷，并允许有限度地在焊缝中存在。但按照规范中的规定进行评定，超过规范要求时必须进行返修处理。
01 气孔类型
析出型气孔
析出型气孔是因气体在液、固态金属中的溶解度不同，液态金属结品时过饱和状态的气体析出所形成的气孔，这类气孔是由外部侵入熔池的氢和氮引起的。
（1）氢气孔
氢气孔是因氢气在液、固金属中的溶解度差(从液态转为固态时，氢的溶解度从（32mL/100g急剧降至10mL/100g）造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔。对低碳钢和低合金钢焊接而言，在大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上呈喇叭口形，气孔的四周有光滑的内壁。有时，这类气孔也会出现在焊缝的内部，如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，或在焊接铝、镁合金时，析出的气体在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部，形成气孔。
（2）氮气孔
其机理与氢气孔相似，氮气孔也多出现在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现的，与蜂窝相似。氮的来源，主要是由于保护不好，有较多的空气侵入焊接区所致。
反应型气孔
熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的CO及H2O而产生的气孔称为反应性气孔。
（1）一氧化碳气孔
一氧化碳气孔是因熔池中冶金反应产生了不溶于液态金属的一氧化碳气体，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成的。在焊接碳钢时，当液态金属中的碳含量较高而脱氧不足时会通过冶金反应生成CO，由于CO不溶于金属，在高温时生成的CO会以气泡的形式从液态金属中高速逸出，形成飞溅，不会形成气孔。当熔池开始结晶时，发生合金元素的偏析，对于结构钢来说，熔池中的氧化物和碳的浓度在熔池尾部偏高，有利于冶金反应的进行，使冷却过程中产生的CO气体增多。随着结晶过程的进行，熔池温度降低，熔池金属的黏度不断增大，此时产生的CO不易逸出。特别是在枝状晶凹陷处产生的CO，更不容易逸出而形成CO气孔。由于CO气孔是在结晶过程中产生的，气孔沿结晶方向分布，并呈条虫状。
（2）水蒸气气孔
水蒸气气孔是焊接铜、镍时，铜的氧化物和镍的氧化物与溶解于金属中的氢反应生成水蒸气而未及时逸出造成的。
焊接铜时形成的Cu2O与溶解于铜中的氢产生反应，形成不溶于液态铜的水蒸气，是焊接铜时产生气孔的主要原因。焊接镍时与铜类似。

02 形成因素
冶金因素的影响
（1）熔渣氧化性的影响
熔渣氧化物的大小对焊缝是否产生气孔具有很重要的影响，无论是酸性焊条还是碱性焊条焊缝，当熔渣的氧化性增大时，由CO引起气孔的倾向是增加的，而氢气孔的倾向是降低的;相反，当熔渣的氧化性减小时，氢气孔的倾向增加，而CO气孔的倾向降低。
（2）焊条药皮和焊剂的影响
一般酸性焊条药皮中存在的较强氧化物（如SiO2、MnO、FeO、MgO）与氢化合生产稳定的不溶于液体金属的OH（稳定性稍低于HF），占据氢而达到去氢的目的；碱性焊条药皮中含有很多的碳酸盐，它们受热分解析出CO2可通过反应生成OH去氢，但CO2的氧化性较强，如还原不足时，有可能产生CO气孔。
一般碱性焊条和高锰高硅焊剂（如HJ431）中含有萤石，焊接时反应生成HF，HF是一种稳定的气体化合物，可以有效地降低气孔的倾向。
CaF2对防止氢气孔很有效，但是，焊条药皮中含有较多的CaF2时，一方面影响电弧的稳定性，另一方面也会产生可溶性氟化物(KF和NaF)，影响焊工的健康。
（3）铁锈及水分的影响
母材表面的氧化皮、铁锈、水分、油污以及焊接材料中的水分，都是导致气孔产生的原因，尤以母材表面的铁锈影响最大。铁锈一方面对熔池金属有氧化作用，另一方面又析出大量的氢。
由于增加了氧化作用，在结晶时就会促使生成CO气孔，铁锈中的结晶水在高温时分解出氢气，溶入熔池金属后，增加了生成氢气孔的倾向。
焊条受潮或烘干不足而残存的水分，会增加产生气孔的倾向。

工艺因素的影响
（1）焊接工艺参数的影响
焊接电流增大，虽能延长熔池存在时间，但使熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体较多，反而增加了气孔的倾向。使用不锈钢焊条时，当焊接电流增大时，焊芯的电阻热增大，会使药皮中的一些组成物（如碳酸盐）提前分解，保护效果变差，因而也增加了气孔的倾向。
电弧电压增大，弧长增大，熔滴过渡的路径增大，保护效果变差，易使空气中的氮侵人熔池，使焊缝出现氮气孔。特别是焊条电弧焊和自保护药芯焊丝电弧焊对这方面影响最为敏感
焊接速度过大，熔池的结晶速度加快，易使气泡的逸出速度小于结晶速度，使气泡残留在焊缝中而形成气孔。

（2）电流种类和极性的影响
电流种类和极性对焊缝产生气孔的敏感性有影响。实践证明，在使用未经烘干的焊条焊接时，采用交流电源容易产生气孔；采用直流正接，气孔较少；采用直流反接，氢气孔最少。所以，碱性低氢钠型焊条焊接时必须采用直流反接。
（3）工艺操作方面的影响
①焊前没有仔细清理焊丝及母材坡口表面以及焊缝两侧20~30mm范围内的铁锈、油污等，
②对所用焊条、焊剂未严格按规定烘干，烘干后放置时间过长。
③ 焊接工艺不合理，如焊接电流、电弧电压、焊接速度过大，低氢钠型焊条未采用短弧焊及直流反接等。

03 控制方法
消除气体来源
（1）表面处理
对钢件焊前应仔细清理焊件及焊丝表面的氧化膜或铁锈以及油污等。对于铁锈一般采用砂轮打磨、钢丝刷清理等机械方法清理。有色金属铝、镁对表面污染引起的气孔非常敏感，因而对焊接工件的清理有严格要求。
（2）焊接材料的防潮和烘干
各种焊接材料均应防潮包装与存放，焊条和焊剂焊前应按规定温度和时间烘干，烘干后应放在专用烘箱或保温筒中保管，随用随取。低氢焊条对吸潮最敏感，吸潮率超过1.4%就会明显产生气孔。
（3）加强防护
目的是防止空气侵入熔池引起氮气孔。应引起注意的有以下几方面情况：引弧时常不能获得良好保护，低氢焊条引弧时易产生气孔，就是因为药皮中造气物质CaCO3未能及时分解生成足够的CO2保护所致，焊接过程中如果药皮脱落焊剂或保护气中断，都将破坏正常的保护。气体保护焊时，必须防风，保护气体纯度对焊接质量有较大的影响，气体流量也是影响保护效果的重要参数，气体流量太大时，不仅造成浪费，而且会产生紊流，将空气卷入保护区，降低保护效果；反之，氩气流量过小时，保护气体挺度不够，排除周围空气的能力弱，同样保护效果变差。

正确选用焊接材料
（1）适当调整熔渣的氧化性，如为减小CO气孔的倾向，可适当降低熔渣的氧化性；为减小氢气孔的倾向，可适当增加熔渣的氧化性。
（2）铝及其合金氩弧焊时，在Ar中添加氧化性气体CO2或O2，但含量必须严格控制，因为过量会使焊缝明显氧化。
（3）有色金属焊接时，更应注意脱氧。焊接纯镍时不用纯镍焊丝和焊条，而应采用含有铝和钛的焊丝和焊条；纯铜氩弧焊时也不用纯铜焊丝。

控制焊接工艺
控制焊接工艺的目的是创造熔池中气体逸出的有利条件，同时也应有利于限制电弧外围气体向熔融金属中溶入。
对于反应型气体而言，首先应着眼于创造有利的排出条件，即适当增大熔池在液态的存在时间；对于氢和氮而言，也只有气体逸出条件比气体溶入条件改善更多，才有减少气孔的可能性。由此，焊接工艺参数应有最佳值，而不是简单的增大或减少。
铝合金TIG焊时，应尽量采用小焊接热输入以减少熔池存在的时间，从而减少氢的溶入，同时又要充分保证根部熔化，以利于根部氧化膜上气泡的浮出。
铝合金MIG焊时，焊丝氧化膜影响更为主要，减少熔池存在时间难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。因此，要延长熔池存在时间以利气泡逸出，即增大焊接电流和降低焊接速度或增大焊接热输入有利于减少气孔。
横焊或仰焊条件下，因为气体排出条件不利，将比平焊时更易产生气孔。向上立焊的气孔较少，向下立焊的气孔则较多，因为此时熔融金属易向下坠落，不但不利于气体排除，且有卷入空气的可能。