中石化第十建設有限公司 （山東淄博 255438）唐元生 嵇 彬

中石化勝利石油化工建設有限責任公司（山東東營 257064）王紹智 湯海東 高玉芬

2011年，第十屆全國工程建設系統(tǒng)焊工職業(yè)競賽，增加了鋁鎂合金Al5A06小口徑φ80mm×5mm管道2G位置固定交流TIG焊接項目。但比賽中，87名選手鋁管焊接RT探傷有50人氣孔超標得0分，20分以下9人，一級無缺陷滿分只有2人，于是比賽結束后，我們針對鋁管氣孔的各個因素，通過反復調研和試驗，找到了氣孔產生原因，使焊接氣孔得到有效遏制，并在2013年第十一屆全國焊工競賽中獲得優(yōu)異成績，為避免鋁管焊接氣孔積累了經驗。

1.鋁鎂合金管道氣孔特征

（1）表面氣孔 基本出現(xiàn)在焊縫接頭和收弧處。焊接接頭起弧時，引燃電弧后首先對接頭進行預熱，當接頭達到一定溫度時，熔池鐵液剛剛開始流動攪拌，用眼睛比較容易觀察到氣孔從熔池鐵液中析出。電弧在熔池停留時間越長，氣孔析出越多，當移動電弧時，有些氣孔從熔池中析出留在焊縫表面。焊接過程完畢，一般采用電流衰減法熄弧，隨著溫度的降低熔池鐵液開始凝固，氣孔又從鐵液中析出，形成表面氣孔。表面氣孔大部分在焊縫中部，但個別情況下，在焊縫兩側也會出現(xiàn)，焊縫表面氣孔如圖1所示。

圖1 焊縫表面氣孔

（2）內部氣孔 焊縫表面出現(xiàn)氣孔時，意味著內部基本布滿氣孔。正常焊接時內部氣孔基本出現(xiàn)在焊縫兩側；焊接接頭和起弧接頭時，大部分出現(xiàn)在焊縫中心。

鋁合金管道氣孔的形狀通過RT探傷底片觀察，＜φ1mm的氣孔，一般為密集型，基本為規(guī)則圓形；＞φ1mm的氣孔有單個獨立也有密集分布，一般表現(xiàn)為氣孔形狀不規(guī)則，個別呈橢圓或有棱角。＞φ2mm氣孔較為少見，如果出現(xiàn)也多為外形不規(guī)則氣孔。從氣孔外形理論原理分析，主要為氫氣孔和氮氣孔。沒有發(fā)現(xiàn)氣孔集中出現(xiàn)在管口橫焊縫上側的現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 鋁合金管道焊接氣孔

2.鋁鎂合金物理特性

Al5A06主要合金元素為鎂，密度2.66g/cm3，熔點590～635℃。典型物理特性為：熔點較鐵低、線膨脹系數(shù)大、密度小、塑性好、強度低。鋁合金在空氣中生成熔點高的氧化膜，氧化膜能吸附大量的水分，易生成氣孔等缺陷。

3.鋁鎂合金氣孔生成機理

焊接中氣孔主要分為氫氣孔、氮氣孔、CO氣孔。由于鋁是活性元素，本身能脫氧，所以不像碳鋼焊接過程中會形成CO氣孔。

理論上講，鋁合金管焊接主要為氫氣孔。焊接時液態(tài)鋁在高溫時能吸收大量的氫，冷卻時氫在其中的溶解能力急劇下降，在固態(tài)時又幾乎不溶解氫，鋁合金密度小、導熱性很強，鋁熔合區(qū)的冷卻速度是碳鋼的4～7倍，不利于氣泡的逸出，致使原來溶于液態(tài)鋁的氫來不及析出，形成氣孔。

交流TIG焊接時，受到焊工操作、氬氣純度、自然環(huán)境影響，熔池得不到氬氣的有效保護，有時也會出現(xiàn)密集型氮氣孔。

4.產生氣孔原因分析及預防措施

（1）鋁合金材料對焊接氣孔的影響 鋁鎂合金化學活潑性強，管口、焊絲表面極易形成熔點高的氧化膜Al2O3和MgO，由于MgO的存在，故形成的氧化膜疏松且吸水性強。交流氬弧焊接時，雖然負半周瞬間氬離子對氧化膜具有“陰極霧化”作用，但并不能去除氧化膜中的水分，這些水分焊接時高溫分解出氫，因而鋁鎂合金焊接比純鋁焊接具有更大的氫氣孔傾向。

交流TIG焊接時，在熔透不足的情況下，管道坡口未除凈的氧化膜中所吸附的水分，也是產生焊縫氣孔的主要原因。在剛剛形成熔池時，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而殘存下來，則氧化膜中水分因受熱而分解出氫，并在氧化膜上萌生出氣泡。坡口端部氧化膜引起的氣孔，常常沿著熔合區(qū)原坡口邊緣分布。

預防措施：焊接前，嚴格清理管道坡口及兩側和焊絲表面的油污和氧化膜。清理步驟是先去除油污等，再清除氧化膜。一般先采用丙酮將焊絲表面、管道坡口及其兩側（約30mm）的油污、臟物清洗干凈，再使用絞刀將坡口及兩側的氧化膜去凈（見圖3）。不宜用砂輪或砂紙等打磨，因為沙粒若留在金屬表面，焊接時就會產生夾渣等缺陷。清理后焊件和焊絲應保持清潔和干燥。

圖3 嚴格清理坡口及兩側氧化膜

（2）氬氣純度對氣孔的影響氬氣的純度對焊接質量也有較大的影響。由于氬氣純度低、雜質多，增加了弧柱氣氛中氫的含量，導致氫氣孔，同時也降低“陰極霧化”效果，所以鋁鎂合金焊接氬氣純度要求為99.999%。氬氣一般是鋼鐵冶煉的副產品，出廠基本為液態(tài)氬，純度是可以保證的。液態(tài)氬從生產基地運輸?shù)匠溲b站點對氬氣瓶進行灌裝，然后分送到各施工點使用。在氬氣充裝過程中，由于制度不嚴，或工人操作不嚴謹，充裝管道沒有嚴格清理，對回收的氬氣瓶沒有檢查、確認瓶內壓力是否低于1MPa，因此導致瓶內無負壓下灌裝帶進空氣等，達不到標準要求純度，造成焊工操作時出現(xiàn)氣孔。由于目前對瓶裝氬氣純度缺乏有效檢測手段，加上氬氣純度因素是目前鋁鎂合金管道焊接過程中難以控制的因素，所以是產生氣孔的主要因素之一。

解決措施：固定一部分氬氣瓶專門自備使用，并做好標示，以免灌裝時混用。同時，要求焊工在使用結束時瓶中留有1MPa壓力，供應站在灌裝時嚴格執(zhí)行灌裝制度和操作規(guī)程，保證瓶裝氬氣的純度要求，消除瓶裝氬氣在灌裝過程的不利因素。如果有條件，可以直接應用瓶裝液態(tài)氬氣，對避免鋁管焊接氣孔產生更加有力。

（3）交流TIG焊接鋁鎂合金焊接參數(shù)調節(jié)原理及分析 當工件為陰極時，氬陽離子加速沖向工件，破壞并分解表面的氧化膜，形成熔池即可得到漂亮、光潔的鋁鎂合金焊縫。為了兼顧鎢極和工件發(fā)熱量的合理分配，對于鋁鎂合金一般都采用同時具有直流正接和直流反接特點的交流鎢極氬弧焊。

交流焊機焊接過程中，焊工對焊機的一些參數(shù)原理不清晰，導致參數(shù)調整不合理，出現(xiàn)焊接不順利，質量不理想，有時出現(xiàn)氣孔等缺陷，典型現(xiàn)象如電弧飄忽，電弧熱量不集中等。通過合理調節(jié)清理比例、交流頻率及交流偏置比例等，可得到焊縫所需之熔深、熔寬，延長鎢極壽命。

清理比例即焊機輸出清理電流的時間比例。交流氬弧焊接時，可以通過改變清理比例獲得焊縫“陰極破碎”清理寬度及熔深的大小，以獲得優(yōu)良的焊接效果。

當清理比例增大時，陰極清理作用加強，但工件得到的熱量減少，熔池淺而寬，鎢極燒損加大；反之，當清理比例減小時，陰極清理作用稍有減弱、熔深增加，且鎢極燒損顯著下降。一般清理比例在10%～－40%內調整。清理比例在焊接中的作用如圖4所示。

圖4 清理比例在焊接中的作用

交流偏置：即清理電流相對于焊接電流的比例。調節(jié)此參數(shù)，可以調節(jié)清理電流的大小，從而達到合理的焊接清理效果。一般建議在同樣清理的效果下，減小清理比例，增大交流偏置比例，能獲得較大的熔深，延長鎢極壽命。一般在－50%～+30%之間調節(jié)。

交流頻率：即交流焊接電流輸出波形的正半波和負半波交替過渡的次數(shù)。適當提高交流頻率，使電弧更加穩(wěn)定，更加集中。這有利于減少熱輸入量和焊接變形。一般頻率為20%～100%，當氬氣純度較高造成的焊接電弧飄忽時，適當提高頻率到70%～90%，電弧穩(wěn)定性可得到有效提高。

（4）焊接操作對焊接氣孔的影響 主要包括以下幾方面的因素：

焊接時氬氣流量對氣孔的影響：氬氣流量是影響熔池保護效果的一個重要參數(shù)。流量過小，氬氣挺度不夠，排除周圍空氣能力弱，保護效果差。但是流量過大，不僅浪費氬氣，而且會引起噴出氣流層流區(qū)縮短，紊流區(qū)擴大，將空氣卷入保護區(qū)，反而降低了保護效果，使焊縫易產生氣孔。因此，必須選擇合適的氬氣流量，氬氣流量與噴嘴直徑大小有關。在選取噴嘴直徑時，可用經驗公式來計算，即：d=2dW+4mm，dW表示鎢極的直徑。

操作技巧：交流TIG焊操作技法包括引弧、運弧、停弧、接頭、熄弧和焊絲的給送方法。焊接前，應對焊機的電路、水路、氣路和控制系統(tǒng)進行檢查，一切正常后方可進行工作。①引弧技巧。在正式焊縫引弧前，應首先在引弧板上引燃電弧，待鎢極燒熱后，迅速移到焊縫上引燃電弧。這是因為氬氣的電離勢較高，引燃需大量的能量，冷的鎢極突然上升幾千度的高溫，極易引起爆破，發(fā)生鎢極爆破飛濺，落入熔池中造成夾鎢。由于鋁合金導熱性較高，電弧引燃后，焊槍在一定的時間內停留在起弧的位置不動，所需的熔池一經形成，便開始填充焊絲焊接。②運弧和焊絲的給送。焊接方向一般是左焊法，焊槍的后傾角為70°～85°，這樣便于觀察焊縫和給送焊絲。焊接時的焊槍、焊絲和焊件均有一定的位置和角度，鎢極端頭到熔池表面的距離也有一定的要求。③焊絲的給送方法：焊絲的端頭在熔池前的1/3邊緣處接觸送給，即焊絲的端頭在氬氣保護區(qū)內送進取出，防止氧化，焊絲與焊件表面成20°左右的夾角，這一角度不應過大，目的是使填充焊絲以點滴狀過渡到熔池中的途徑縮短，以免焊絲過熱氧化。④停弧和熄弧。停（熄）弧時，利用焊機的自動衰減功能，按動焊槍開關，焊接電流會自動衰減（焊接速度不停），焊絲的給送量也逐漸減少，直至母材不熔化時，再熄滅電弧，同樣焊槍停留在?；√幈３?～8s，以防止停弧處氧化。⑤接頭方法：接頭焊接時，在停弧處的前方10mm左右引弧，然后將電弧拉回到?；∏昂附铀俣燃涌旎螂娏鏖_始衰減的位置，再往后2～3mm，電弧不動加熱3～6s，待熔深和背面成形達到要求時，再填充焊絲前行，開始焊接。

焊縫正面成形如圖5所示，焊接參數(shù)參考值如表2所示。

圖5 焊縫正面成形

表2 焊接參數(shù)

5.結語

通過對鋁合金焊接氣孔的分析，調整了焊接工藝和培訓技巧，在第十一屆全國工程建設系統(tǒng)焊工職業(yè)競賽中，中石化集團公司5名參賽選手有4人在鋁鎂管道焊接中取得RT拍片Ⅰ級無缺陷滿分，獲得金獎。