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2011年，第十屆全國(guó)工程建設(shè)系統(tǒng)焊工職業(yè)競(jìng)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(xiàng)目。但比賽中，87名選手鋁管焊接RT探傷有50人氣孔超標(biāo)得0分，20分以下9人，一級(jí)無(wú)缺陷滿分只有2人，于是比賽結(jié)束后，我們針對(duì)鋁管氣孔的各個(gè)因素，通過(guò)反復(fù)調(diào)研和試驗(yàn)，找到了氣孔產(chǎn)生原因，使焊接氣孔得到有效遏制，并在2013年第十一屆全國(guó)焊工競(jìng)賽中獲得優(yōu)異成績(jī)，為避免鋁管焊接氣孔積累了經(jīng)驗(yàn)。

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(shí)，引燃電弧后首先對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)接頭達(dá)到一定溫度時(shí)，熔池鐵液剛剛開(kāi)始流動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng)，氣孔析出越多，當(dāng)移動(dòng)電弧時(shí)，有些氣孔從熔池中析出留在焊縫表面。焊接過(guò)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(kāi)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(gè)別情況下，在焊縫兩側(cè)也會(huì)出現(xiàn)，焊縫表面氣孔如圖1所示。

圖1 焊縫表面氣孔

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

鋁合金管道氣孔的形狀通過(guò)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(gè)獨(dú)立也有密集分布，一般表現(xiàn)為氣孔形狀不規(guī)則，個(gè)別呈橢圓或有棱角。＞φ2mm氣孔較為少見(jiàn)，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?dú)饪?。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔集中出現(xiàn)在管口橫焊縫上側(cè)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(diǎn)590～635℃。典型物理特性為：熔點(diǎn)較鐵低、線膨脹系數(shù)大、密度小、塑性好、強(qiáng)度低。鋁合金在空氣中生成熔點(diǎn)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(jī)理

焊接中氣孔主要分為氫氣孔、氮?dú)饪?、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(guò)程中會(huì)形成CO氣孔。

理論上講，鋁合金管焊接主要為氫氣孔。焊接時(shí)液態(tài)鋁在高溫時(shí)能吸收大量的氫，冷卻時(shí)氫在其中的溶解能力急劇下降，在固態(tài)時(shí)又幾乎不溶解氫，鋁合金密度小、導(dǎo)熱性很強(qiáng)，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(lái)溶于液態(tài)鋁的氫來(lái)不及析出，形成氣孔。

交流TIG焊接時(shí)，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(hù)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)密集型氮?dú)饪住?/p>

4.產(chǎn)生氣孔原因分析及預(yù)防措施

（1）鋁合金材料對(duì)焊接氣孔的影響 鋁鎂合金化學(xué)活潑性強(qiáng)，管口、焊絲表面極易形成熔點(diǎn)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(qiáng)。交流氬弧焊接時(shí)，雖然負(fù)半周瞬間氬離子對(duì)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(shí)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(shí)，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(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。在剛剛形成熔池時(shí)，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而殘存下來(lái)，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(yù)防措施：焊接前，嚴(yán)格清理管道坡口及兩側(cè)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(cè)（約30mm）的油污、臟物清洗干凈，再使用絞刀將坡口及兩側(cè)的氧化膜去凈（見(jiàn)圖3）。不宜用砂輪或砂紙等打磨，因?yàn)樯沉Ｈ袅粼诮饘俦砻?，焊接時(shí)就會(huì)產(chǎn)生夾渣等缺陷。清理后焊件和焊絲應(yīng)保持清潔和干燥。

圖3 嚴(yán)格清理坡口及兩側(cè)氧化膜

（2）氬氣純度對(duì)氣孔的影響氬氣的純度對(duì)焊接質(zhì)量也有較大的影響。由于氬氣純度低、雜質(zhì)多，增加了弧柱氣氛中氫的含量，導(dǎo)致氫氣孔，同時(shí)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(chǎn)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(chǎn)基地運(yùn)輸?shù)匠溲b站點(diǎn)對(duì)氬氣瓶進(jìn)行灌裝，然后分送到各施工點(diǎn)使用。在氬氣充裝過(guò)程中，由于制度不嚴(yán)，或工人操作不嚴(yán)謹(jǐn)，充裝管道沒(méi)有嚴(yán)格清理，對(duì)回收的氬氣瓶沒(méi)有檢查、確認(rèn)瓶?jī)?nèi)壓力是否低于1MPa，因此導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)無(wú)負(fù)壓下灌裝帶進(jìn)空氣等，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求純度，造成焊工操作時(shí)出現(xiàn)氣孔。由于目前對(duì)瓶裝氬氣純度缺乏有效檢測(cè)手段，加上氬氣純度因素是目前鋁鎂合金管道焊接過(guò)程中難以控制的因素，所以是產(chǎn)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(biāo)示，以免灌裝時(shí)混用。同時(shí)，要求焊工在使用結(jié)束時(shí)瓶中留有1MPa壓力，供應(yīng)站在灌裝時(shí)嚴(yán)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(guò)程的不利因素。如果有條件，可以直接應(yīng)用瓶裝液態(tài)氬氣，對(duì)避免鋁管焊接氣孔產(chǎn)生更加有力。

（3）交流TIG焊接鋁鎂合金焊接參數(shù)調(diào)節(jié)原理及分析 當(dāng)工件為陰極時(shí)，氬陽(yáng)離子加速?zèng)_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(duì)于鋁鎂合金一般都采用同時(shí)具有直流正接和直流反接特點(diǎn)的交流鎢極氬弧焊。

交流焊機(jī)焊接過(guò)程中，焊工對(duì)焊機(jī)的一些參數(shù)原理不清晰，導(dǎo)致參數(shù)調(diào)整不合理，出現(xiàn)焊接不順利，質(zhì)量不理想，有時(shí)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(guò)合理調(diào)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(zhǎng)鎢極壽命。

清理比例即焊機(jī)輸出清理電流的時(shí)間比例。交流氬弧焊接時(shí)，可以通過(guò)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(dāng)清理比例增大時(shí)，陰極清理作用加強(qiáng)，但工件得到的熱量減少，熔池淺而寬，鎢極燒損加大；反之，當(dāng)清理比例減小時(shí)，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(nèi)調(diào)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(duì)于焊接電流的比例。調(diào)節(jié)此參數(shù)，可以調(diào)節(jié)清理電流的大小，從而達(dá)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(zhǎng)鎢極壽命。一般在－50%～+30%之間調(diào)節(jié)。

交流頻率：即交流焊接電流輸出波形的正半波和負(fù)半波交替過(guò)渡的次數(shù)。適當(dāng)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(dāng)氬氣純度較高造成的焊接電弧飄忽時(shí)，適當(dāng)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(duì)焊接氣孔的影響 主要包括以下幾方面的因素：

焊接時(shí)氬氣流量對(duì)氣孔的影響：氬氣流量是影響熔池保護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。流量過(guò)小，氬氣挺度不夠，排除周圍空氣能力弱，保護(hù)效果差。但是流量過(guò)大，不僅浪費(fèi)氬氣，而且會(huì)引起噴出氣流層流區(qū)縮短，紊流區(qū)擴(kuò)大，將空氣卷入保護(hù)區(qū)，反而降低了保護(hù)效果，使焊縫易產(chǎn)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(guān)。在選取噴嘴直徑時(shí)，可用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)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(yùn)弧、?；?、接頭、熄弧和焊絲的給送方法。焊接前，應(yīng)對(duì)焊機(jī)的電路、水路、氣路和控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，一切正常后方可進(jìn)行工作。①引弧技巧。在正式焊縫引弧前，應(yīng)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?yàn)闅鍤獾碾婋x勢(shì)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(dǎo)熱性較高，電弧引燃后，焊槍在一定的時(shí)間內(nèi)停留在起弧的位置不動(dòng)，所需的熔池一經(jīng)形成，便開(kāi)始填充焊絲焊接。②運(yùn)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(shí)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(hù)區(qū)內(nèi)送進(jìn)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(yīng)過(guò)大，目的是使填充焊絲以點(diǎn)滴狀過(guò)渡到熔池中的途徑縮短，以免焊絲過(guò)熱氧化。④停弧和熄弧。停（熄）弧時(shí)，利用焊機(jī)的自動(dòng)衰減功能，按動(dòng)焊槍開(kāi)關(guān)，焊接電流會(huì)自動(dòng)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(shí)，再熄滅電弧，同樣焊槍停留在?；√幈３?～8s，以防止?；√幯趸?。⑤接頭方法：接頭焊接時(shí)，在?；√幍那胺?0mm左右引弧，然后將電弧拉回到?；∏昂附铀俣燃涌旎螂娏鏖_(kāi)始衰減的位置，再往后2～3mm，電弧不動(dòng)加熱3～6s，待熔深和背面成形達(dá)到要求時(shí)，再填充焊絲前行，開(kāi)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋁合金焊接氣孔的分析，調(diào)整了焊接工藝和培訓(xùn)技巧，在第十一屆全國(guó)工程建設(shè)系統(tǒng)焊工職業(yè)競(jìng)賽中，中石化集團(tuán)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(jí)無(wú)缺陷滿分，獲得金獎(jiǎng)。