王東濤， 張 偉

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數對焊縫氣孔的影響淺析

王東濤， 張 偉

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

在焊接工藝試驗的基礎上，分析了船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和部分焊接參數對鋁合金焊縫中氣孔的影響，并提出了防止氣孔產生的措施，在實際應用中取得了較好的效果。

鋁鎂合金 MIG焊 氣孔

1 前言

鋁合金常用的焊接方法是不熔化極惰性氣體保護焊(Tungsten Inert Gas Welding，簡稱TIG焊)和熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert Gas Arc Welding，簡稱MIG焊)，圖1為兩種焊接方法的示意圖。針對船用鋁合金焊接，MIG焊具有許多突出優(yōu)點。目前，國內鋁合金焊接95%以上采用MIG焊，但在焊接時也存在諸多難點，焊縫氣孔是鋁合金熔焊時最常見的缺陷之一。本文以船舶常用鋁合金材料5083鋁鎂合金的MIG焊為例，通過焊接工藝試驗方法，分析了船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數對焊縫中氣孔的影響，并提出了相應的預防和解決措施，在實際生產應用中取得了較好的效果。

2 焊接工藝試驗

(1) 試驗材料。本試驗采用的基體材料為Al-Mg 系5083 鋁合金，試板厚度為6 mm。焊接填充材料為ER5183 焊絲，直徑為1.2 mm。試驗采用的保護氣體為氬氣(Ar)，其中氬氣的純度為99.99 %?；w材料及焊絲的化學成分如表1所示。

(2) 試驗設備。本試驗采用肯倍公司生產的Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)，Fast Mig Pulse 是一款全數字智能脈沖焊接系統(tǒng), 具備一元化和脈沖 MIG/MAG功能。Fast Mig Pulse焊接系統(tǒng)為用戶提供了靈活的焊接應用程序，其中包括WORK PACK(常用焊接專家程序軟件包)和PROJECT PACK(客戶自選焊接專家程序軟件包)。施焊時，焊工可以選擇焊接專家程序，也可根據工藝管理要求設定最大送絲速度、最小送絲速度和最大電壓及最小電壓值的調整范圍以用于實際現場焊接工藝管理。 圖2是設備的外觀照片。

圖1 氬弧焊示意圖

表1 基體材料及焊絲材料的化學成分 單位：%

(3) 試驗內容。焊接工藝試驗選擇了焊前坡口表面清理(先用丙酮清洗坡口及兩側，再用不銹鋼鋼絲刷)和表面未清理兩種形式，70°和90°兩種Y型坡口角度，以及平位和橫位兩種焊接位置進行MIG焊接。焊后對焊接試板進行100 %的射線探傷檢驗，焊接工藝試驗參數如表2所示。

圖2 Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)

序號板厚(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(cm/min)焊前清理焊接位置坡口角度1#2#3#4#688～10518～2321～30未清理平對接90°清理平對接90°清理橫對接90°清理平對接70°

按照CB/T 3929-1999鋁合金船體對接接頭 X射線照相及質量分級[1]進行焊縫質量評定，表3為各焊接試板X射線探傷檢驗結果。

表3 鋁合金焊縫X射線結果

3 焊接氣孔的原因分析

3.1 鋁合金材料特點對焊縫氣孔的影響

氫是鋁合金熔焊時產生氣孔的主要原因[2～4],氫之所以能使焊縫形成氣孔，與它在鋁合金中溶解度的變化特性有關[3]。氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.7 mL/100 g，而在660℃凝固溫度時，氫的溶解度突然降至0.04 mL/100 g，使原來溶于液態(tài)鋁中的氫大量析出，形成氣泡。同時，鋁合金的導熱性強、密度小、熔池冷凝快，氣泡在熔池中的上升速度較慢，因此，上升的氣泡往往來不及逸出而在焊縫中產生氣孔。

3.2 焊接工藝方法對焊縫氣孔的影響

不同的焊接方法對電弧氣氛中水分的敏感性不一樣，氫的吸附速度和吸附數量也有明顯差別，因而產生氣孔的傾向性不同[3]。在同樣的條件下，由于MIG焊比TIG焊更易吸附氫，而氫氣卻較難逸出，因此，焊縫氣孔傾向要比TIG焊時大。通過工藝試驗和實踐證明, 在相同條件下，采用TIG焊接，焊縫氣孔一般會有明顯改善。

3.3 部分焊接工藝參數對焊縫氣孔的影響

(1) 焊前清理。由表3中1#試板與2#試板的射線檢測結果可以看出，焊前進行清理的試板氣孔數量要明顯少于焊前未進行清理的試板，并且在焊前未清理的試板中產生了氣孔等缺陷。這是由于鋁和氧的化學結合力很強，常溫下極易在其表面形成一層三氧化二鋁薄膜，如果不去除這層氧化膜，會阻礙基本金屬的熔合，形成夾渣、未熔合等缺陷，并且還會吸附水分，在焊縫中產生氣孔。

(2) 坡口角度。焊縫的坡口角度的大小會直接影響到氬氣的保護質量以及焊縫中氫逸出的難易程度。對于鋁合金的焊接尤其如此，坡口角度過小時，一方面保護氣體量不足不能排除弧柱氣氛中的空氣，空氣中的水分將分解成氫進入熔池中產生氫氣孔[5]；另一方面由于鋁合金的導熱系數比較大，可以較短時間內凝固，當焊縫冷卻時，大量分布于細小的枝晶組織間的氣泡不能及時逸出，而留在焊縫中成為氣孔。結合表3可以看出，90°焊縫坡口在控制氣孔方面要優(yōu)于70°焊縫坡口。

當然，坡口角度也不是越大越好，要綜合考慮焊縫金屬的填充量以及焊接變形等各方面的因素，通過現場的試驗來看，一般以90°左右為佳。

(3) 焊接位置。根據射線檢測的結果來看，平焊位相對橫焊位產生的氣孔要少，這主要是由于焊槍的角度以及氬氣的密度要大于空氣所造成的。當進行平焊位置操作時，氬氣可以附著在焊縫的表面，使得外界的水分以及氫氣等無法靠近焊接熔池，從而起到很好的保護作用。但當進行橫焊位置操作時，由于焊槍的角度為向下傾斜，以及氬氣的密度比較大，使得氬氣可以很好地保護焊縫的下半部分，而上部由于缺少氬氣的有效保護，就極易吸收空氣中的氫，從而產生氣孔，射線檢測的結果也很好地驗證了這一點。

4 焊接氣孔的工藝防止措施

影響船用鋁鎂合金MIG焊接氣孔生成的工藝因素主要有：焊接電流、電壓和速度；保護氣體的種類、純度和流量；焊縫的形狀和位置等[6]。經過焊接工藝試驗，我們認為還應在以下幾個方面采取措施加以控制。

首先是清理板材上的氧化皮、油污和灰塵等雜質。在實際生產中，鋁合金的清理方式一般采用機械清理，可用不銹鋼絲刷、風動角磨機等將焊縫區(qū)域的氧化膜和毛刺去除，使焊縫區(qū)露出金屬光澤，為了避免焊縫處因油脂污染而影響焊接質量，必須在焊縫處用丙酮溶液進行除油處理。對接焊雙面焊，單面堆滿后，反面根部不允許碳刨，只可使用清根機、角磨機等機械加工工具進行清根處理。處理好的焊縫區(qū)域要注意保護，防止再度污染，并盡早進行焊接，否則會有新的氧化膜生成。如果清潔后超過4小時未焊接，則應重新清理。

其次，焊接結構中如需開坡口，應盡量將坡口開大至80°左右，以使得氬氣可以很好地保護焊接熔池，但也不要過大，坡口過大不但會增加焊縫金屬的用量，還會增加熱輸入，使焊件產生變形等。

另外，在焊接過程中，應通過工裝把焊縫擺成平焊位進行焊接，盡量避免橫焊操作。如果橫焊操作無法避免，應適當采取一些輔助的方法，如加擋氣板，儲氣罩等，以減少氣孔的產生。施焊時，應采取左向焊法，右向焊法非常容易導致焊縫發(fā)黑，產生氣孔。

此外，鋁合金MIG焊時產生氣孔的原因很復雜，空氣流動的影響、環(huán)境空氣濕度、溫度的影響等都有可能會導致氣孔的產生，在焊接過程中也要嚴格控制。

5 生產應用

試驗完成之后，我們將以上措施應用于模擬分段的建造過程中。

5.1 焊前準備

(1) 厚度大于4 mm的鋁合金板材開坡口，坡口角度為80°左右。

(2) 鋁合金板接頭附近30 mm內用丙酮清洗表面油污等雜質，用不銹鋼鋼絲刷去除表面的氧化膜，最后用干抹布擦干凈。

(3) 焊絲使用前仔細檢查：檢查焊絲是否受潮、表面是否有油脂或臟物、盤裝焊絲是否均勻纏繞。

(4) 焊接前適當空放氬氣，去除焊槍氣管內的空氣和水分。

(5) 由于正值二月份，氣溫較低，焊前用火焰將接頭及其附近進行預熱至50℃左右, 將水分烘干。

5.2 裝配定位

(1) 對接焊縫接頭的定位焊間距約為50 mm，定位焊長度約為10 mm～15 mm。定位焊不可以焊在坡口內側。

(2) 角接縫接頭的定位焊間距要根據工件的焊接要求來決定，如果工件是間斷的，定位焊要定在間斷焊縫的始端或尾端，長度約20 mm～30 mm，如果工件是連續(xù)的，間距約為200 mm，長度約為20 mm～30 mm。

5.3 焊接

(1) 焊接設備采用肯倍公司生產的Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)。

(2) 為控制焊接變形，盡量采用自動焊機進行焊接。

(3) 對于需要雙面焊的鋁合金板，在正面焊完后，要對反面進行清根后再進行焊接。焊縫背面清根要用專用鋁合金清根機，并輔以低速角磨機將根部清理均勻，對于清根機清不到的地方要用低速角磨機完成清根工作。以6 mm板為例，反面需清根3 mm左右。

(4) 焊后缺陷的修補必須采取與正式焊接時相同的工藝，返修范圍一般應分別向缺陷兩頭擴展50 mm。

(5) 施焊場地應盡量安排在室內，采取防潮、防塵、防風措施，風速大于2 m/s時必須采用擋風措施,以確保氬氣保護效果和焊接質量。

通過嚴格按照上述要求對焊件進行清理和焊接，模擬分段的焊縫成形美觀，焊縫氣孔得到了有效控制。

6 結論

采用ER5183焊絲對5083鋁合金進行了MIG焊接，研究了焊接工藝和部分參數對焊縫內氣孔產生的影響，主要結論如下。

(1) 鋁合金表面的氧化膜極易吸收空氣中的水分，因而對于鋁合金MIG焊氣孔防止來講，焊前清理是非常重要的。

(2) 焊縫坡口角度的大小會直接影響到氬氣的保護質量以及焊縫中氫逸出的難易程度，從而影響到焊縫中氣孔產生的傾向。

(3) 由于平焊位相對產生的氣孔要少，應盡量通過工裝把焊縫擺成平焊位進行焊接。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司.CB/T 3929-1999鋁合金船體對接接頭 X射線照相及質量分級[S].1999.

[2] Army Belvoir Research U S.Development and Engineering Center.Efficient Welding Fabrication Of Extruded Alluminum Mat Panels[R].1991.

[3] 李敬勇，章明明，趙勇等. 鋁合金 MIG焊焊縫中氣孔的控制[J].華東船舶工業(yè)學院學報, 2004, 5: 78-81.

[4] 水野政夫，田和之，阪口章.鋁及其合金的焊接[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

[5] 韓萍,徐軍偉. 鋁合金焊接缺陷分析[J].機械工人，2008，1-2：45-46，48.

[6] 胡煌輝. 鋁合金MIG焊時氣孔的預防[J]. 電力機車與城軌車輛，2003，26(3)：41-42.

[7] 周振豐. 金屬熔焊原理及工藝[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，1981.

The MIG Welding Technology of Marine Aluminium Magnesium Alloy and the Effect of Parameter on Weld Porosity

WANG Dong-tao， ZHANG Wei

(Navy Representative Office Stationed at Shanghai Hudong Zhonghua (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

On the basis of welding procedure test, the welding technology of marine aluminium magnesium alloy and the effect of parameter on weld porosity are analyzed. The prevention measure of porosity formation is proposed. The research achieves a good result in practical application.

Aluminium magnesium alloy MIG welding Porosity

王東濤(1967-)，男，高級工程師。

U671

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