焊接气孔的产生原因和防止措施

本文主要分析焊接气孔产生的原因及预防措施，其经验源于传统焊接，但对激光焊同样有很高的参考价值。

焊接缺欠分析：焊缝气孔

⑴气孔形成的条件Ve≤R

Ve--气泡浮出速度R—焊缝凝固速度

⑵气孔类型

①析出型气孔---溶解度突变的气体N、H；

②反应型气孔---熔池反应生成溶解度极低的气体CO：[FeO]+[C]=（FeO）+CO↑

焊接气孔的形成原理

析出性气体高温时溶入，常温时析出。


不同的结晶速度对形成气孔的影响


熔池存在的时间增加，则对反应性气体排出有利；对析出性气体，既要考虑溶入，又要考虑逸出。

焊接气孔的形态及发生位置

在焊缝长度方向上：单个气孔密集气孔链状气孔

在焊缝横截面内：弥散气孔、根部气孔、层间气孔、熔合线气孔（熔合线内部气孔、熔合线表面气孔）；

在缺陷发生位置上：内部气孔、表面气孔、起弧处气孔、弧坑气孔等

X光射线底片呈现的气孔形态


X光射线底片呈现的气孔形态


产生的气孔主要有三种：一氧化碳气孔、氮气孔、氢气孔。

（一）一氧化碳气孔

焊丝中脱氧元素（Mn/Si）含量不足,焊接过程中就会有较多的FeO熔于熔池金属中。随后在熔池冷凝时熔池中的FeO和C会发生化学反应：Fe+CO

当熔池金属冷凝过快时，生成的CO气体来不及完全从熔池内部逸出，从而成为气孔。通常这类气孔常出现在焊缝根部与表面，且呈“长虫”形状。



呈“长虫”形状为一氧化碳气孔





（二）氮气孔

气体保护作用不良：在CO2/MAG气体保护过程中如果因工艺参数选择不当等原因而保护作用变坏；喷嘴口的气体形状由“层流”变为“紊流”态，保护气体搅进空气；CO2/MAG气体纯度不高；气体压力过高（大于0.3Mpa）；气体压力过小（小于0.2Mpa）；气体压力不稳定；气体流量过大（大于25L/min）；气体流量过小（小于15L/min）；焊丝干伸长过大，或电弧电压过高，弧长过长；在电弧高温下空气中的氮会熔到熔池金属中。当熔池冷凝时，随着温度的降低，氮在液态金属中溶解度降低，尤其是在结晶过程时，溶解度将急剧下降。这时从金属中析出的氮若来不及外逸，常会在焊缝表面出现蜂窝状气孔，或者以弥散形式的微气孔分布于焊缝金属中。这些气孔呈“针尖”状。往往在抛光后检验或水压试验时才能发现。


蜂窝状氮气孔

（三）氢气孔

焊缝金属溶解了过量的氢：CO2/MAG气体保护焊时，如果焊丝及焊件表面有铁锈油污与水分；CO2/MAG气体中含有水分，或者焊接环境湿度过大；则在电弧高温作用下这些物质会分解并产生氢，氢在高温下也易熔于熔池金属中，随后，当熔池冷凝结晶时，氢在金属中的溶解度急剧下降。若析出的氢来不及从熔池中逸出，就引起焊缝金属产生氢气孔。这些气孔呈“圆球”状。


呈“圆球”状氢气孔



焊缝出现气孔（简析）


产生气孔的主要原因（有23条）

1）空气侵入电弧和熔池区域：

1、1保护气体压力、流量过大或过小；

1、2保护气体喷咀过小或状态不好；

1、3焊枪倾角过大或焊枪距离过大；

1、4焊丝伸出端过长或导电咀弯曲；

1、5保护气体管道堵塞或泄漏；

1、6穿堂风；

1、7电弧偏移或电弧磁偏吹；

1、8电弧过长，电弧电压过高；

1、9电弧不稳（送丝不稳定）；

2）熔池内产生气体状物质：

2、1熔化的偏析带；

2、2焊丝和保护气体搭配不当；

2、3焊层结构布置错误；

2、4焊枪摆动过大，熔池过大；

2、5未打磨掉点焊部位直接焊上去；

3）焊枪故障：

3、1冷却水系统密封不良；

3、2保护气体出口孔堵塞；

3、3保护气体喷咀不良或配合不当；

3、4导电咀位置不对；

4）工件和焊丝的表面缺陷：

4、1工件或焊丝表面受潮、生锈污秽油漆、油脂和水及焊渣；

4、2焊丝或工件表面带有低沸点的金属涂层如铅、锌和镉；

5）焊接参数选择不当

5.1电弧电压过高

5.2焊接速度过快

5.3干伸长过大















铝及铝合金MIG焊内部气孔多

产生原因：母材氧化膜和油、水等杂质未彻底清理干净；焊丝质量差，表面有氧化膜和油、水等污物；气体不纯，Ar<99.999%；

焊枪喷嘴保护不好，搅进空气；

电弧电压过高，弧长高，熔滴吸入空气；

空气湿度大，环境潮湿；等等


铝焊缝内的氢气孔

解决方法：

严格清理母材表面氧化膜（机械或化学清理法）；

严格清理油、水等杂质（用丙酮去油和水）；

用表面光亮、光洁、光滑的优质铝焊丝；

使用Ar≥99.999%的高纯氩气保护；气体流量：22—25L/min；

必须采用”左向焊法“，焊枪保护好；

电弧电压调试在”亚射流过渡“状态；

脉冲MIG调试出”一脉一滴“状态；焊前预热铝工件80--100℃；等等


铝焊缝内的氢气孔


铝合金焊缝中的““结晶层气孔”


铝合金MIGMIG焊接的熔深和气孔


母材氧化膜引起的气孔

药芯焊丝焊缝表面压痕气孔

产生原因：

药芯焊丝内部药粉潮湿；

水蒸汽造成CO气孔；

熔渣凝固，浮出的气体将焊缝表面压出“虫状”压痕气孔。


“虫状”压痕气孔

解决方法：

药芯焊丝严禁吸潮；

当天没有用完的焊丝，要密封入库；

出现“虫状”压痕气孔的焊丝，必须报废，禁用。


“虫状”压痕气孔


某公司焊接气孔要因分析


MAG焊接气体保护问题改善













机器人焊接气体保护问题改善


焊工工位焊接气体保护问题改善




焊接气体保护问题改善


CO2/MAG焊接气体保护问题改善





焊接气孔问题

铝合金焊接过程中形成的气孔

铝是活性元素，本身能脱氧，不象钢焊接过程中会形成CO或CO2气孔，所以主要是氢气孔。

铝的导热系数很大，在相同的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度是高强钢的4~7倍，不利于气泡的逸出。

氢的主要来源

1）保护气体中的水分；2）焊材和母材表面吸附的水分；3）工件坡口处的氧化膜、油污等；4）母材加工过程中的污染物。

铝合金MIGMIG焊接的气孔影响因素

铝合金表面清理质量（未除油和赃物及氧化膜）

焊接参数（电压过高，电弧过长和发散，气孔多）

保护气体纯度（低于99.99%不能用）

环境温度和湿度（温度≥26°湿度≥80%气孔多）

焊接位置（横焊、仰焊气孔多）

母材和焊丝氢含量（国产焊丝杂质多，氢含量高，表面脏）

焊枪角度和干伸长度（前进法，行走角70°；干伸长度≤20mm.）

铝合金MIGMIG焊接的气孔倾向

氢气孔目前难以完全避免，氢的来源很多，有电弧气氛中的氢、铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等等。只能将气孔抑制到一定程度。

氩气达到GB/T4842标准要求，纯度99·99%以上。但当水分含量≥20ppm时，会出现大量的密集气孔，X光射线拍片为不合格。

空气相对湿度超过80%，焊缝明显出现密集气孔，X光射线拍片为不合格。

焊工的操作技能也有很大的影响。

铝合金焊缝气孔的影响因素

焊接方法的影响

MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；

另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的逸出。

铝合金焊接工艺参数因素的影响

焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间，从而对氢的溶入时间和析出时间产生影响。

MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更为显著，不能通过减少熔池时间来防止氢向熔池的溶入，所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。

保护气体因素的影响

采用高纯Ar或采用Ar+He改变（即提高）热容量，改变溶池形状，使尖“V”型变为圆底型，延长溶池停留时间，有利于气孔逸出。

母材表面状态因素的影响

不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。

MgO疏松，易吸水，产生气孔倾向大；

MnO致密，不易吸水，气孔倾向小。

工作环境因素的影响

环境因素主要是指温度和湿度。

0°C以下，湿度不影响气孔的产生；

0°C以上，温度越高，湿度越大，越易对气孔敏感。

另外，表面油污也严重导致气孔产生。