環境濕度對高速列車鋁合金熔化極惰性氣體保護焊接頭影響分析

摘要：我國國土面積遼闊，氣候環境多樣，高速列車無論是在生產過程還是在運行過程中均要經受復雜氣候變化的考驗。在鋁合金車體熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）焊接過程中，環境溫度、濕度、風速等均對焊接接頭的微觀組織、常規力學性能以及疲勞性能等產生不可低估的影響。以往的試驗研究發現，空氣濕度對鋁合金焊接過程中含氫量及氣孔的形成有著重大影響。

關鍵詞：鋁合金焊接;空氣濕度;含氫量;氣孔

1. 研究背景及意義

鋁合金對氣孔有很大的敏感性[1]，而氫是鋁及鋁合金熔焊時產生氣孔的主要原因[2]，鋁合金焊接中很少量的氫污染都能引起嚴重的氣孔，而沉淀在鋼中相同的污染對鋼焊縫的質量則無明顯的影響。氫之所以能使焊縫形成氣孔，與它在鋁及鋁合金中溶解度的變化特性有關。平衡條件下，氫在鋁及鋁合金中的溶解度在凝固點時可以從0.69 ml/100g突降到0.036 ml/100g，相差約20倍（在鋼中只相差不到2倍），這是氫容易使焊縫產生氣孔的重要原因之一[3]。況且，鋁的導熱性很強，不利于氣泡的逸出，易于促使形成氣孔[4]。鋁合金焊縫中氫的來源，除了焊接工藝因素外，最重要的就是在電弧氣氛中侵入了空氣中的水分，因此研究空氣中水分對鋁合金焊接接頭中的含氫量以及氣孔率的影響有重要意義[5]。

2. 焊縫中氣孔形成過程及影響因素

氣孔在焊縫中的形成過程分為三個階段，氣泡形核、氣泡長大、氣泡上浮[6]。焊接熔池冷卻結晶時，氣泡上浮的速度小于熔池結晶的速度，氣泡則被滯留在焊縫中，形成氣孔。當濕度比較大時，焊接電弧產生很高的溫度，促使空氣中的水分分解出氫，氫在焊縫熔池中的溶解量與焊接時環境中水分電離出的氫濃度成正比。但當焊接熔池中的金屬冷卻凝固時，氫在焊縫金屬中的溶解度將突然降低，隨著焊縫金屬中氫濃度的降低直到達到過飽和，這就為氣孔形成提供了前提條件，同時焊接熔池中存在很多附著界面，如母材未熔化的固態晶粒、分布不均的溶質質點等，為氫氣泡的非自發形核提供了必備條件。

如果附著在介質上的氣泡半徑比較小，表面張力構成對氣泡的壓力又比較大，則小氣泡很難自行長大，滯留在焊縫中形成較小的氣孔。在焊接過程中，氣泡在熔池內隨著液態金屬的流動而游動，在氫的擴散和液態金屬的對流作用下，游動的氣泡不斷和相鄰的氣泡合并長大，形成較大的氣孔。

氣泡能否形成氣孔的關鍵是氣泡的上浮速度，氣泡上浮的速度與半徑的平方成正比。即氣泡的半徑越大，氣泡的上浮速度越快，越容易逸出，氣泡的半徑越小，氣泡上浮的速度越慢，越容易殘留在焊縫金屬中，形成氣孔。另外，液態金屬密度的大小與氣孔的形成也有著很大關系，密度越大粘度越小，越不容易形成氣孔。

3. 環境濕度對鋁合金焊接接頭質量的影響及機理

薛小懷、鄧正才等進行了6061鋁合金氣孔敏感性研究，結果表明環境溫度和濕度顯著影響鋁合金焊接時的氣孔敏感性。MIG焊時氣孔敏感性對環境因素的影響比TIG焊顯著[7]。

BY R.F.ASHTON， R.P.WESLEY 和C.R. DIXON等研究了氣孔對5086-H116鋁合金焊接接頭性能的影響，研究表明焊縫中的氣孔會引起接頭抗拉強度、沖擊韌度的降低，同時會使接頭抗彎曲性能變差[8]。

日本氣孔防止研究委員會研究了氣孔對鋁合金焊接接頭性能的影響，得出結論：當氣孔缺欠在JIS（1995）的4級（相當于GB/T 22087-2008 所規定的B級）以上時，氣孔的影響不至于造成靜強度的下降;當大氣孔分布在焊縫中心時氣孔的影響顯著，可是抗拉強度降低16%;當去除焊縫加強高時，氣孔對疲勞強度的影響比對靜強度的影響更大[9]。

濕度對焊接接頭的各項力學性能、裂紋傾向以及氣孔生成等的影響均離不開濕度變化導致接頭中含氫量不同的原因。

劉全印在《關于焊接材料擴散氫含量檢測試驗的討論》一文中提到，鋼焊縫中，氫大多以原子或離子狀態存在，這些半徑相對較小的原子或離子可以在晶格中進行擴散， 一般稱之為擴散氫;另一部分氫擴散到晶格缺陷、顯微裂紋和空隙處的氫會結合為分子狀態，由于體積變大而不能擴散，稱為殘余氫。在焊接接頭服役過程中，擴散氫會導致焊縫或熱影響區產生冷裂紋，而殘余氫主要存在于氣孔中，氣孔的存在會對接頭的機械性能產生嚴重影響[10]。

余巍、張京海等人在溫濕可調焊接實驗室中進行了不同環境條件下的測氫焊接試驗，研究了環境條件對熔敷金屬中擴散氫含量的影響，在溫度一定的條件下，環境相對濕度越高，則熔敷金屬中擴散氫含量越大。熔敷金屬中擴散氫含量隨著空氣中的水蒸汽分壓，即絕對濕度的增加而明顯增加[11]。

4. 分析與討論

環境濕度對鋁合金MIG焊的作用主要體現在，隨環境濕度變化，焊縫中的氣孔率變化，進而對接頭裂紋、強度、服役性能等產生影響。目前國內外文獻中關于焊接環境對接頭組織性能影響的相關報告中絕大多數是針對鋼焊縫，對相應鋁合金環境濕度焊接敏感性的研究很少，而隨著國民經濟的發展，鋁合金的應用領域及范圍迅速擴大，對鋁合金濕度環境焊接性能的影響研究日趨必要。

參考文獻：

[1] Vell Smith. US. Efficient Welding Fabrication of Extruded. Aluminum Mat Panels[R]. Army Belvoir Research， Development and Engineering Center. September， 1991

[2] MALINA. Study of metallurgical phenomena in the HAZ of 6061 - T6 aluminum welded joints[J]. Welding Research Supplement， 1995，（12）： 305-318

[3] 周振豐.金屬熔焊原理與工藝[M].北京：機械工業出版社，1981：144

[4] T. Luijendijk： Welding of dissimilar aluminum alloys. Journal of materials processing technology， 2000，（103）：29～35

[5] 李敬勇，章明明，趙勇等.鋁合金MIG焊焊縫中氣孔的控制[J].華東船舶工業學院學報（自然科學版），2004，18（5）：80

[6] 王明濤.LF2鋁合金焊接氣孔的控制.《Technology&Testing》[J]，2003年5期.

[7] 薛小懷，鄧正才等.6061鋁合金氣孔敏感性研究[J].汽車焊接國際論壇，2003：312

[8]? BY R.F.ASHTON， R.P.WESLEY and C.R. DIXON. The Effect of Porosity on 5086-H116 Aluminum Alloy Welds[J]. WELDING RESEARCH

[9] 日本氣孔防止研究委員會. 鋁及其合金焊縫氣孔的評價及其產生傾向-氣孔對焊接接頭性能的影響（M）. 輕金屬熔接，1980

[10] 劉全印，暢寶鋼. 關于焊接材料擴散氫含量檢測試驗的討論[J].焊接技術，2011，40（4）：52

[11] 余巍，張京海等.環境條件對熔敷金屬中擴散氫含量的影響[J].材料開發與應用，1999，14（4）：11

作者簡介：張明月，女，（1987.06-），漢族，河北省遵化市人 ，博士研究生，講師，材料成型及控制技術專業帶頭人，金屬材料研發、焊接方法與工藝研究、職業教育專業建設。