铝与铝合金焊接的缺陷与检验.docx

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铝与铝合金焊接的缺陷与检验

第五节：

铝及铝合金焊接缺陷与检验

铝及铝合金焊接时，由于其特殊的物理和化学特性以及焊接过程操作的难度，容易出现焊接缺陷。

作为焊工，必须了解焊接缺陷产生的原因，掌握防止和消除焊接缺陷的对策和方法，才能实现保证焊接质量、制造优良焊件的目的。

相比钢铁的焊接，铝及铝合金焊接缺陷也存在同样多的种类，导致缺陷产生的原因也更复杂。

铝及铝合金焊接缺陷主要为未熔合、气孔、下塌、热裂纹、夹杂等。

一、未熔合

1.导致产生未熔合的原因

未熔合通常表现为焊丝熔化、母材未熔化或是同一焊缝上一侧母材熔化、另一侧母材未熔化而形成的焊接接头。

铝及铝合金的导热系数大，约是钢的2～3倍；其比热也很大。

这样，要使铝及铝合金接头熔化后焊到一起，必须使用能量集中、功率大的热源。

在焊接方法确定的条件下，结构的形状、尺寸、位置、表面状态的差异，以及焊工操作的熟练程度都可以产生未熔合的缺陷。

未熔合的产生与焊件的坡口形状和焊接规范有很大关系。

尤其当采用MIG焊进行厚板多层焊时，常常会在图2-5-1所示的部位产生未熔合，即：

图2-5-1MIG多层焊时易产生未熔合的典型情况

a一坡口侧面的未熔合b一清根后的焊道根部未熔合

（1）在焊根或第二层焊道以下的坡口面上，由于焊接规范的变化而产生未熔合。

（2）清根处理后在封底焊的根部焊道金属中产生未熔合。

焊接规范对产生未熔合的影响，首先取决于焊件的坡口根部形状和尺寸，焊接电流的影响也很大。

通过对厚度为50mm的板材在不同大小坡口根部半径和焊接电流下产生未熔合的影响的研究可知：

未熔合随坡口根部半径和焊接电流的增大而减小。

U形坡口比V形坡口产生未熔合的可能性要小，横焊时的实测结果是这样，立焊时也可以得到同样的结果。

电弧电压对产生未熔合的影响没有焊接电流和坡口根部半径变化对其的影响那么明显。

焊接电流对焊缝熔深的影响非常直接，熔深随坡口根部半径和焊接电流的增大而增大。

通过用断面检验法我们掌握了未熔合与熔深的关系。

当熔深小于1mm时，很容易产生未熔合；当熔深大于lmm时，则不产生未熔合。

所以，为了防止产生未熔合的现象，必须选择能够保证熔深达lmm以上的焊接电流。

还有几种情况要注意防止产生未熔合的现象：

（1）结构形状复杂，会进一步增加结构本身的储热能力。

、使得原有的焊接热源的比功率下降，导致未熔合。

（2）如果接头的尺寸不一致，尺寸较小（板厚较薄）的一侧熔合好，则另一侧易产生未熔合。

（3）平焊与仰焊时，焊缝表面如未经去膜处理；也都会造成未熔合的缺陷。

2.防止和消除未熔合缺陷的措施

未熔合缺陷在铝及铝合金焊接中极易发生。

未熔合俗称假焊；不易被发现。

未熔合的缺陷使接头抗拉强度下降，而且还会引起应力集中，是一种非常危险的焊接缺陷。

通常，厚度小于6mm的铝及铝合金板产生未熔合缺陷的现象较少。

对厚板、坡口根部窄的焊缝要特别小心产生来熔合缺陷。

注意：

通过调节焊接电流能够消除未熔合，但有时会造成假象，表面上似乎熔合了，实际上仍可能存在未熔合。

防止和消除未熔合缺陷的措施应针对其产生的原因。

除了首先在设计上考虑以外，焊工可采取的相应措施有：

（1）严格清理工件表面。

（2）厚板或大型铝及铝合金结构采取适当预热。

（3）对厚板或大型铝及铝合金结构加大焊接线能量；降低焊接速度或增加电弧在坡口两侧的停留时间。

（4）改变焊接角度。

（5）有条件时使用工装来改变焊接位置：

平焊位，平角、焊位好；船形位最佳；对较厚板焊缝采用较小坡度的爬坡焊更佳。

3.对未熔合缺陷的处理

发现焊缝出觋未熔合的缺陷，必须先使用机械的方法清除：

（1）钢制扁铲铲除。

（2）电动或风动铲铲除。

（3）用电动或风动铣削工具清除。

然后对焊缝进行仔细的清理，如毛刺、尖角等，再根据产生缺陷的原因，调整工艺，采取相应措施进行修复。

二、气孔

气孔是铝及铝合金焊接时较难根除的缺陷之一。

气孔不但降低接头的强度，对有致密性要求的结构是致命的缺陷。

1.产生气孔的原因

气孔的生成机理是很复杂的。

但大量的实验研究已证明：

铝及铝合金焊接时产生的属氢致扩散气孔。

由于铝及铝合金的物理本质特征，使得它们在液态时可熔解相当量的氢，而在固态时几乎不能熔解。

在接头熔池的结晶和冷却过程中氢无法及时逸出，而残留在焊缝内形成气孔。

产生气孔的最重要原因是氢的存在。

一般认为氢的来源有以下几个方面：

（1）在焊材和母材中溶解的氢。

（2）焊材和母材表面的氧化膜、油污、水分等。

（3）保护气氛中的氢和水分。

（4）在保护条件不完善时卷入电弧气氛中的空气所带有的氢和水分。

2.焊接规范对产生气孔的影响和相应对策

焊接规范对产生气孔的影响已有很多研究成果。

一般认为，影响气孔生成的直接原因和间接原因以及防止和减少气孔的对策有以下几点：

（1）焊接方法

就焊接方法而言，TIG焊比MIG焊产生的气孔要少。

生产经验和实验都证实了这点

（2）焊接电流、电弧电压和焊接速度

由于焊接熔池的冷却速度取决于焊接电流、电弧电压和焊接速度，所以，气孔的数量与焊接电流、电弧电压和焊接速度有很大关系。

实验表明：

气孔随电弧电压增高而增多，随焊接电流的增大而减少。

这是因为焊接电流增大即是焊接热输入增大，这会使焊接熔池的冷却速度变慢。

焊接速度对气孔的生成也是有影响的。

在一定焊接速度范围内，气孔随焊接速度的增大而增大；但焊接速度进一步增大，气孔反而减少。

这是因为结晶速度增大，气泡来不及扩大，也就不能形成气孔；或者即使形成了气孔，也可能由于其尺寸过小而被挤碎以至检验不出来。

但在实际生产的焊接工艺中，都不采用产生气孔量少的那种极端的焊接规范，而主要采用中等焊接热输入量的容易产生气孔的焊接规范，当然就难以避免产生气孔的问题。

（3）保护气体的种类、纯度或流量

采用纯氦比采用纯氩作保护气体产生气孔的量要少；采用Ar35%+He65%的混合气比采用纯氩作保护气体产生气孔的量也要少。

所以，厚板结构、重要结构、对气孔有特殊要的结构就应该采用纯氦或采用Ar35%+He65%的混合气体作保护气体。

保护气体的流量与气孔的关系是随焊接速度而改变的。

在一定的焊接速度下，某一流量下的气孔数量最少，低于或超过这一流量，都会导致气孔数量增多。

（4）焊材和母材的表面处理状态

这里主要是指焊材和母材表面的清洁度和干燥度。

（5）焊件坡口和接头的形状

关于焊接位置、坡口和接头的形状、焊缝间隙对气孔生成的影响，长期以来已取得相当一致的意见。

横焊比平焊容易产生气孔；焊缝间隙大的比间隙小的产生气孔的数量要少，U形坡口比V形坡口对防止气孔产生要好。

（6）喷嘴的形状、大小和焊枪的角度

喷嘴的形状应根据焊缝的形状和位置来选择；喷嘴的大小取决于板厚和焊接规范；焊枪的角度要注意调整。

（7）环境温度、湿度以及自然风

潮湿的环境下是不利于铝及铝合金焊接的，会产生大量的气孔，必须加以改变；自然风等空气流动会影响保护气氛的效果，必须注意防止。

（8）其他原因

对有些焊缝采用清根处理的方法是减少气孔的有效措施。

合理的预热效果、正确的焊接方向对防止和减少气孔都是很有帮助的。

3.防止和消除气孔缺陷的措施

铝及铝合金焊接气孔缺陷产生的原因很复杂，要想完全避免或根除是非常困难的。

目前，我们只能从设计、工艺等方面来采取措施进行控制。

（1）在设计上尽量减少容易产生气孔的焊接形式

1）减少容易产生气孔的横焊和仰焊位置的焊接接头。

2）保证能够进行正常焊接操作。

避免出现难以操作的焊接位置或形状复杂的焊接部位。

（2）确定适宜的工艺方法和焊接规范

1）根据母材和焊接位置的具体情况认真确定焊接规范。

2）焊前处理程序细致到位（除油污、灰尘、清除氧化膜等）。

3）起弧、收弧部位的处理方法（保护气体的预吹、滞后停气，采用引、熄弧板，接头处理技术）合适。

（3）加强焊接过程的管理

1）母材和焊材的管理。

2）焊接设备和工具的日常检查。

3）焊前处理后到焊接之前的坡口保护。

4）环境的湿度、清洁度和风等方面的控制。

（4）及时、迅速反馈焊接过程中的气孔状况

1）操作初期确定有无气孔产生。

2）出现气孔要及时查明原因，采取改进措施。

这里应该指出，焊工、检验员、工程技术人员之间的配合，首检、自检和互检的把关对防止气孔缺陷的产生是很有作用的。

（5）其他方面

1）注意焊材和母材表面的氧化膜、油污、水分的清理。

2）空气湿度对电弧气氛的影响。

3）流动气体（如风）对保护气氛稳定性的影响。

、4）施焊过程中尽量不做横摆，保持运条稳定。

5）对气体保护焊注意停气应有滞后时段。

6）焊接工艺上可采取适当预热，增大线能量，增加高温停留时伺，改变电源极性，使用脉冲焊或在保护气体中加入适量的氧气或二氧化碳气等措施。

4.对气孔缺陷的处理

单个大气孔或密集型气孔群或影响结构性能的气孔都必须被铲除，焊件要重焊。

具体方法应根据产品图样及相关技术要求来确定。

三、热裂纹

1.焊接裂纹的分类

铝及铝合金焊接接头中的焊接裂纹，根据其产生的部位和形态可分为：

（1）焊道金属中的裂纹

纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹。

（2）热影响区的裂纹

焊趾裂纹、层状撕裂和熔合线附近的显微裂纹。

2．热裂纹

由于铝及铝合金焊接接头中的焊接裂纹，主要是由晶界上的合金元素的偏析或低熔点物质的集聚加上热应力的作用而产生的，所以常称为热裂纹。

热裂纹主要是焊缝金属凝固裂纹，也可在近缝区产生液化裂纹，尤其是高强度铝合金焊接时最为常见。

热裂纹的产生机理为：

（1）铝及铝合金线膨胀系数大，是钢的2倍。

其在拘束条件下会造成较大的焊接应力。

（2）铝及铝合金是典型的共晶型合金，热裂敏感性随液-固相线温度区间的增大而增大，当合金中有低熔共晶体或有杂质作用时，热裂倾向会增大。

（3）当杂质较多时，其低熔共晶物增加，晶界容易产生并存有低熔共晶薄膜，更增大热裂倾向。

可以认为，合金成分对热裂纹的影响最大。

根据研究结果，铝-镁合金系列焊缝金属中的镁含量与裂纹的关系是：

当镁含量在1%～2%，的范围内时，产生热裂纹的可能性最大。

与焊接裂纹长度峰值区相对应的合金元素的含量，因合金元素的种类而不同，其值约为：

2000系列合金：

w（Cu）=1～3%

4000系列合金：

w（Si）=0.6～0.8%

5000系列合金：

w（Mg）=Mgl～2%

6000系列合金：

w（Mg）=2%，w（si）=1%

经验表明，常用合金的抗裂纹能力按下列顺序增加：

2000系列（铝-铜）合金、7000

系列（铝-锌-镁-铜）合金、6000系列（铝-镁-硅）合金、7000系列（铝-镁-锌）

合金。

而1000系列（工业纯铝）、3000系列（铝-锰）合金、4000系列（铝-硅）合金和5000系列（铝-镁）合金的焊接性能良好，都不易产生裂纹。

3.防止和消除裂纹缺陷的措施

热裂纹是不允许存在的焊接缺陷，必须杜绝。

根据热裂纹敏感性的影响因素，我们可以通过改变焊接方法，调整工艺参数，匹配母材与焊材的合金成分，降低接头的拘束等措施来防止。

（1）防止裂纹产生的最主要的措施是选材

一般说来，在基体金属中，添加铜的合金的裂纹敏感性较高，镁、锌和硫等合金元素也有不同程度的影响。

经验表明，对镁含量低的基体金属采用镁含量高的焊接材料（如5183、5356、5556等），是降低裂纹敏感性的有效办法。

另外，通过添加微量元素（如Ti、Ti+B、Zr）来细化晶粒也可显著地减少裂纹。

（2）在设计和工艺上的考虑

如果焊道薄，焊缝根部间隙大的接头容易产生纵向裂纹。

此时应增加熔敷金属量（减小焊接速度或增大焊接电流），并采用降低拘束应力的焊接顺序。

另外，对带永久性焊接衬垫的焊缝，一般来说采用先设置反变形或在衬垫上加工沟槽的方法，均能防止产生焊根（焊缝根部）裂纹，如图2-5-2所示。

图2-5-2带永久衬垫的焊缝的焊根裂纹及其防止方法

我们知道，弧坑裂纹是以最后凝固区为中心而产生的，因此息弧时必须处理弧坑。

当焊枪停止运动时，应使电弧继续燃烧，待弧坑填满之后息弧。

当进行连续焊时，要养成先清理弧坑或接头而后进行连续焊的习惯。

4.热裂纹的处理

（1）对于已经出现的热裂纹则必须全部铲除重焊。

（2）处理方法可参照未熔合缺陷的处理方法进行。

（3）值得注意的是处理完后，应确认裂纹全部清除再开始焊接。

四、其他缺陷

1.下塌或焊穿

铝及铝合金焊接时，颜色无明显变化，没有实践经验很难判断熔池温度，往往导致焊缝下塌甚至烧穿。

这在薄板焊接和使用气焊或TIG焊时易发生

该缺陷影响接头美观，导致应力集中，增大焊接工作量，要注意防止。

防止和消除下塌和焊穿缺陷的措施有以下几点：

（1）焊缝背面加衬垫。

（2）焊接时不断地用焊丝划拨焊接处母材表面，注意温度变化，随时注意调整焊枪角度。

（3）注意焊接规范的控制，尤其是焊接电流不宜过大。

（4）注意熔池的形状和大小，防止高温侍留时间过长。

2．夹杂

铝与氧的亲和力很大，在高温作用下，极易在短时间内形成熔点高、致密的Al2O3薄膜，阻碍金属间的良好熔合，同时又极易造成夹杂。

使用TIG焊时如果焊接电流过大，会导致钨极严重过热而熔入焊缝产生夹钨；或者因钨极太靠近熔池而导致夹钨。

铝及铝合金焊缝夹杂，不仅仅会降低接头强度，更重要的是会使焊缝金属脆化，焊缝极易产生裂纹。

防止和消除夹杂缺陷的措施是：

（1）焊接前应仔细清理母材、焊材表面的氧化物。

（2）焊接过程中注意熔池和焊缝的热态保护。

（3）使用TIG焊时，要注意钨极与熔池之间的距离；控制焊接电流，防止钨极的熔化造成焊缝局部夹钨形成夹杂。

3.其他

铝及铝合金焊接还存在接头软化，接头导电性、耐蚀性下降等缺陷。

这些缺陷一般是观察不出来的，必须借助试验手段来确定。

五、焊接缺陷的检验

焊接缺陷的检验分为破坏性检验和无损检验两种。

对于试板焊缝的内在质量常用破坏性检验来确定；而铝及铝合金焊接产品缺陷通常使用无损检验来确定。

这皇主要介绍无损检验。

无损检验常用方法为：

（1）外观检查。

（2）渗透探伤。

（3）射线探伤。

（4）超声波探伤。

（5）耐压检验（水压检验）。

（6）密封性检验（气压检验、真空检验或采用氨气检验）

1.外观检查

外观检查是根据相关质量标准来检查焊接结构的外部质量是否合乎标准的检验，是一项重要的必不可少的检验步骤。

外观检查的内容通常包括：

（1）焊缝的宽窄差、余高以及表面成形等。

（2）焊接咬边、裂纹、气孔、未熔合、焊瘤等。

（3）焊接接头错边量、角变形量。

（4）零件或结构的变形、最终尺寸。

外观检查一般是使用诸如焊缝测量器、平尺等工具，利用目测手段进行。

对重要焊缝也常常使用3～5倍放大镜进行检测。

2.渗透探伤

渗透探伤是铝及铝合金焊接接头表面缺陷的最主要和最重要的检查方法。

渗透探伤又称荧光着色检验，它适用于不能或不方便进行射线探伤或超声波探伤的焊接接头和焊接结构。

3.射线探伤

射线探伤是重要的铝及铝合金焊接接头和焊接结构无损检验及其质量控制的检验方法，目前应用最多。

4.超声波探伤

超声波探伤是铝及铝合金焊接接头和焊接结构无损检验及其质量控制的另一种检验方法。

一般认为，对于铝及铝合金焊接接头未熔合等表面缺陷，超声波探伤比射线探伤的检测灵敏度还要高。