不同焊接位置铝合金接头的气孔敏感性分析

不同焊接位置铝合金接头的气孔敏感性分析张宗来1袁兰

玲2袁陆雷俊2袁桂赤斌3

（1.福建省白马船厂，福建福安355011；2.上海船舶工艺研究所，上海200032；3.华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074）

铝合金的焊接特点之一是容易产生气孔，大量气孔的存在不仅会减少焊缝的有效截面强度，还可摘要：

能因为气孔形成失效源，严重时破坏焊接结构，影响焊缝的使用性能。铝合金焊缝产生气孔的因素很多，试验设计：固定焊接工艺参数，对不同焊接位置的试板进行焊接试验，结合X射线无损检测结果分析5083铝合金MIG焊接头气孔敏感性与焊接位置的关系，总结焊缝中气孔的分布规律。在相同焊接条件下横焊位置焊接时对气孔的敏感性最高，这是因为横焊位置处的电弧不正对熔池，熔池受热不均匀，且电弧对熔池的搅拌作用较弱造成的。通过优化焊接工艺参数和控制焊接环境能有效改善焊接气孔的敏感性，提高焊接质量可靠性。

铝合金；MIG焊；气孔关键词：

TG457.1A中图分类号：文献标志码：

10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.25阅韵陨：

员园园员原圆猿园猿（圆园20）03原园133-04文章编号：

0前言

船舶相关金属材料焊接工艺方面的研究工作。

E-mail：522270401@qq.com。

由于铝合金材料密度小、强度高、热导率高、耐

腐蚀性能强、耐低温。具有良好的物理性能和力学性能，适用于某些船舶的建造[1-2]。

铝合金在焊接过程中，易产生未熔合、夹渣（条）、气孔等缺陷，最为常见的缺陷是焊缝气孔[3]。焊接线能量、弧长、送丝速度、运条角度等焊接参数都会对气孔的产生有不同程度的影响。此外，氢是铝及铝合金焊接时气孔产生的主要因素，氢来源于大气、保护气、焊丝以及母材表面所吸附的水分、焊道表面污染等，其中焊丝及母材表面氧化膜吸附的水分对焊缝气孔的产生有重要影响[4]。

铝合金焊缝中存在的大量气孔所形成的空洞组织会造成铝合金焊缝有效截面降低，严重时，使截面强度显著下降导致失效。另外，气孔的分布形

收稿日期院2019-04-25

作者简介院张宗来（1978—），男，本科，助理工程师，主要从事

式为链状成排存在或处于焊缝表面时，会形成裂纹

源导致设计可靠性下降。所以气孔控制一直是铝合金焊接的重要关注点。

5083铝合金广泛应用于船舶建造，其综合性

在铝合金船体维修焊接过程中，由于船体能良好[5]。

不能改变位置和翻转，会形成现场平、立、横、仰等焊接位置。本文主要针对不同的对接焊接位置，设计开展不同大气湿度条件下的焊接工艺试验方案，结合X射线检测结果从焊接质量复现和控制的角度进行铝合金不同焊接位置气孔敏感性试验研究，并有针对性地提出优化改善气孔缺陷的工艺措施，达到控制现场焊接质量的目标。

1

1援1

试验方案及试验材料

试验方案

1.1.1焊接试板准备

试板尺寸300mm伊150mm，厚度6mm。接头形式为对接双面连续焊，坡口角度70毅耀75毅、根部间隙为0耀0.5mm、钝边为0耀1mm、氩气纯度99.999%。由

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻·133·焊接工艺

第50卷

于铝及铝合金从固态转变为液态时无明显的颜色

焊接过程中随变化，加上其高温强度低、塑性差[6]，

着焊道温度逐渐上升，接头强度急剧下降软化，容易出现烧穿或塌陷等缺陷。为避免此种情况发生，在焊缝背面加不锈钢衬垫，用铝合金马板和铝楔铮牢，使衬垫和接头紧密贴合，如图1所示。待正面焊接完成后，去除铝合金马板、铝楔和不锈钢衬垫，使用铝合金锯片或螺旋锉等工具进行背面清根，清根深度3耀4mm，宽度7耀9mm。

1.2

图1Fig.1

接头形式

焊接方式

焊接方式选用熔化极气体保护焊（MIG）。1.1.3焊接环境、位置及检测方式

在温度25益，不同相对湿度（65%、70%、75%、80%、85%）环境下进行焊接，每个湿度为一组，每组都进行平、立、横3个位置焊接，焊接完成后对接头进行X射线无损检测（X射线机型号为：XXG-1605A），通过对比检测结果来考察不同接头位置的焊缝气孔的敏感性。1.1.4焊接参数

焊接电流105耀125A、电弧电压18耀21V、焊接速度25耀30cm/min，气体流量25L/min。

1.1.2

试验材料

Weldjointtype

表1

试验用母材为5083铝合金板，其化学成分如表1所示。焊丝为ER5183φ1.2mm，其化学成分如表2所示。

铝合金5083-H116板材化学成分

%

0.050.15w（Cr）（Ti）w（其他元素单独）w（其他元素合计）w（Zn）w0.250.15Table1Chemicalcompositionof5083-H116Alalloyplate

5083-H116牌号（Cu）ww（Si）w（Fe）w（Mn）w（Mg）0.40.40.40.4~1.04.0~4.90.05~0.25表2

Table2

牌号51830.40.40.10.5~1.0w（Si）w（Fe）w（Cu）w（Mn）w（Mg）4.3~5.2焊丝ER5183化学成分

%

0.050.15w（Cr）w（Zn）w（Be）w（Ti）w（其他元素单独）w（其他元素合计）0.250.0080.15ChemicalcompositionofER5183weldingwire

0.05~0.252

2.1

试验结果及分析

5组（15张）焊接接头X射线拍片结果如图2~

图6所示。结果显示，随着相对湿度的增大，焊缝中气孔数量逐渐增多。其中，平焊、立焊位置：在相对湿度为65%时，焊缝中没有气孔；相对湿度为70%、75%时，焊缝中分布着少量气孔；相对湿度为80%、85%时，焊缝中的气孔明显增多，表现为分散气孔和密集气孔。横焊位置：在湿度为65%、70%时，焊缝中分布着少量气孔；相对湿度为75%、80%、85%时气孔逐渐增多，特别是相对湿度为80%、85%时，横焊焊缝中的气孔增量最为明显，主要表现为密集气孔。

X射线无损检测结果

a平焊

b立焊

2.2焊接气孔产生原因分析

c横焊

图2Fig.2

相对湿度65%时不同位置焊缝X射线片X-rayfilmsofweldsatdifferentpositionat65%

铝合金焊接接头气孔是由焊接熔池中的氢所导致的。氢来源于几个方面：（1）从焊接材料及母材自身情况分析。由于铝合金极易氧化，在表面生成一

·134·耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻relatirehumidity

层氧化膜，对于5伊伊伊系铝镁合金的母材和焊丝，这

焊接工艺张宗来，等：不同焊接位置铝合金接头的气孔敏感性分析第猿期a平焊

b立焊

c横焊

图3相对湿度70%时不同位置焊缝X射线片

Fig.2

X-rayfilmsofweldsatdifferentpositionat70%

relatirehumidity

a平焊

b立焊

c横焊

图4相对湿度75%时不同位置焊缝X射线片Fig.2

X-rayfilmsofweldsatdifferentpositionat75%

relatirehumidity

层氧化膜包括Al3O2、MgO等。其中，MgO越多，形

成的氧化膜越不致密，吸水性越强，焊接时氧化膜中的水分容易侵入焊缝熔池中形成气孔，这是焊缝中气孔产生的主要原因之一。（2）环境及保护气体中的水分也是氢的重要来源。焊缝中气孔的数量与空气中的含水量（绝对值）及保护气体中的含水量质量分数）有直接关系。相同的焊接参数、焊接位置条件下，在环境及保护气体中的含水量低时所获得的焊缝气孔量少于含水量高时。因此，严格控制焊接环境中的水分特别是焊丝和母材表面的水分

a平焊

b立焊

c横焊

图5

相对湿度80%时不同位置焊缝X射线片Fig.2

X-rayfilmsofweldsatdifferentpositionat80%

relatirehumidity

a平焊

b立焊c横焊

图6相对湿度85%时不同位置焊缝X射线片Fig.2

X-rayfilmsofweldsatdifferentpositionat85%

relatirehumidity

是控制气孔产生的重要手段。

控制氢的来源措施包括：清洁焊丝表面及焊缝左右各30耀50mm范围内的油污、水分；提高保护气体纯度，降低含水量；保持气路干燥，避免空气、粉尘等侵入气路造成气路污染；尽可能避免在湿度大的环境中焊接，必要时可使用氧-乙炔火焰或喷灯对焊件局部预热以有效去除水分[7]。

除了通过控制氢的来源降低气孔敏感性以外，加强焊缝中氢的析出也十分重要。在三种位置对接

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻·135·（焊接工艺

试验中，在相同条件下，横焊位置表现出较高的气孔敏感性。由此可见，横焊位置不利于氢的析出。

氢在熔池中形成的气泡是从下至上运动的。在平焊、立焊位置，熔池正对电弧热流（见图7），受热集中较均匀，且易受电弧搅拌作用，便于气泡溢出。

图7不同焊接位置电弧热流与熔池的关系示意

Fig.7

Relationshipbetweenarcheatflowandweldpool

atdifferentweldingpositions

而在横焊位置，电弧不正对熔池，熔池受热不

均匀，且电弧对熔池的搅拌作用较弱，故气泡不易溢出，容易形成气孔。因此，解决横焊对接的气孔缺陷2.3问题是焊接提气升铝孔合产生金产优品化控制

焊接质量的关键。

为进一步降低横焊位置对气 孔的敏感性，采取以下优化工艺措施：（1）环境湿度控制在7缘%及以下0.08%；（2）斜月牙的采等运氩用气纯条进行度99.999%方式焊增接强；（电3、）含弧采水对用量焊倾斜（质量分缝上45口毅斜数）小于边圆缘圈的加或热和搅拌作用，降低焊接速度以延长熔池液态存续时间，有利于熔池中气孔的溢出；（4）增加焊枪引弧前的送气时间，设置为3耀5s，熄弧滞后送气时间设置为5s左右，以确保焊接区域保护良好。

工艺优化后进行焊接试验，在相对湿度75%以上进行平焊、立焊、横焊位置的对接焊时，焊接质量有所提高，但还是不稳定，横焊位置仍然有较多的气孔缺陷；在相对湿度为75%及以下进行平、立、横位置的对接焊时，焊接质量稳定，X射线照片如图8~图10所示。将优化工艺运用到生产中，效果良好，说明相关优化工艺措施和方法有效可行。

3结论

（1）采用5183焊丝对铝合金5083板在不同焊

接位置进行了MIG焊对接试验。结果表明，横焊接

·136·耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻第50卷

图8工艺优化后平焊焊缝X射线片（相对湿度为75%）

Fig.8X-rayfilmofflushweldsafterpeocessoptimization（relativehumidityis75%）

图9工艺优化后立焊焊缝X射线片（相对湿度为75%）Fig.8

X-rayfilmofverticalweldsafterpeocessoptim-

ization（relativehumidityis75%）

图10工艺优化后横焊焊缝X射线片（相对湿度为75%）Fig.8

X-rayfilmofharizontalweldsafterpeocessop-

timization（relativehumidityis75%）

头表现出较高的气孔敏感性。分析认为，横焊位置的

电弧不正对熔池，熔池受热不均匀，且电弧对熔池的搅拌作用较弱。

（2）适当优化焊接工艺参数和控制焊接环境能够改善焊接气孔的敏感性，有效提高焊接质量可靠性。

（3）重要部位的对接缝焊接：平焊、立焊位置焊接时相对湿度控制在75%以下为宜；横焊对接缝焊接时，相对湿度控制在70%以下为宜。

参考文献：

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喻耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻2020，Vol.50，No.3keyholeTheoflaserwerethekeystoaffectthedropletbehavior.waslandingrecoilcloserlocationofdropletinlaser-MIGhybridweldinglaser.forcetoinducetheweldingbythefillermetallicwirevaporduefromtothetheeffectkeyholeoftheofbehavior.forceandWhenplasmawiredragfeedingforcewerespeedthewaskeyshightoaffect，electromagneticthedroplet

andMIG运藻赠weldingThedroplet憎燥则凿泽：hadMIGnobehaviorsignificantoflaserwelding；laserdifferences.-MIGhybridweldingmetaltransfer

-MIGhybridwelding；

StudygrooveonMAGweldingtechnologyofJ-shaped

LIANGCo.，Ltd.Shuboweld

，DONGMing（ChangchunRailwayVehicles粤遭泽贼则葬糟贼，ChangchunJ-shaped130062groove，Chinais）one.ppof131-132

grooveformsin：theweldofrailwayvehiclethebogies.commonlyQ345steel

used

istheoneJ-shapedofthematerialsgrooveusedweldinoftheQ345railwaysteelvehicle，thetechnological

bogies.For

researchMAGmacroscopicweldingonthemetallurgyisthreestudied.methodsandBycomparingofmanual，theautomatictestresultsandhybridoftheshowsthatthehybridMAGweldinghardnessisofmoretheefficientweldedthanjointsthe，it

weldingmanualMAGisbetterweldingthan，andthattheofautomaticweldqualityMAGofhybridwelding.MAG

hybridMAGweldingisthemostsuitableprocedurefor

Someeting运藻赠the憎燥则凿泽basic：bogierequirements；J-shapedofgroovebatch；safetyhybridproduction.technologicalresearch

MAGwelding；

AnalysisjointsZHANGatZonglaidifferentofporosityweldingsensitivitypositions

ofaluminumalloy

1

2

2

3

FujianTechnologyBaimaResearchShipyard，LAN，InstituteFuanLing，355011LULeijun，Shanghai，China，GUI200032；2.ShipbuildingChibin（1.

SchoolofMaterialsScienceandEngineering，HuazhongChina；3.

ChinaUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，alloy粤遭泽贼则葬糟贼）.pp133-136

：Oneoftheweldingcharacteristicsofexistencematerialsofalargeisthataluminum

numberitisofeasygastoporesproducemaynotgasonlypores.reduce

The耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻thedamagestrengthofeffectivesectionoftheweld，butalsocausemanceoftheweldingstructureandaffecttheserviceperfor-theofthegasoftheweld.Therearemanyfactorsforthegenerationtheweldingporestestsinaluminumalloywelds.Inthispaper，throughbetweenconditionaluminumthegasofofporefixedplatessensitivityweldingatdifferentweldingpositionsunderofparameters,MIGweldedthejointrelationshipwithdistributionthealloyXandweldingpositionisanalyzedcombining

of5083resultslaw-rayofgasnondestructiveporetestingresults，andthesensitivityshowwelding.Thisisthethatisbecausehighestunderatwhentheinhorizontalweldingsametheweldconditionissummarized.Thepositionathorizontal，theofweldingpositiongaspore，arcofnotis

andstraightAppropriatelythestirringtotheeffectmoltenofpoolarc，theonpoolmoltenisheatedpoolunevenly，environmentandthecanoptimizingimproveweldingthesensitivitypara原metersofweldingandcontrollingisweak.gaspore运藻赠welding憎燥则凿泽：qualityaluminiumreliability.

alloy；MIG；gaspore

WeldingausteniticprocedureandpropertySHIHongweiShunwangstainless（Chongqing，X陨粤晕郧steelPumpJin，ZwithFactory匀粤晕郧solidCo.Lei，，coreofoverlayingChongqingW粤晕郧wire

of

Fan400030，J陨粤晕郧China，arc粤遭泽贼则葬糟贼）.pp137-：Chongqing员39

PumpFactoryusedcarbondioxidecladdedweldingandsolidcorewireforsurfacingweldingexperimentlayerscorewerehavelotsofwelddefects.Weldingprocess，thecorrosionwire，weldinglayerwheremadewires，werethebyMAGweldingtechniqueandsolidrespectively.ER309LmaterialsandofPTER308Ltransitionlayerandanti-

performancesolid，stainlessbendingsteel

electrochemicalcorrosionperformancewerestudied.Theand

comparemicrostructureofjointwereobservedandanalyzed，which

Thetheresultswithshowthethatpropertytheofusingflux-coredwiretosurface.welding

basesteelefficiency

withoutcrackcladdedis

，highergascavitylayers，and

andhaveits

othergoodbending

defects.fusionwith

Theelectrochemicalcorrosionpropertiesaregood.Microstructureand

ofanti-corrosioncture运藻赠andproperty憎燥则凿泽layer：；electrochemicalMAGisdendriticwelding；austenite.

solidcorrosion

corewire；microstru-