低合金钢气保焊焊丝残余Al对焊缝氢气孔的影响 - 文章

低合金钢气保焊焊丝残余Al对焊缝氢气孔的影响

作者：孙维峰谭长瑛张显辉

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关键词：焊丝，铝，氢气孔
论文摘要：低合金钢气保焊实芯焊丝中的残余Al对焊缝金属氢气孔的影响，既取决于焊丝的合金体系，又与保护气体氧化性的强弱有关。含有一定量残余Al的低合金耐热钢焊丝在80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊工艺条件下，其焊缝金属极易产生氢气孔。

0 前言

气孔是焊接科研和生产中经常遇到的一种焊接缺陷。焊缝金属中气孔的存在不仅削弱焊接结构件的有效断面，而且显著降低焊缝金属的强度和韧性，同时也会造成应力集中，对动载强度和疲劳强度更为有害。促使焊缝产生气孔的因素是多种多样的，如焊丝和被焊金属坡口表面上的铁锈、油污或其它杂质，焊条、焊剂在使用前没有经过烘干或烘干不足，焊接区域没有得到充分的保护，焊接参数或焊接材料选择不当等。不同的因素促使焊缝产生不同类别、不同形态的气孔，如氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔等。焊缝金属中气孔产生的根本原因是在焊接电弧高温下大量溶解于熔滴和熔池金属的气体原子在熔池结晶时，由于溶解度的突然下降，使得气体原子处于过饱和状态，反应生成的气体分子由于不溶于金属而在液态金属中形成气泡。当气泡向外逸出的速度小于熔池的结晶速度时，就在焊缝中形成了气孔[1]。对于熔化极CO2气体保护焊和富氩混合气体保护焊来说，如果焊接区域受到良好保护，并且焊接参数选择得当，那么焊缝金属中产生的气孔大多为氢气孔。这是因为，用于保护焊接区域不受空气侵害的CO2气体大都是酿酒厂或酒精厂的副产品，不可避免地含有或多或少的水分或其它含氢物质，同时混合气体中的氩气也常含有水分。如果保护气体中的水分和其它含氢物质的总含量超过一定限度，那么焊缝金属中氢气孔的产生将是必然的[2]。但是，如果保护气体中的水分和其它含氢物质的含量按相关标准要求被控制在一定的范围内，那么CO2气体保护焊和富氩混合气体（80%Ar+20%CO2）保护焊焊缝金属中一般不会产生氢气孔。这是因为CO2气体在电弧高温下将发生分解反应（CO2 = CO + O），分解出来的原子态氧具有较强的氧化性，与气相中的[H]反应生成不溶于液体金属的OH，从而有效地阻止焊缝中氢气孔的产生[3]。本文要阐述的是，针对低合金耐热钢熔化极80%Ar+20%CO2混合气体保护焊，虽然保护气体中的水分或其它含氢物质的含量按相关标准要求被控制在一定的范围内，并且焊丝及被焊金属坡口表面无锈、油污或其它杂质，同时焊接工艺参数的选择得当，但是如果不严格控制焊丝中的残余Al含量，那么焊缝金属中也将产生大量的氢气孔。

1 试验条件

试验采用两种保护气体，一种是氧化性较强的二氧化碳气体，另一种是氧化性相对较弱的富氩混合气体（80%Ar+20%CO2）。所用的二氧化碳气体是某酒精厂生产的专门用于焊接生产的市售气体，符合GB/T6052-93规定的优等品。

试验选用两类合金体系的低合金钢实芯焊丝，一类是以Cr-Mo为主要合金元素的低合金耐热钢焊丝，另一类是Mn-Ni-Mo高强度钢焊丝。这些试验焊丝都因在焊丝钢的冶炼过程中没采取必要的控制措施而含有一定量的残余Al，但是Al含量符合GB/T8110-1995"气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝"对低合金高强钢焊丝残余Al的规定，即不超过0.10%[4]。

试验方法是，在经过打磨而露出金属光泽、材质为16Mn、厚度为12mm的试板上，用上述两类合金体系的直径为1.2mm的实芯焊丝在CO2和80%Ar+20%CO2两种氧化性强弱不同的保护气体下，按表1所示的焊接规范参数进行水平位置单道自动焊。焊后，首先用肉眼观察焊缝表面是否存在可见气孔；然后打磨焊缝，对焊缝金属内部产生的气孔数量进行统计。残余Al含量符合GB/T8110-1995之规定且又各不相同的6种试验焊丝的主要合金成分及残余Al含量，见表2。其中编号为C1～C5的5种焊丝是以Cr-Mo为主要合金元素的低合金耐热钢焊丝，编号为M6的焊丝为没有添加Cr合金元素的Mn-Ni-Mo低合金高强钢焊丝。

表1 焊接规范参数

焊丝直径	焊接电流	电弧电压	焊接速度	干伸长度	气体流量
1.2mm	270A	28V	5.5mm/s	18mm	18L/min

表2 试验焊丝主要合金元素及残余Al的含量（wt.%）

编号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	W	Ni	Al
C1	0.097	0.79	1.53	1.25	0.56	0.38	/	/	0.008
C2	0.085	0.68	1.49	1.21	0.57	0.34	/	/	0.027
C3	0.079	0.70	1.55	1.23	0.51	0.39	/	/	0.040
C4	0.077	0.77	1.63	2.37	0.67	0.41	0.49	/	0.060
C5	0.080	0.80	1.50	1.26	0.55	/	/	/	0.080
M6	0.085	0.76	1.47		0.46	/	/	0.80	0.085

2 试验结果

残余Al含量互不相同、分属两类合金体系的6种试验焊丝在氧化性强弱不同的CO2气体和80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护下进行施焊，其焊缝金属是否产生氢气孔或产生氢气孔数量的多少，见表3。

从表3不难看出焊丝残余Al含量对气体保护焊焊缝金属氢气孔产生的影响，它不但与焊丝残余Al含量的高低有关，而且取决于焊丝的合金系统，同时还与所采用的保护气体的氧化性有密不可分的关系。在氧化性较强的二氧化碳气体保护下焊接，无论是对于以Cr-Mo为主要合金元素的低合金耐热钢焊丝C1～C5，还是对于没有添加Cr合金元素的Mn-Ni-Mo低合金高强度钢焊丝M6，焊丝中含量不超过0.10%残余Al的存在均没导致焊缝金属中氢气孔的产生。而在氧化性相对较弱的80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护下焊接，对于Mn-Ni-Mo低合金高强度钢焊丝M6而言，焊丝中含量为0.085%残余Al的存在也未使得焊缝金属产生氢气孔，但是对于以Cr-Mo为主要合金元素的低合金耐热钢焊丝C2～C5来说，焊丝中一定数量残余Al的存在却导致焊缝金属中氢气孔的产生，并且焊缝金属产生氢气孔的数量随着焊丝残余Al含量的升高而增多，以致于残余Al含量较高的C4和C5焊丝焊缝金属出现大量的表面氢气孔。残余Al含量不超过0.010%的C1焊丝，其焊缝金属中没有产生氢气孔。

表3 焊丝残余Al含量对气保焊焊缝产生氢气孔的影响

焊丝编号	焊丝类型	焊丝Al含量（%）	CO2焊	80%Ar+20%CO2焊
C1	1.25Cr-0.5Mo-V	0.0082	无气孔	无气孔
C2	1.25Cr-0.5Mo-V	0.027	无气孔	少量气孔
C3	1.25Cr-0.5Mo-V	0.040	无气孔	稍多气孔
C4	2Cr-MoWVTiB	0.060	无气孔	较多气孔
C5	1.25Cr-0.5Mo	0.080	无气孔	大量气孔
M6	Mn-Si-Ni-Mo	0.085	无气孔	无气孔

3 分析与讨论

我们知道，在焊接电弧的高温作用下，焊接区域气相中的氢不完全是以分子状态存在的，还有相当多的原子氢。因此，氢在熔滴和高温熔池金属中的溶解度是相当高的，但是当熔池金属冷却结晶时，氢的溶解度却又急剧降低，这样一来处于过饱和状态的原子氢将促使如下反应：2[H] = H2，反应生成的分子氢由于不溶于金属而在液态金属中形成气泡。当过多的氢气泡来不及从快速冷却的熔池金属中全部逸出时，滞留在焊缝中的氢气泡就是所说的氢气孔[1]。如前所述，对于熔化极CO2气体保护电弧焊，其焊缝金属一般不会产生氢气孔。这是因为CO2气体在电弧高温下将发生分解反应：CO2 = CO + O，分解出来的原子态氧具有较强的氧化性，与气相中的原子氢反应生成不溶于液体金属的OH，从而能有效地阻止原子氢在熔滴和高温熔池中的大量溶解[3]。对于80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊，虽然保护气体由于活性气体CO2的添加而在电弧高温下具有一定的氧化性，但与单一的CO2气体相比，其氧化性还是比较弱的，焊缝金属中氢气孔产生的倾向大于CO2气体保护焊。

试验结果表明，熔化极CO2气体保护焊和80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊焊缝金属氢气孔的产生在很大程度上还取决于焊缝金属的合金系统、焊丝残余Al含量的高低及保护气体氧化性的强弱。针对这一试验结果产生的根本原因，现分别论述如下：首先，Cr含量超过1%的低合金耐热钢熔池金属的粘度较大[4]，阻碍在其中生成的气泡的上浮，从而增大焊缝中氢气孔产生的倾向性；其次，Al与氧具有十分强烈的亲和力，先于气相中的原子氢同CO2气体在电弧高温下分解出来的原子态氧进行结合。焊丝残余的Al越多，与其结合的原子态氧也就越多，导致与气相中原子氢结合的原子态氧的不足，从而促进焊缝中氢气孔的产生。因此，在氧化性相对较弱的80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护气氛下施焊熔池金属粘度较大的低合金耐热钢焊丝，如果焊丝中含有一定数量的残余Al，那么配比为20%的CO2气体在电弧高温下分解出来的原子态氧除去先与Al进行氧化反应的那部分外，剩余部分则不足以与[H]结合，况且这种粘度较大的低合金耐热钢熔池金属又阻碍氢气泡的上浮，势必导致焊缝中氢气孔的生成。对于同样含有一定数量残余Al的Mn-Ni-Mo低合金高强度钢焊丝M6，在氧化性相对较弱的80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护气氛下施焊，其焊缝金属中却没有出现氢气孔，这是因为虽然少量的CO2气体在电弧高温下分解出来的原子态氧除去先与Al进行氧化反应的那部分外，剩余部分也不足以与[H]结合，但是其熔池金属粘度较小，有利于氢气泡的上浮。在氧化性较强的单一CO2保护气氛下施焊两类合金体系并且含有一定量残余Al的焊丝，其焊缝金属中均没有出现氢气孔，这是由于单一的CO2气体在电弧高温下分解出来的大量原子态氧除去先与Al结合的那部分外，剩余部分还足以与[H]反应以生成不溶于液体金属的OH，从而能有效地抑制焊缝中氢气孔的产生。

试验结果证实，以Cr-Mo为主要合金元素的低合金耐热钢焊丝在氧化性较弱的80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护下焊接，焊丝中残余Al的存在导致焊缝金属中氢气孔的产生。所以，针对用于80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊的低合金耐热钢实芯焊丝，为了避免焊缝金属中氢气孔的产生，应对焊丝中的残余Al含量进行严格控制。

4 结论

（1）焊丝中的残余Al对熔化极气体保护焊焊缝金属氢气孔的影响，不但与保护气体的氧化性有关，而且还取决于焊丝的合金系统。
（2）含有一定量残余Al的低合金耐热钢焊丝，在 80%Ar+20%CO2 富氩混合气体保护下焊接，其焊缝金属极易产生氢气孔，并且产生的氢气孔的数量随焊丝残余Al含量的升高而增多。
（3）建议GB/T8110对用于80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊的铬钼钢焊丝的残余Al含量进行严格规定。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　参　考　文　献
[1] 周振丰、张文越合编.《焊接冶金与金属焊接性》.机械工业出版社.1990.
[2] 温安然等.CO2气体中的杂质对焊接质量的影响.《焊接》.1988.
[3]姜焕中编.《焊接方法与设备》(第一分册).机械工业出版社.1981.
[4]中国焊接协会编.《焊接标准汇编》.中国标准出版社.1996.
[5]傅积和、孙玉林主编.《焊接数据资料手册》.机械工业出版社.1994.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/3/2005)


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