铝合金MIG焊常见焊接缺陷分析及预防措施

李 会，郭继祥，何小勃，侯振国，褚宏宇

(唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035)

0 前言

轨道列车提速必然轻量化，因此具有密度小、比强度高、工艺性良好等特点的铝合金在轨道车辆中得到了广泛应用。焊接是轨道车辆普遍采用的连接方法，焊接接头是铝合金结构中较为薄弱的部位，也是结构失效的主要部位[1]，因此焊接质量是保证轨道车辆安全的关键措施之一。铝合金自身的特殊性质导致焊后易出现裂纹、气孔等缺陷，对焊接接头性能产生较大的影响[2]，目前高速列车铝合金焊接主要采用MIG焊。在此结合生产实际，分析和总结了铝合金MIG焊接过程中容易出现的缺陷，并提出预防措施和处理方法。

1 焊接缺陷产生原因、危害和预防措施

铝合金MIG焊接常见缺陷有：裂纹、气孔、未熔合、未焊透、烧穿、焊洇、错边、下塌、变形、咬边等，如图1所示。

图1 铝合金MIG焊常见缺陷

1.1 裂纹

裂纹是在焊接应力及其他因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏形成新界面而产生的缝隙。裂纹主要出现在接头部位、起弧和收弧部位以及拐弯的位置，厚板多层焊时还可能出现层间裂纹。

裂纹分冷裂纹和热裂纹，铝合金焊接中几乎没有冷裂纹，最常见的是热裂纹。热裂纹主要是由于晶界合金元素偏析或存在低熔点物质引起的，热裂倾向与铝合金化学成分有关。铝合金的高线膨胀系数、高收缩应力、宽的熔化温度区间导致焊缝易形成热裂纹；焊接速度过大会增加焊接接头的应变速度，从而增大热裂倾向；焊前、层间清理不彻底时，焊缝中的夹杂会成为裂纹源；氧化层常伴有高湿度，会诱发氢致裂纹；焊缝深宽比太大，尤其是仰角焊时，过窄的焊缝易产生裂纹；以及焊接填充金属与母材不匹配、焊接热输入过大、焊缝设计不当引起焊接应力过大、工件所受拘束度较大、坡口间隙不合适、定位焊时焊道长度和焊缝厚度过小、厚板（大于等于8mm）没有按规定预热等都易引起裂纹。

一般情况下，由于小裂纹并未达到临界尺寸，结构不会在运行后立即发生断裂，但尖锐裂纹容易产生尖端缺口效应、三向应力状态和温度降低等情况，裂纹可能失稳和扩展，疲劳载荷、腐蚀环境使裂纹等缺陷变得更尖锐，导致裂纹尺寸逐渐增大，加速其达到临界值并最终造成结构的断裂。由于裂纹尖端的尖锐度比未焊透、未熔合、咬边、气孔等缺陷要尖锐得多，所以裂纹危害最大[3]。

为减少和避免裂纹缺陷，可采取改进接头设计并避免选用热裂倾向大的材料；在热输入合理的前提下，适当降低焊接速度；尽可能采用线型焊缝和小电流多层多道焊，加强散热速度，以减小熔池过热；采用热能集中的焊接方法，防止形成方向性强的粗大柱状晶，改善抗裂性；焊前清理和层间清理要到位；适当提高焊缝形状系数，避免窄而深的焊缝；采用适应母材特点的焊接填充材料；选择合理的焊接顺序，尽量允许工件部分自由收缩；对于高强度铝合金焊接接头，采用随焊锤击的方法可以改变焊接接头的应力分布；选择合适的坡口间隙；合理的定位焊长度和厚度；母材较厚时要预热（缓慢加热和缓慢冷却，降低焊接应力）等措施。

1.2 气孔

气孔是指在焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而形成的空穴。铝合金焊缝金属内的气孔主要为氢气孔。

铝的导热系数大，熔池冷却快，不利于气泡的逸出，而氢在铝合金凝固点时的溶解度降低约20倍，这是焊接产生气孔的主要原因；MIG焊时，弧柱温度高，熔滴细小、比表面积大，易于吸氢，且熔池深度大于TIG焊，不利于氢气逸出；再者，焊接现场空气湿度较大；焊接材料、母材坡口及其边缘吸附的水分、油污、氧化膜吸附的水分（尤其是自动焊焊道长，焊道处理较为困难，容易有处理不到位的地方而留有油污或水等，引起的粗大气孔）；保护气体流量过低或过高、纯度不够或有水分、保护气体管路气密性不好；焊枪角度不合理；双面焊时清根不彻底、多层多道焊时层间清理不彻底；电弧不稳或太长；在同一部位重复起弧，接头太多；焊丝伸出长度过长、喷嘴与焊件距离过大；坡口根部间隙不合适；设计选用的铝材气孔敏感性大；焊接操作可达性差；焊枪喷嘴有飞溅物、破损；焊接区域的风速超标或磁偏吹存在等都会导致气孔。

气孔易引起应力集中，破坏焊缝金属的致密性，减小焊缝有效截面，还可能促成冷裂纹、引起泄漏；过大的气孔会降低焊缝的力学性能，尤其是焊缝的弯曲强度和冲击韧性，在交变应力作用下焊缝的疲劳强度显著下降[4]。气孔的存在量低于5%时，如果工作温度不低于材料的塑-脆性转变温度，则对结构安全影响不大；进行表面处理时，表面气孔会引起缺欠，且在部件服役过程中易演变为裂纹源。

减少和避免气孔缺陷的措施有：在热输入满足要求的前提下，通过降低焊速、提高焊接线能量、厚板时预热等措施来增大熔池存在时间，便于氢气逸出；控制焊接现场的空气湿度；焊前清理坡口及其边缘水分、油污和氧化膜；严格按规定保管焊接材料，使用合格的焊材；焊丝直径尽可能大；使用纯度达到要求的焊接保护气体，按工艺评定要求，控制保护气体流量、避免出现紊流，并使用气密性良好的管路；焊枪角度正确；双面焊时清根彻底、多层多道焊时层间清理彻底；电弧稳定且不宜太长；尽量避免在同一部位重复起弧，需重复起弧时要打磨接头；焊丝伸出长度、喷嘴与焊件间距离合适；坡口间隙合理；设计时选用对气孔敏感性小的铝材；焊接操作可达性好或有可能实施自动焊的结构，以减少焊接接头，避免手工焊频繁引弧和熄弧引起气孔；手工焊时尽量使用引弧板和收弧板；焊前清除喷嘴上黏附的飞溅物，以免混入水分；选择合适的喷嘴直径，及时更换破损的喷嘴；焊接时提前送气，焊接完后延迟断气；控制焊接区域的风速不大于1 m/s；避免磁偏吹等。

1.3 未熔合

未熔合是指在焊缝金属和母材之间或焊道金属之间未完全熔化和结合的部分。

造成未熔合的原因有：焊接电流过小、速度太快造成热输入不够；焊枪角度不合理或焊枪没有充分摆动；层间温度太低；工件太厚；坡口形状不合理、有死角；工件坡口及附近、层道间有氧化膜、油污；焊接时流入熔渣妨碍了金属间的熔合；或存在磁偏吹等。

未熔合使焊缝承载面积减小，不能承受较高的静载荷，引起的应力集中大，在一定条件下可能成为脆性断裂的裂纹源，其危害性仅次于裂纹；为避免出现未熔合，需选择合适的焊接参数和焊枪角度；层间温度合理；厚板进行预热；坡口尺寸设计合理、避免死角；坡口及附近、层道间的污物和氧化膜清理彻底，并避免出现沟槽；减少磁偏吹。

1.4 未焊透

未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透的现象。

未焊透的原因有：焊接电流过小、焊接速度太快等导致热输入太小；电弧过长；焊枪角度不正确；坡口角度太小、钝边太大；V形焊缝根部间隙太小；坡口有污物；电弧发生磁偏吹；双面焊时背部清根不彻底、收弧电流太小等。

未焊透减少焊缝有效截面积；不能承受较高的静载荷；且因未焊透引起应力集中严重降低焊缝疲劳强度；未焊透在一定条件下可能成为脆性断裂的裂纹源。为了避免未焊透必须选择合适的焊接电流、焊接速度、电弧长度和焊枪角度；设计合理的坡口和钝边；严格控制装配质量；焊前清理氧化膜和油污；减少磁偏吹；双面焊时清根彻底；尽量采用收弧板。

1.5 烧穿

烧穿是指焊接过程中，熔深超过工件厚度，熔化金属自焊缝背面流出，形成穿孔性缺陷。

在焊接过程中铝合金熔池无明显的色泽变化，判断热输入大小有一定困难，且高温下铝的强度和塑性很低，易造成塌陷或烧穿[5]。焊接电流过大、速度太慢等导致热输入过大；焊前装配间隙太大；Y形焊缝钝边太小；工件太薄；点固焊时焊点间距过大，焊接过程中产生较大的变形量等情况都易导致烧穿。

烧穿减小焊缝有效截面，严重降低力学性能。为避免烧穿，焊接时需选择合适的焊接电流和速度等工艺参数；控制焊前装配间隙；Y形焊缝钝边设计合理，必要时在焊缝背面加垫板；薄板焊接调整焊枪角度；点固焊间距合适；避免变形、错边等。

1.6 焊洇

单面焊时由于热输入过大，熔化金属过多而使液态金属向焊缝背面塌陷，成型后焊缝背面凸起，正面下塌的现象。

焊缝形式设计不合理；坡口角度太大；Y形焊缝钝边大小；焊接热输入过大；焊枪指向不合理；焊前装配间隙大；工件薄等都易产生焊洇。

焊洇是圆滑的凸起，且尺寸不很大时，可以接受；但焊洇伴有缩孔和缩孔裂纹时，则会严重降低焊缝力学性能。为避免焊洇，必须设计合理的焊缝形式、坡口角度及钝边大小；选择合适的焊接参数；焊枪指向正确；控制合理的焊前装配间隙；工件薄时制定适合的工艺方案。

1.7 错边

错边是指两个工件在厚度方向上错开一定的位置。

产生错边的原因包括：原材料尺寸超标；装配不符合要求；点固、打底及填充焊接过程中产生错边；焊缝交汇较多的结构处易引起错边。

错边减小焊缝有效截面积；产生较大的应力集中；影响焊缝在承载时的性能；错边引起的附加弯曲应力对结构的脆性破坏也有影响。为了避免错边，需要加强原材料的验收质量；严格控制焊前装配质量；点固焊、打底焊、填充焊过程中及时发现和调整错边；结构设计时尽量避免过多焊缝交汇。

1.8 下塌

在焊接过程中铝合金熔池无明显的色泽变化，判断热输入大小有一定困难，且高温下铝的强度和塑性很低，以致无法支撑住熔池液体金属，易造成塌陷。

导致下塌的原因有：焊接热输入过大；坡口角度大和角焊缝装配间隙较大导致焊接填充量大；焊枪角度不当；板厚较薄；焊缝处没有加强筋。

下塌量较大时造成单位面积上承力过大，焊接强度降低；影响工件平面度和尺寸精度。为减少和避免下塌，应控制焊接热输入、焊前装配间隙；坡口角度及焊枪角度合理；且焊缝尽量靠近加强筋设计。

1.9 焊接变形

焊接变形是由于电弧高温引起的变形，包括缩短、角度改变、弯曲变形等。

铝合金的线膨胀系数大，热导率高，屈服强度低是产生焊接变形的根本原因。焊缝金属受热时各部位的收缩不均匀，受热程度越大，变形越大。焊接热输入过大、焊接顺序不合理、焊前装配间隙过大导致焊接填充量大、间隙过小时铝材膨胀引起对接焊缝坡口重叠、定位焊间距不合理、焊缝数量太多或布置不合理、坡口尺寸及焊缝尺寸不合理等都会导致焊接变形。

焊接变形影响工件平面度和尺寸精度，变形大时需调修，调修无法达到要求时，需切除工件重新焊接，浪费人力、财力和时间，生产效率低。选择合理的工艺参数和焊接顺序；焊前装配间隙及定位焊间距合理；尽量减少焊缝数量；合理安排焊缝，尽量使焊缝对称布置；尽量选择间断焊，以避免焊缝过于集中；尽可能用型材或翼缘板材代替宽板；合理设计坡口尺寸、焊缝尺寸；必要时预加反变形；使用工艺放量，焊完后再机加工减少或去除焊接变形；根据焊接构件的具体情况选择合理的拘束方法或工装来控制变形，尤其是焊接薄板时。

1.10 咬边

咬边是指沿着焊趾，在母材部分形成的凹陷或沟槽，是由于电弧将焊缝边缘的母材熔化后没有得到熔敷金属的充分补充所留下的缺口。咬边大多是局部超标，连续咬边很少。

咬边是由于电弧热量太高（如电流过大、速度太慢等）；电弧过长；焊枪角度不合理、摆动不合理；焊接顺序不合理等都会造成咬边；直流焊时电弧的磁偏吹也会造成咬边；某些焊接位置（立、横、仰）会加剧咬边。

图2 其他焊接缺陷

咬边减小了母材的有效截面，降低结构承载能力；引起应力集中，产生疲劳裂纹；当这些缺陷与结构中的高残余拉应力区或热影响区中粗大脆化晶粒区相重叠时，常会引发脆性不稳定扩展裂纹，故在重要的或承受动载荷的结构中，一般不允许咬边存在，或咬边值有限制。选择合适的焊接热输入、电弧长度、正确的焊枪角度和摆动；合理的焊接顺序；减小或避免磁偏吹；尽量采用平焊等措施都可以防止咬边。

此外还有未焊满、焊偏、脱节、余高超高、夹渣、电弧击伤、弧坑和弧坑裂纹、焊接飞溅等焊接缺陷，如图2所示，每种缺陷都对焊缝质量有不同程度的影响。

焊接结构常在焊接缺陷或结构不连续处发生脆性断裂，造成灾难性的破坏。一般认为，结构中缺陷造成的应力集中越严重，脆性断裂的危险越大。当焊接结构承受冲击或局部发生高应变或环境恶劣时都容易使焊接缺陷缺陷引发脆性断裂[6]。

2 缺陷修正

裂纹是不允许存在的，故应彻底将裂纹去除后补焊；气孔根据ISO 10042标准判断是否超标，超标的去除，必要时补焊，但处理超标气孔时建议综合考虑其超标程度及焊缝结构、材料性质及补焊难易和得失；未焊透、未熔合、烧穿、焊偏、未焊满等需将缺陷彻底去除后补焊；焊洇、错边、下塌、变形、脱节、夹渣、余高超高等根据标准判断是否需去除和补焊；弧坑和弧坑裂纹、电弧击伤、咬边缺陷需去除，必要时补焊；焊接飞溅应在焊接完成后清理干净。

3 结论

（1）铝合金MIG焊接过程中容易产生裂纹、气孔、未熔合、未焊透、焊洇、焊接变形等缺陷。

（2）铝合金MIG焊接产生缺陷的原因有很多，主要是铝合金自身特性影响、焊接工艺参数不当、焊前处理不到位、设计结构影响等；可结合缺陷产生的原因，对焊接缺陷进行预防。

（3）每种焊接缺陷都会在不同程度上影响焊缝质量，缺陷造成的应力集中越严重，脆性断裂的危险越大，需综合缺陷种类、位置、严重程度等方面并结合相关标准确定具体处理措施。

[1]龙 林.车身铝合金焊接及及接头力学性能[D].兰州：兰州理工大学，2007.

[2]赵为松，赵维树.高速列车铝合金车体焊接可靠性[J].电焊机，2011，41（11）：103-105.

[3]黄旺福，黄金刚.铝及铝合金焊接指南[M].长沙：湖南科学技术出版社，2004：122-123.

[4]张宏伟.铝合金常见焊接缺陷分析[J].轻合金加工技术，2010，38(1)：53-55.

[5]顾曾迪，陈根宝，金心溥.有色金属焊接[M].北京：机械工业出版社，1995：6-7.

[6]李明奎.焊接缺陷对结构的影响及其防治措施[J].黑龙江科技信息，2010(16)：22.