李 會(huì)，郭繼祥，何小勃，侯振國，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

0 前言

軌道列車提速必然輕量化，因此具有密度小、比強(qiáng)度高、工藝性良好等特點(diǎn)的鋁合金在軌道車輛中得到了廣泛應(yīng)用。焊接是軌道車輛普遍采用的連接方法，焊接接頭是鋁合金結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部位，也是結(jié)構(gòu)失效的主要部位[1]，因此焊接質(zhì)量是保證軌道車輛安全的關(guān)鍵措施之一。鋁合金自身的特殊性質(zhì)導(dǎo)致焊后易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生較大的影響[2]，目前高速列車鋁合金焊接主要采用MIG焊。在此結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分析和總結(jié)了鋁合金MIG焊接過程中容易出現(xiàn)的缺陷，并提出預(yù)防措施和處理方法。

1 焊接缺陷產(chǎn)生原因、危害和預(yù)防措施

鋁合金MIG焊接常見缺陷有：裂紋、氣孔、未熔合、未焊透、燒穿、焊洇、錯(cuò)邊、下塌、變形、咬邊等，如圖1所示。

圖1 鋁合金MIG焊常見缺陷

1.1 裂紋

裂紋是在焊接應(yīng)力及其他因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞形成新界面而產(chǎn)生的縫隙。裂紋主要出現(xiàn)在接頭部位、起弧和收弧部位以及拐彎的位置，厚板多層焊時(shí)還可能出現(xiàn)層間裂紋。

裂紋分冷裂紋和熱裂紋，鋁合金焊接中幾乎沒有冷裂紋，最常見的是熱裂紋。熱裂紋主要是由于晶界合金元素偏析或存在低熔點(diǎn)物質(zhì)引起的，熱裂傾向與鋁合金化學(xué)成分有關(guān)。鋁合金的高線膨脹系數(shù)、高收縮應(yīng)力、寬的熔化溫度區(qū)間導(dǎo)致焊縫易形成熱裂紋；焊接速度過大會(huì)增加焊接接頭的應(yīng)變速度，從而增大熱裂傾向；焊前、層間清理不徹底時(shí)，焊縫中的夾雜會(huì)成為裂紋源；氧化層常伴有高濕度，會(huì)誘發(fā)氫致裂紋；焊縫深寬比太大，尤其是仰角焊時(shí)，過窄的焊縫易產(chǎn)生裂紋；以及焊接填充金屬與母材不匹配、焊接熱輸入過大、焊縫設(shè)計(jì)不當(dāng)引起焊接應(yīng)力過大、工件所受拘束度較大、坡口間隙不合適、定位焊時(shí)焊道長度和焊縫厚度過小、厚板（大于等于8mm）沒有按規(guī)定預(yù)熱等都易引起裂紋。

一般情況下，由于小裂紋并未達(dá)到臨界尺寸，結(jié)構(gòu)不會(huì)在運(yùn)行后立即發(fā)生斷裂，但尖銳裂紋容易產(chǎn)生尖端缺口效應(yīng)、三向應(yīng)力狀態(tài)和溫度降低等情況，裂紋可能失穩(wěn)和擴(kuò)展，疲勞載荷、腐蝕環(huán)境使裂紋等缺陷變得更尖銳，導(dǎo)致裂紋尺寸逐漸增大，加速其達(dá)到臨界值并最終造成結(jié)構(gòu)的斷裂。由于裂紋尖端的尖銳度比未焊透、未熔合、咬邊、氣孔等缺陷要尖銳得多，所以裂紋危害最大[3]。

為減少和避免裂紋缺陷，可采取改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)并避免選用熱裂傾向大的材料；在熱輸入合理的前提下，適當(dāng)降低焊接速度；盡可能采用線型焊縫和小電流多層多道焊，加強(qiáng)散熱速度，以減小熔池過熱；采用熱能集中的焊接方法，防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，改善抗裂性；焊前清理和層間清理要到位；適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)，避免窄而深的焊縫；采用適應(yīng)母材特點(diǎn)的焊接填充材料；選擇合理的焊接順序，盡量允許工件部分自由收縮；對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金焊接接頭，采用隨焊錘擊的方法可以改變焊接接頭的應(yīng)力分布；選擇合適的坡口間隙；合理的定位焊長度和厚度；母材較厚時(shí)要預(yù)熱（緩慢加熱和緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力）等措施。

1.2 氣孔

氣孔是指在焊接時(shí)，熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能逸出而形成的空穴。鋁合金焊縫金屬內(nèi)的氣孔主要為氫氣孔。

鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大，熔池冷卻快，不利于氣泡的逸出，而氫在鋁合金凝固點(diǎn)時(shí)的溶解度降低約20倍，這是焊接產(chǎn)生氣孔的主要原因；MIG焊時(shí)，弧柱溫度高，熔滴細(xì)小、比表面積大，易于吸氫，且熔池深度大于TIG焊，不利于氫氣逸出；再者，焊接現(xiàn)場(chǎng)空氣濕度較大；焊接材料、母材坡口及其邊緣吸附的水分、油污、氧化膜吸附的水分（尤其是自動(dòng)焊焊道長，焊道處理較為困難，容易有處理不到位的地方而留有油污或水等，引起的粗大氣孔）；保護(hù)氣體流量過低或過高、純度不夠或有水分、保護(hù)氣體管路氣密性不好；焊槍角度不合理；雙面焊時(shí)清根不徹底、多層多道焊時(shí)層間清理不徹底；電弧不穩(wěn)或太長；在同一部位重復(fù)起弧，接頭太多；焊絲伸出長度過長、噴嘴與焊件距離過大；坡口根部間隙不合適；設(shè)計(jì)選用的鋁材氣孔敏感性大；焊接操作可達(dá)性差；焊槍噴嘴有飛濺物、破損；焊接區(qū)域的風(fēng)速超標(biāo)或磁偏吹存在等都會(huì)導(dǎo)致氣孔。

氣孔易引起應(yīng)力集中，破壞焊縫金屬的致密性，減小焊縫有效截面，還可能促成冷裂紋、引起泄漏；過大的氣孔會(huì)降低焊縫的力學(xué)性能，尤其是焊縫的彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性，在交變應(yīng)力作用下焊縫的疲勞強(qiáng)度顯著下降[4]。氣孔的存在量低于5%時(shí)，如果工作溫度不低于材料的塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度，則對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響不大；進(jìn)行表面處理時(shí)，表面氣孔會(huì)引起缺欠，且在部件服役過程中易演變?yōu)榱鸭y源。

減少和避免氣孔缺陷的措施有：在熱輸入滿足要求的前提下，通過降低焊速、提高焊接線能量、厚板時(shí)預(yù)熱等措施來增大熔池存在時(shí)間，便于氫氣逸出；控制焊接現(xiàn)場(chǎng)的空氣濕度；焊前清理坡口及其邊緣水分、油污和氧化膜；嚴(yán)格按規(guī)定保管焊接材料，使用合格的焊材；焊絲直徑盡可能大；使用純度達(dá)到要求的焊接保護(hù)氣體，按工藝評(píng)定要求，控制保護(hù)氣體流量、避免出現(xiàn)紊流，并使用氣密性良好的管路；焊槍角度正確；雙面焊時(shí)清根徹底、多層多道焊時(shí)層間清理徹底；電弧穩(wěn)定且不宜太長；盡量避免在同一部位重復(fù)起弧，需重復(fù)起弧時(shí)要打磨接頭；焊絲伸出長度、噴嘴與焊件間距離合適；坡口間隙合理；設(shè)計(jì)時(shí)選用對(duì)氣孔敏感性小的鋁材；焊接操作可達(dá)性好或有可能實(shí)施自動(dòng)焊的結(jié)構(gòu)，以減少焊接接頭，避免手工焊頻繁引弧和熄弧引起氣孔；手工焊時(shí)盡量使用引弧板和收弧板；焊前清除噴嘴上黏附的飛濺物，以免混入水分；選擇合適的噴嘴直徑，及時(shí)更換破損的噴嘴；焊接時(shí)提前送氣，焊接完后延遲斷氣；控制焊接區(qū)域的風(fēng)速不大于1 m/s；避免磁偏吹等。

1.3 未熔合

未熔合是指在焊縫金屬和母材之間或焊道金屬之間未完全熔化和結(jié)合的部分。

造成未熔合的原因有：焊接電流過小、速度太快造成熱輸入不夠；焊槍角度不合理或焊槍沒有充分?jǐn)[動(dòng)；層間溫度太低；工件太厚；坡口形狀不合理、有死角；工件坡口及附近、層道間有氧化膜、油污；焊接時(shí)流入熔渣妨礙了金屬間的熔合；或存在磁偏吹等。

未熔合使焊縫承載面積減小，不能承受較高的靜載荷，引起的應(yīng)力集中大，在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源，其危害性僅次于裂紋；為避免出現(xiàn)未熔合，需選擇合適的焊接參數(shù)和焊槍角度；層間溫度合理；厚板進(jìn)行預(yù)熱；坡口尺寸設(shè)計(jì)合理、避免死角；坡口及附近、層道間的污物和氧化膜清理徹底，并避免出現(xiàn)溝槽；減少磁偏吹。

1.4 未焊透

未焊透是指焊接時(shí)接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象。

未焊透的原因有：焊接電流過小、焊接速度太快等導(dǎo)致熱輸入太小；電弧過長；焊槍角度不正確；坡口角度太小、鈍邊太大；V形焊縫根部間隙太小；坡口有污物；電弧發(fā)生磁偏吹；雙面焊時(shí)背部清根不徹底、收弧電流太小等。

未焊透減少焊縫有效截面積；不能承受較高的靜載荷；且因未焊透引起應(yīng)力集中嚴(yán)重降低焊縫疲勞強(qiáng)度；未焊透在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源。為了避免未焊透必須選擇合適的焊接電流、焊接速度、電弧長度和焊槍角度；設(shè)計(jì)合理的坡口和鈍邊；嚴(yán)格控制裝配質(zhì)量；焊前清理氧化膜和油污；減少磁偏吹；雙面焊時(shí)清根徹底；盡量采用收弧板。

1.5 燒穿

燒穿是指焊接過程中，熔深超過工件厚度，熔化金屬自焊縫背面流出，形成穿孔性缺陷。

在焊接過程中鋁合金熔池?zé)o明顯的色澤變化，判斷熱輸入大小有一定困難，且高溫下鋁的強(qiáng)度和塑性很低，易造成塌陷或燒穿[5]。焊接電流過大、速度太慢等導(dǎo)致熱輸入過大；焊前裝配間隙太大；Y形焊縫鈍邊太??；工件太薄；點(diǎn)固焊時(shí)焊點(diǎn)間距過大，焊接過程中產(chǎn)生較大的變形量等情況都易導(dǎo)致燒穿。

燒穿減小焊縫有效截面，嚴(yán)重降低力學(xué)性能。為避免燒穿，焊接時(shí)需選擇合適的焊接電流和速度等工藝參數(shù)；控制焊前裝配間隙；Y形焊縫鈍邊設(shè)計(jì)合理，必要時(shí)在焊縫背面加墊板；薄板焊接調(diào)整焊槍角度；點(diǎn)固焊間距合適；避免變形、錯(cuò)邊等。

1.6 焊洇

單面焊時(shí)由于熱輸入過大，熔化金屬過多而使液態(tài)金屬向焊縫背面塌陷，成型后焊縫背面凸起，正面下塌的現(xiàn)象。

焊縫形式設(shè)計(jì)不合理；坡口角度太大；Y形焊縫鈍邊大?。缓附訜彷斎脒^大；焊槍指向不合理；焊前裝配間隙大；工件薄等都易產(chǎn)生焊洇。

焊洇是圓滑的凸起，且尺寸不很大時(shí)，可以接受；但焊洇伴有縮孔和縮孔裂紋時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重降低焊縫力學(xué)性能。為避免焊洇，必須設(shè)計(jì)合理的焊縫形式、坡口角度及鈍邊大小；選擇合適的焊接參數(shù)；焊槍指向正確；控制合理的焊前裝配間隙；工件薄時(shí)制定適合的工藝方案。

1.7 錯(cuò)邊

錯(cuò)邊是指兩個(gè)工件在厚度方向上錯(cuò)開一定的位置。

產(chǎn)生錯(cuò)邊的原因包括：原材料尺寸超標(biāo)；裝配不符合要求；點(diǎn)固、打底及填充焊接過程中產(chǎn)生錯(cuò)邊；焊縫交匯較多的結(jié)構(gòu)處易引起錯(cuò)邊。

錯(cuò)邊減小焊縫有效截面積；產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中；影響焊縫在承載時(shí)的性能；錯(cuò)邊引起的附加彎曲應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的脆性破壞也有影響。為了避免錯(cuò)邊，需要加強(qiáng)原材料的驗(yàn)收質(zhì)量；嚴(yán)格控制焊前裝配質(zhì)量；點(diǎn)固焊、打底焊、填充焊過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)整錯(cuò)邊；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免過多焊縫交匯。

1.8 下塌

在焊接過程中鋁合金熔池?zé)o明顯的色澤變化，判斷熱輸入大小有一定困難，且高溫下鋁的強(qiáng)度和塑性很低，以致無法支撐住熔池液體金屬，易造成塌陷。

導(dǎo)致下塌的原因有：焊接熱輸入過大；坡口角度大和角焊縫裝配間隙較大導(dǎo)致焊接填充量大；焊槍角度不當(dāng)；板厚較?。缓缚p處沒有加強(qiáng)筋。

下塌量較大時(shí)造成單位面積上承力過大，焊接強(qiáng)度降低；影響工件平面度和尺寸精度。為減少和避免下塌，應(yīng)控制焊接熱輸入、焊前裝配間隙；坡口角度及焊槍角度合理；且焊縫盡量靠近加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。

1.9 焊接變形

焊接變形是由于電弧高溫引起的變形，包括縮短、角度改變、彎曲變形等。

鋁合金的線膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率高，屈服強(qiáng)度低是產(chǎn)生焊接變形的根本原因。焊縫金屬受熱時(shí)各部位的收縮不均勻，受熱程度越大，變形越大。焊接熱輸入過大、焊接順序不合理、焊前裝配間隙過大導(dǎo)致焊接填充量大、間隙過小時(shí)鋁材膨脹引起對(duì)接焊縫坡口重疊、定位焊間距不合理、焊縫數(shù)量太多或布置不合理、坡口尺寸及焊縫尺寸不合理等都會(huì)導(dǎo)致焊接變形。

焊接變形影響工件平面度和尺寸精度，變形大時(shí)需調(diào)修，調(diào)修無法達(dá)到要求時(shí)，需切除工件重新焊接，浪費(fèi)人力、財(cái)力和時(shí)間，生產(chǎn)效率低。選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序；焊前裝配間隙及定位焊間距合理；盡量減少焊縫數(shù)量；合理安排焊縫，盡量使焊縫對(duì)稱布置；盡量選擇間斷焊，以避免焊縫過于集中；盡可能用型材或翼緣板材代替寬板；合理設(shè)計(jì)坡口尺寸、焊縫尺寸；必要時(shí)預(yù)加反變形；使用工藝放量，焊完后再機(jī)加工減少或去除焊接變形；根據(jù)焊接構(gòu)件的具體情況選擇合理的拘束方法或工裝來控制變形，尤其是焊接薄板時(shí)。

1.10 咬邊

咬邊是指沿著焊趾，在母材部分形成的凹陷或溝槽，是由于電弧將焊縫邊緣的母材熔化后沒有得到熔敷金屬的充分補(bǔ)充所留下的缺口。咬邊大多是局部超標(biāo)，連續(xù)咬邊很少。

咬邊是由于電弧熱量太高（如電流過大、速度太慢等）；電弧過長；焊槍角度不合理、擺動(dòng)不合理；焊接順序不合理等都會(huì)造成咬邊；直流焊時(shí)電弧的磁偏吹也會(huì)造成咬邊；某些焊接位置（立、橫、仰）會(huì)加劇咬邊。

圖2 其他焊接缺陷

咬邊減小了母材的有效截面，降低結(jié)構(gòu)承載能力；引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋；當(dāng)這些缺陷與結(jié)構(gòu)中的高殘余拉應(yīng)力區(qū)或熱影響區(qū)中粗大脆化晶粒區(qū)相重疊時(shí)，常會(huì)引發(fā)脆性不穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋，故在重要的或承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)中，一般不允許咬邊存在，或咬邊值有限制。選擇合適的焊接熱輸入、電弧長度、正確的焊槍角度和擺動(dòng)；合理的焊接順序；減小或避免磁偏吹；盡量采用平焊等措施都可以防止咬邊。

此外還有未焊滿、焊偏、脫節(jié)、余高超高、夾渣、電弧擊傷、弧坑和弧坑裂紋、焊接飛濺等焊接缺陷，如圖2所示，每種缺陷都對(duì)焊縫質(zhì)量有不同程度的影響。

焊接結(jié)構(gòu)常在焊接缺陷或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處發(fā)生脆性斷裂，造成災(zāi)難性的破壞。一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)中缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆性斷裂的危險(xiǎn)越大。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)承受沖擊或局部發(fā)生高應(yīng)變或環(huán)境惡劣時(shí)都容易使焊接缺陷缺陷引發(fā)脆性斷裂[6]。

2 缺陷修正

裂紋是不允許存在的，故應(yīng)徹底將裂紋去除后補(bǔ)焊；氣孔根據(jù)ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)判斷是否超標(biāo)，超標(biāo)的去除，必要時(shí)補(bǔ)焊，但處理超標(biāo)氣孔時(shí)建議綜合考慮其超標(biāo)程度及焊縫結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)及補(bǔ)焊難易和得失；未焊透、未熔合、燒穿、焊偏、未焊滿等需將缺陷徹底去除后補(bǔ)焊；焊洇、錯(cuò)邊、下塌、變形、脫節(jié)、夾渣、余高超高等根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷是否需去除和補(bǔ)焊；弧坑和弧坑裂紋、電弧擊傷、咬邊缺陷需去除，必要時(shí)補(bǔ)焊；焊接飛濺應(yīng)在焊接完成后清理干凈。

3 結(jié)論

（1）鋁合金MIG焊接過程中容易產(chǎn)生裂紋、氣孔、未熔合、未焊透、焊洇、焊接變形等缺陷。

（2）鋁合金MIG焊接產(chǎn)生缺陷的原因有很多，主要是鋁合金自身特性影響、焊接工藝參數(shù)不當(dāng)、焊前處理不到位、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)影響等；可結(jié)合缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)焊接缺陷進(jìn)行預(yù)防。

（3）每種焊接缺陷都會(huì)在不同程度上影響焊縫質(zhì)量，缺陷造成的應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆性斷裂的危險(xiǎn)越大，需綜合缺陷種類、位置、嚴(yán)重程度等方面并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定具體處理措施。

[1]龍 林.車身鋁合金焊接及及接頭力學(xué)性能[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007.

[2]趙為松，趙維樹.高速列車鋁合金車體焊接可靠性[J].電焊機(jī)，2011，41（11）：103-105.

[3]黃旺福，黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004：122-123.

[4]張宏偉.鋁合金常見焊接缺陷分析[J].輕合金加工技術(shù)，2010，38(1)：53-55.

[5]顧曾迪，陳根寶，金心溥.有色金屬焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：6-7.

[6]李明奎.焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及其防治措施[J].黑龍江科技信息，2010(16)：22.