分析低碳钢焊接气孔产生的机理及试验研究

摘 要：我国在完成全面建设小康社会之前，钢铁仍将是主要结构材料，焊接技术也必然要跟随钢铁的发展而同步提高。出现在焊缝中的气孔是一种典型的焊接缺陷，气孔的存在，不仅减小了焊缝的有效承载面积，而且会形成应力集中，使得焊缝的强度韧性、疲劳强度下降，有时气孔还会成为裂纹源，因此，气孔的防止是焊接中一个十分重要的问题。

关键词：焊接；低碳钢；缺陷；气孔；原因分析

1.低碳钢性能分析

碳含量从0.10%至0.25%的碳素钢为低碳钢。低碳钢含碳量较低，没有淬硬倾向，钢材本身又有良好的塑性，焊接性能较好，一般在焊接时不需要采取特殊的工艺措施，几乎各种焊接方法都适用，并能保证焊接接头的良好质量，例如焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、二氧化碳气体保护焊等。对焊接电源没有特殊要求，交、直流弧焊电源均可。

2.低碳钢焊接气孔来源

低碳钢焊接时焊缝中的气孔是一种典型的焊接缺陷，因此，消除焊缝的气孔是焊接工作者的责任。

（1）焊接区周围的空气融入熔池 如果焊接区没有受到很好的保护，周围空气会侵入熔池。空气中的气体的侵入是焊缝产生气孔的重要原因，特别是氮气孔。低氢焊条引弧时产生气孔就是因为药皮中造气物质CaCO3在引弧时没能及时分解产生足够的二氧化碳造成保护不良所致。

（2）焊接材料的吸潮 空气中的水分很容易吸附在焊接材料上，特别是焊条和焊剂。焊接材料的吸潮是氢气孔产生的重要原因之一。

（3）工件以及焊丝表面的氧化膜、铁锈、油污等均可在焊接过程中向熔池中提供氢和氧。铁锈是氧化物的水合物，而且可以提供水分，成为氢的来源。铁锈比不含水的氧化铁皮更容易形成气孔。油污通常含有大量的碳氢化合物，因此也是氢的主要来源。

3.通过实验分析低碳钢焊接气孔的产生机理

3.1焊条药皮成分对气孔的影响

（1）E4303：也称J422碳钢焊条，药皮是钛钙型，药皮中含有30%以上氧化钛和20%以下钙或镁的碳酸盐矿；E5015（J507）典型的碱性焊条。它是药皮中含有多量碱性氧化物的焊条，由于焊条药皮中含有较多的大理石、萤石等成分，它们在焊接冶金反应中生成CO2和HF，因此降低了焊缝中的含氢量，所以碱性焊条又称为低氢焊条。

（2）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别使用E4303和E5015进行焊接，焊接速度2mm/s，电流120A，ZX6-250 整流弧焊电源（有下降性特点，交换抽头式，额定电流250A），直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，对比E4303和E5015不同焊缝气孔情况。

（3）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别使用E4303和E5015进行焊接，焊接速度2mm/s，電流180A，直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，观察焊缝中气孔情况。

小结：通过试验可以知道，在同样条件下焊接低碳钢，E5015比E4303更容易产生气孔。由此可见，焊条药皮成分是影响低碳钢焊接产生气孔的一个因素。一般碱性焊条药皮中均含有一定量的萤石（CaF2），焊接冶金反应中生成CO2和HF，CO2在高温时与氢形成OH和H2O，因此降低了焊缝中的氢含量，但CO2的氧化性较强，如还原不足，将产生CO气孔。而酸性焊条药皮中不含CaF2，控制氢主要依靠药皮中有较强氧化物的组成物，以防止氢气孔的产生。

3.2水分对气孔的影响

（1）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别使用干燥的E4303和浸湿的E4303（500ml清水中浸泡1小时）进行焊接，焊接速度2mm/s，电流180A，直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，对比观察焊缝中气孔情况。

（2）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别使用干燥的E5015和潮湿的E5015进行焊接，焊接速度2mm/s，电流180A，直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，对比观察焊缝中气孔情况。

小结：通过试验可以得知，水分是导致气孔出现的主要原因，水在冶金过程中分解成氢和氧，这两种元素容易在焊缝中造成气孔，有的气孔会贯穿整个焊件，对焊缝危害很大，另外固态焊缝中多余的氢也会在焊缝中的微缺陷处集中形成氢分子，这种氢往往在微小空间内形成局部的极大压力，使焊缝变脆。

3.3铁锈对气孔的影响

（1）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别在焊条中加铁锈（在E4303焊条药皮上涂混合铁锈的水玻璃）和不加铁锈进行焊接，焊接速度2mm/s，电流180A，直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，对比观察焊缝中气孔情况。

（2）对清理干净的油污、铁锈、和水的12mm厚的低碳钢板，分别在焊条中加铁锈（在E5015焊条药皮上涂混合铁锈的水玻璃）和不加铁锈进行焊接，焊接速度2mm/s，电流180A，直流反接，T型接头无坡口，焊接完成后进行破坏性检验，对比观察焊缝中气孔情况。

小结：通过试验可以知道，在其他条件相同的情况下加铁锈会更容易出现气孔。铁锈是钢铁氧化的产物，它是氧化铁的水化物，分子通式为 mFe2O2·nH2O，铁锈也包含四氧化三铁的水化物，如 Fe3O4.H2O，铁锈含有大量以结晶水形式存在的水分，大量的水蒸气在电弧的条件下发生分解，分解时也吸热。 在液态熔池中有足够高的温度时，这些氢溶入扩散至熔池中。结晶时，随着溶解度下降，氢便大量析出。因此氢便成为焊接有色金属时，产生气孔主要原因。

4.结论

通过实践表明，低碳钢焊缝中的气孔主要是由氢引起的。氢的来源有焊丝和板材中溶解的氢及表面氧化膜吸附的结晶水；焊接时由于保护不好空气中的氢和水气进入焊接熔池等。所以，减少焊缝气孔要从以下几方面入手：①焊接材料，如焊条、焊剂要严格烘干，并且烘干后不得放置时间过长，最好存放在保温桶中，随取随用。②采用适当的表面清理方法，清除工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈及油污等。

参考文献：

[1]刘会杰主编.《焊接冶金与焊接性》.哈尔滨工业大学出版社，2008.3.

作者简介：王波，（1979.11-），男，汉族，本科，研究方向：焊接。