焊接工艺对镍基焊缝气孔的影响

张琦

摘 要：针对焊接工艺对于镍基焊缝气孔的影响，我们利用告诉摄像机和显微镜对拍摄的照片将油污，送丝速度，保护气体和焊接电流等作为变量，对焊缝气孔进行研究和发现。实验结果证明：利用钨极氩弧对镍基进行焊接时，会产生气泡，正因为存在气泡，所以可以证明有气孔的存在。利用光学显微镜对微观组织进行研究，可以看出，送丝速度和保护气体对镍基中的气泡有主要的影响。但是在变动其他可选择项时，并没有明显的变化。研究证明送丝速度和保护气体是对镍基气泡产生变化的主要因素。

关键词：焊接工艺;镍基;钨极氩弧

引言：镍基合金是一种具有超强的强度，和一定的抗腐蚀能力的综合合金。镍基合金可以运用于很多的领域，例如海洋，环保，能源，石油化工，食品都能看到镍基合金的身影。随着中国经济的不断发展，各个领域对于合金的需求与要求都越来越高。镍基合金与不锈钢材料进行对比，镍基合金具有合金元素含量较高、热膨胀系数较小的优点。但是，由于镍基合金也具有一些下缺点，所以，本文以钨极氩弧为主要研究材料，通过不断的更换焊接工艺来研究焊接工艺对镍基焊缝气孔的影响。

1 实验制备与方法

1.1实验制备

（1）材料：利用钨极氩弧来进行实验，可以有效的减少合金元素的损失。使用的钨棒直径为φ4.0 mm。焊接材料为φ0.9 mm的焊丝。

（2）焊接设备：我们使用NERTAMATIC 450自动等离子焊接系统对钨极氩弧进行焊接。

（3）焊接工艺：在此实验中我们为了研究气孔是如何让形成的。在焊接的部分中，在焊缝中的焊丝表面认为的添加油污，通过添加油污来将气体引入气孔源。不仅如此，为了研究焊接工艺对于镍基焊缝气孔的影响，在不同的实验中将送丝速度，焊接电流和保护气体作为不同的变量进行研究。

1.2实验方法

为了研究观察在焊接过程中熔池中产生的气孔的形态，在实验中采用高速摄像机对产生的气孔进行。为了便于拍摄，将摄影机摆放在焊缝旁边，对焊接的过程做全程的摄像记录。为了进一步观察焊缝金属中是否会产生气泡。我们使用电火花线对焊缝金属进行切割， 切取不同位置的焊缝， 用显微镜进行分析。

2 实验结果

通过高速摄像机对焊接过程进行拍摄，

可以看出，由于焊材中的Ca、Ti等元素，导致在焊接时，焊道表面形成了大量的Ca 、Ti熔渣。因为焊材的熔点比钨极氩弧的熔点低。所以与进入熔池中的氧形成了氧化物。由于形成的氧化物的密度比较小。所以会浮在喊道的表面，从而形成大量的熔渣。当气孔从熔池中溢出之后，熔渣减少，大量的气泡聚集在焊道侧壁的融合区域附近。由图可知，尽管在焊接是采用双气道保护，也仍然无法避免熔渣的产生。气泡溢出，主要是由于以现在的研究水平，依旧没有办法克服液态金属的粘力。同时要求，气孔的溢出速度>液态金属的凝固速度，这样气体才可以溢出，據此可以得出公式;

根据公式可以得出，在焊接时，气泡的半径越大，气泡越容易溢出。气泡是由于液态金属在凝固时没有及时的将残留在金属中的气泡排除而形成的。气泡的星厨主要有两方面的因素。第一是行核，由于能量起伏（自由能下降）、结构起伏（半径达到一定尺寸的晶肧）3.浓度起伏。晶界处浓度分布不均匀，容易形成浓度起伏和结构起伏，再一个晶界处空位，位错多，原子扩散能力强。第二是稳定增长，只有稳定增长，才能保证气泡可以逐渐形成。小气泡通过不断地相互吞并，形成大气泡并且逐渐的向上漂浮，最后溢出焊缝。然而，那些没有吞并其他的气泡，由于没有达到溢出的条件，所以留在了焊缝中，最后形成了气泡。通过告诉摄像机的拍摄，我们可以观察到焊缝金属中存在气孔源，并不能明确的说明焊缝中是否真的存在气孔。

3 分析与讨论

3.1分析

（1）焊接工艺对气孔形成的影响

沿着焊接的方向，在距离起弧端面30 mm的地方， 间距约

50 mm， 用线切割出6个欢度为35mm，厚度为10mm的切片，这六个切片的编号分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6。可以观察出，气孔是否存在是血药看焊缝金属中是否存在气源体核焊和焊接接工艺参数设计是否准确所影响的。通过实验可以证明，焊接工艺对于气孔的形成没有直接的影响。

（2）油污对气孔的影响

在焊丝的表面添加油污后的焊缝金属微观外貌，焊道不同位置的气孔尺寸大小也不相同。有的是几微米，有的是几百微米。正因为如此，在一些位置，气孔的尺寸很小，例如在焊接起始端，气孔的直径很小，大概是5微米。所以在焊接起始端。用仪器就很难探测出气孔的存在，所以，不能很明确的证明油污对与气孔的产生有影响。

（3）送丝速度对气孔的影响

在此实验中，我们把送丝的速度作为变量，分别做增大、减小的变化。在将送丝的速度在原有的速度基础上增加一倍后，对焊缝界面的微观组织进行观察，发现表面有少量的缺陷。在将送丝速度下降到原有速度的二分之一后，在界面上几乎没有缺陷。根据实验结表明，在使用镍基焊材钨极氩弧焊时，在降低送丝速度后，可以有效的减少焊缝金属中的气泡。

（4）保护气体对气孔的影响

为了研究保护气体对于焊缝气孔的影响，使用保护气体对焊缝进行作用。将保护气体由50 L/min降低至25.15 L/min。在减少保护气体之后，在焊缝中，奥氏体的组织有气孔的产生，但是气孔的尺寸和密度并没有受到影响。所以，气体的产生与保护气体的流量有很大的关系。由于钨极氩弧焊的焊接特点具有流动性较差的焊接特点，所以如果继续降低保护气体，会对焊接的质量产生很大的影响。

3.2讨论

根据上文实验可以知道，在使用镍基进行焊缝时，焊缝中一定会产生气孔。但是，相较而言产生的气孔大多数为单个的小气孔，气孔的密度比较低。通过高速摄像机拍摄的图片可以看出，在焊接时，大多数的气体会以气泡的形式溢出液态金属的表面来。总体而言，焊接工艺不会对气泡的产生有很大的影响。同时，油污也不会直接影响细孔的产生。但是，送丝速度和保护气体会对气孔产生很大影响。因此我们只要控制好送丝的速度和保护气体的流量，就可以减少气孔对于焊接时镍基焊缝的影响。

4 结论

（1）在焊接过程中，我们利用高速摄像机拍摄的图片可以看出，在焊接时，表面会存在少量  的气泡。

（2）通过显微镜可以看出，焊接头中的气孔具有密度低，尺寸小的特点。

（3）实验证明，焊接的工艺和焊接时的电流不会使焊缝的金属产生气孔，但是，送丝速度和油污会使焊缝中产生大量的气孔。

参考文献：

[1]赵晓兵、鲁艳红 焊接工艺对镍基焊缝气孔的影响;有色金属材料与工程;上海

[2]莫文林 B、Ti和Nb对镍基合金焊缝金属组织、缺陷和性能的影响[D]. 北京： 中国科学院大学， 2015.

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