探析金属材料焊接成型中主要缺陷及控制策略

陈禹臻 ， 唐 茂 ， 郭子杨 ， 曾 健 ， 吴柏强

（1.成都大学机械工程学院，四川 成都 610100；2.成都海逸机电有限公司，四川 成都 610000）

随着我国机械制造技术的快速发展，金属材料在机械加工领域的应用越来越广泛。金属材料焊接成型是机械加工的关键环节，是影响机械产品质量的重要工艺因素。实践证明，金属材料焊接成型受诸多因素影响，因此在具体的操作环节需要严格按照相关工艺要求，根据容易发生的缺陷问题及时采取相应的防范控制措施，以此提升金属材料焊接成型的效果和质量[1]。

1 金属材料焊接成型概述

焊接顾名思义就是通过加热或者加压的方式，使用或者不使用填充材料使工件达到结合的一种方法。金属材料焊接成型则是通过加热等方法，使两块金属表面之间形成原子间的结合与扩散作用，从而使分离的金属材料牢固连接在一起的工艺方法。根据焊接工艺等因素划分，金属材料焊接成型工艺主要分为：1）熔化焊。熔化焊是最常用的焊接工艺，其主要是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。例如气焊、其他保护焊以及电弧焊等都属于熔化焊范畴。2）压力焊。压力焊则是在焊接过程中，由焊接操作者对焊件进行施压完成焊接作业。施加压力的方法比较多，例如加热、加压都属于常用的方法。3）钎焊。钎焊是近些年常用的一种焊接工艺，其主要是采取比母材金属熔点更低的金属材料作为钎料，然后焊接人员将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材金属熔点的温度，然后利用已经成为液态的钎料润湿母材金属，将其填充到接头间隙并且与母材相互扩散实现连接焊件的方法[2]。

大量实践表明，金属材料焊接成型工艺具有较高的应用价值：一是此种工艺能够节省焊接材料，而且焊接质量相对比较高，能够很好地达到焊接要求；二是焊接操作工艺流程相对简单，能够实现以小拼大的目的；三是使用范畴相对比较广泛，能够快速便捷地生成异种金属复合结构；四是焊接件重量相对较轻，便于焊接操作[3]。当然金属材料焊接成型工艺也存在一些缺陷，例如当焊缝中磷的质量分数超过0.04%时，就会产生裂缝，因此需要对金属材料进行控制。

2 金属材料焊接成型中存在的主要缺陷

金属材料焊接成型在机械制造生产中发挥着重要作用，随着我国焊接技术的不断发展，尤其是机器人技术在焊接工艺中的应用使得焊接作业质量不断提升。但是通过深入调查不难看出，在金属材料焊接成型作业中仍然存在一些缺陷问题，具体表现为以下几个方面。

2.1 焊接裂缝

焊接裂缝是焊接作业中常见的缺陷，在焊接作业中焊接应力超过焊接材料的断裂应力时，焊接件就会发生裂缝。例如纵向裂缝、横向裂纹以及内部裂纹等都是常见的焊接裂缝现象。焊接裂缝会给金属制品的后期使用带来巨大的威胁，例如在汽车焊接作业中如果出现焊接裂缝则会给安全行驶带来巨大隐患。根据焊接裂缝产生的原理，金属材料焊接裂缝主要分为热裂纹和冷裂纹两种形态。1）热裂缝。主要是在焊接作业中，金属在熔融态开始结晶时到完全转化为金属固态结晶过程中，由于受其他因素（金属材料的杂质较多或者焊接作业环境湿度较高）的影响而产生的裂缝[4]。一般热裂缝会直观地反映在金属制品的表面，肉眼可以直观地观察到。2）冷裂缝。在焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，当完成焊接作业后，由于焊接人员操作不当或者未能合理处理焊接加压工艺（焊接区域出现淬硬组织），就容易导致焊接件在冷却过程中出现相应的裂缝。一般冷裂缝会在焊接作业完成后的几个小时或者几天内发生，具有相对的延迟性。

2.2 焊接缝折断

焊接缝折断是严重影响焊接质量的因素，其主要是由于在焊接中出现各种问题而导致焊接接头根部并未完全熔化透，致使金属焊接部位存在焊接质量问题。导致金属材料焊接缝折断的原因主要有以下几个方面：1）焊接区表面有氧化膜或者锈皮。焊接属于金属材料原子间的重新组合，如果焊接区表面存在锈皮或者氧化膜就会导致不同金属原子出现组合障碍，从而出现焊接缝焊接不紧密的问题[5]。2）热输入不足，导致焊接熔化温度不够。焊接作业最基本的条件就是要保障焊接温度达到金属材料熔化点的温度，如果焊接热输入不足就会导致焊接缝区域的金属材料不能转化为液态，这样会出现不融合的问题。例如，当未融合的母材金属加热温度过高会成为过热粗晶，这样它的塑性和韧性就会变差，从而导致裂缝断裂。3）焊接池太大。焊接池就是在焊接加热时，母材金属和填充金属熔化后共同形成的液态区域。如果焊接池太大的话就会导致焊接件的塑性变得比较差，从而出现裂缝断裂。当然接头设计不合理也是容易造成焊接件不融合的重要因素。

2.3 焊接气孔

气孔是金属材料焊接成型加工中的最普遍的问题。据调查，金属材料焊接气孔缺陷一般发生在焊接区内部、表面以及焊接接头部位。如果焊接件出现气孔缺陷，会严重影响焊接件的整体质量，为后续的机械加工带来巨大安全隐患。本研究结合相关研究资料，认为焊接件气孔形成的主要原因有以下几个：1）保护气体覆盖不足。在焊接过程中需要排除空气，避免在焊接中卷入空气，如果在焊接中卷入空气就容易导致焊接区域出现气孔[6]。2）焊丝污染。焊丝污染是造成气孔的重要因素，也是在焊接作业中经常会出现的问题。其原因就在于焊接作业人员缺乏安全意识，没有做好焊丝的清洁保护工作。当然工件的污染也是造成气孔发生的重要因素，例如工件表面存在油污、灰尘等，就会产生污染区域不能熔化的故障，从而导致气孔缺陷发生。3）喷嘴与工件距离太大，导致在焊接作业时出现气孔。

2.4 夹渣和焊瘤

夹渣就是在焊接过程中存在熔渣导致的，一旦出现夹渣缺陷就会影响到金属焊接件的整体质量。导致夹渣的原因比较多，但是在实践作业中主要是由于作业人员没有严格控制行走速度结果导致氧化模型夹杂物。当然焊接件的坡口切割不规范也是造成夹渣的重要因素。例如在焊接件焊接口切割时，如果切口存在大量的毛细组织，就会导致切口处存在一定数量的金属氧化皮，在焊接加热过程中，金属氧化皮就会受到高温影响而熔化，最终形成夹渣[7]。

焊瘤缺陷是焊接成型操作完毕后，在焊接缝周围出现的明显的金属瘤。金属瘤的产生主要是由于焊接过程中产生的溶液金属在下坠过程中受到其他因素干扰。例如在焊接作业中，焊接电流输入的压力较大或者焊接电弧放射行程过大就会使焊接点溶液过多导致下坠压力较大，从而产生焊瘤。

3 控制金属材料焊接成型缺陷的具体策略

基于金属材料焊接成型中所存在的缺陷问题，需要采取以下控制策略。

3.1 裂缝缺陷的控制策略

裂缝是金属材料焊接成型的主要缺陷，对于焊接裂缝缺陷的控制主要采取以下措施：1）对于热裂缝主要从焊接工艺入手。要规范焊接操作流程，要求焊接人员严格按照焊接操作顺序实施。规范焊接参数，优化调整焊接工序及焊接电流设置[8]。2）对冷裂缝则需要从焊条等方面入手，例如为了避免发生冷裂缝缺陷，焊接人员要选择低氢型焊条，这样可以防止在焊接作业时出现大量氢气汇集的现象，从而降低焊接件出现冷裂缝的概率[9]。同时焊接人员还要树立安全意识，严格按照焊接作业流程等规范要求做好焊条的保管工作，防止焊条产生受潮现象，如果焊条受潮的话则不能使用。

3.2 焊缝折断缺陷控制策略

焊缝折断发生的原因比较多，但是结合常见焊缝折断缺陷原因，应采取以下措施：1）要做好焊接件的清洁作业。由于焊接件区域部分存在油污等会导致融合性差的问题，从而导致焊缝折断。因此在焊接作业前，焊接作业人员需要对焊接缝周围进行清洁，保障周围杂物清除干净。当在焊接过程中发现油污存在，则要在起弧后，适当地放慢焊接速度，多烧一会，等金属漆层烧损后再进行金属焊接，这样可以有效避免不融合的现象。2）适当提高送弧速度以解决热输入不足产生的危害。如果在焊接过程中发现热输入不足现象，焊接人员要适当提高送弧的速度，这样可以有效解决因热输入不足而造成的焊接不牢固的缺陷问题[10]。3）减少电弧摆动以减少焊接熔池。在焊接过程中由于熔池过大容易造成焊接未熔合的现象，焊接人员要做好熔池的设计，通过减少电弧摆动的方式适当增加在靠近坡口面熔池边缘的停留时间。4）要优化接头设计。为了降低裂缝折断的概率，需要优化坡口角度，保障坡口角度足够大，这样可以缩短焊丝伸出长度，从而使焊丝更加直接加热熔池底部。

3.3 焊接气孔缺陷控制策略

对于气孔缺陷的控制策略主要是针对金属焊接成型中的发生原理实施。1）要增加保护气流量，及时排除影响焊接的空气。如果在焊接中空气含量过高就会导致焊接缝中存在大量的气体，从而产生气孔。因此焊接人员要适当增加保护气流量，避免在焊接中卷入过量的空气。2）要加强对焊接件的清洁作业。焊接件出现污染会严重影响焊接质量，所以在焊接实施前需要对相关焊接件进行清洁[11]。一方面，要对焊丝进行清洁，将送丝机构的污染区清理干净；另一方面，要对焊接件表面进行清洁，尤其是要将表面的锈皮、尘土等清除干净。当然为了最大程度地控制金属焊接气孔的产生，在电弧焊时要选择含脱氧剂的焊丝。3）优化焊枪角度，将电弧力推动金属流动。

3.4 夹渣和焊瘤问题的控制策略

夹渣和焊瘤是影响焊接质量的重要因素，对于夹渣和焊瘤的主要控制措施如下[12-13]：1）做好焊接件的清洁作业，避免杂物融入焊接作业中。由于焊接件表面污染或者切口存在氧化铁皮等会导致夹渣出现，因此在焊接作业时需要做好各项清洁作业，保障焊接件表面干净。2）做好切口工艺。在焊接件切口操作时必须保障切口的整洁，防止切口操作不规范。3）适当降低送丝速度和电弧电压，避免焊瘤发生。焊瘤出现的很大因素是热输入较大而导致金属材料熔化液态下坠压力较大，因此焊接作业人员要降低送丝的速度，提高焊接的速度，以免因瞬间热输入较大而造成焊瘤。

4 结束语

总之，随着机械智能制造技术的不断发展，虽然现如今金属材料的焊接成型工艺不断发展成熟，但是依旧不可避免地会存在一定缺陷，这些缺陷也会对金属焊接效果及质量形成负面影响。因此，人们需要对金属材料焊接成型过程中出现的缺陷进行分析，同时结合现实情况去正确修正，优选焊接材料，把控好焊接速度与电流，设定标准化参数，避免一切不规范操作带来的焊接缺陷，确保金属材料焊接成型的质量。