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  浙江宏盛特鋼有限公司在電弧焊試驗基礎(chǔ)上，分析了奧氏體不銹鋼管焊接氣孔產(chǎn)生的原因及對策。結(jié)果表明：通過對母材表面處理和焊條藥皮、結(jié)晶模式、焊接工藝參數(shù)等的合理控制，可以有效減少焊縫中的氣孔。奧氏體不銹鋼管具有良好的耐腐蝕性，韌性高，耐磨性及焊接性能良好，加上工作溫度范圍寬廣，既可以用于高溫場合，又可以用于低溫場合，在石油化工、航空航天、汽車、船舶、制冷等制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹鋼管的焊接性能主要與焊縫金屬中的氣孔、焊接熱裂紋及焊接接頭的耐腐蝕性有關(guān)。焊接氣孔是鉻-鎳奧氏體不銹鋼焊接常見的一種焊接缺陷，焊接氣孔不僅削弱焊縫的有效工作面積，還會造成應(yīng)力集中，顯著降低焊縫的強度及韌性，嚴重影響焊縫的動載荷強度和疲勞強度，還有可能誘發(fā)裂紋。所以分析奧氏體不銹鋼焊接氣孔產(chǎn)生的原因及對策，對保證焊接質(zhì)量有十分重要的意義。

一、實驗材料與方法

 1. 奧氏體不銹鋼管基材選用厚度為6mm的0Gr18Ni9管材，不銹鋼焊條牌號A102。奧氏體不銹鋼基材和不銹鋼焊條的化學(xué)成分見表。

 2. 實驗方法

   不銹鋼焊接試板機械加工60°V形坡口，鈍邊2mm。焊接試板待焊處兩側(cè)各20mm表面應(yīng)清理干凈，不應(yīng)殘留有任何污漬、油漆標(biāo)記、氧化皮及其他雜質(zhì)。可用酒精或丙酮進行擦洗，再用清水沖凈，干燥處理，必要時還可先進行打磨。焊條按焊接工藝規(guī)定進行烘干，減少焊接過程水分入侵。如果選擇堿性焊條要在350~400℃烘箱中烘焙1~2小時。采用焊條電弧焊，直流反接。如采用多層多道焊，每焊完一道要徹底清除熔渣，層間溫度應(yīng)低于60℃。用放大鏡或低倍顯微鏡觀察機械切割或打磨的焊接接頭表面的宏觀形貌及氣孔分布情況。

二、實驗結(jié)果及討論

 1. 焊縫氣孔的氣體來源電弧焊時，奧氏體不銹鋼焊縫中產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔，焊條藥皮中的水分及工件表面的油污等分解產(chǎn)生的氫是產(chǎn)生氫氣孔的主要原因。焊接溫度的升高，氫的溶解度越大，熔池在結(jié)晶時，氫的溶解度會發(fā)生陡降，使氫在焊縫中達到過飽和狀態(tài)，氫原子復(fù)合生成氫氣，氫氣不溶于金屬，若逸出條件有限，則在焊縫中形成氣孔。在焊接生產(chǎn)中由氮氣引起的氣孔較少，氮的來源主要由于焊接過程保護不良，較多的空氣侵入熔池所致，氮氣孔形成的原因與氫氣孔類似。奧氏體不銹鋼中的碳含量一般較低，并且鋼中含有大量合金元素對氧的親和力較大，所以，一般不會產(chǎn)生一氧化碳氣孔。

 2. 焊縫氣孔的類型及特征

  a. 表面氣孔:   焊縫的表面氣孔如圖所示,圖中分布的氣孔是焊縫表面的氫氣孔，氣孔為圓形，大小及分布不均。

  b. 分散氣孔 :  焊縫的分散氣孔如圖所示。這是焊縫橫截面切割面上的氣孔分布，圖中是比較分散的、大小均勻的氫氣孔。

  c. 鏈狀氣孔:   焊縫的鏈狀氣孔呈鏈狀分布的、內(nèi)壁光亮的、大小不均的氫氣孔。

  d.密集氣孔:   焊縫的密集氣孔是熔池結(jié)晶時，氫析出聚集在晶枝間，形成密集的小氣孔，待熔池完全結(jié)晶，氣孔卻沒能上浮逸出，形成局部密集的氣孔[2]。因?qū)嶒灄l件所限，本實驗沒發(fā)現(xiàn)鏈狀氣孔和密集氣孔。

 3. 焊接氣孔的形成過程研究表明：焊縫氣孔的形成全過程是：熔池中吸收了較多的氣體而達到過飽和狀態(tài)→氣體在一定條件下聚集形核→氣泡核心長大為具有一定尺寸的氣泡→氣泡上浮受阻殘留在凝固后的焊縫中形成氣孔�？梢�，焊縫氣孔的形成是以上四個環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。

 4. 焊縫氣孔產(chǎn)生的主要影響因素

  a. 焊條藥皮中水分含量對氣孔形成的影響

    在工件焊接區(qū)域清理得比較干凈的情況下，形成焊縫中的氫主要來源于藥皮中的水分。在實際操作時，為防止氣孔產(chǎn)生，一般都要求焊條在使用前進行烘干處理，以排除多余的水分。藥皮中的水分較小時，焊縫金屬中生成氣孔的傾向性也較小。但是，藥皮過于干燥又會導(dǎo)致藥皮開裂脫落，影響焊接的工藝性。

  b. 焊縫結(jié)晶模式對氣孔形成的影響

   不銹鋼焊縫產(chǎn)生氣孔的敏感性與焊縫金屬的結(jié)晶模式有關(guān)，熔池金屬的化學(xué)成分不同，相變過程及結(jié)晶后的組織也不同，不銹鋼焊縫的結(jié)晶模式有2種情況：

   鉻當(dāng)量/鎳當(dāng)量＜1.5時，焊縫為先奧氏體結(jié)晶模式（AF），即焊縫先結(jié)晶為γ相，然后發(fā)生部分γ→α轉(zhuǎn)變。AF結(jié)晶模式首先析出奧氏體，盡管鉻等鐵素體形成元素偏析的影響，在奧氏體晶粒邊界生成了共晶鐵素體，但是，由于氫在奧氏體中的溶解度比鐵素體高，結(jié)晶時從液相中析出的氫大部分已溶解于奧氏體中，氣體狀態(tài)的氫數(shù)量很少。加之在結(jié)晶過程中固—液相之間的界面能比較高，樹枝晶的二次晶軸不易生長，因此，氣泡不易在此形核。

   鉻當(dāng)量/鎳當(dāng)量＞1.5時，焊縫為先鐵素體結(jié)晶模式（FA），即焊縫先結(jié)晶為δ相，然后發(fā)生部分δ→γ相變。FA結(jié)晶模式首先析出鐵素體，隨著結(jié)晶過程的進行，由于鎳等奧氏體形成元素的偏析，發(fā)生包晶—共晶反應(yīng)，生成奧氏體。這些奧氏體在結(jié)晶過程中向鐵素體內(nèi)長大，使初晶的鐵素體逐漸縮小，最終使初晶鐵素體處于晶粒中心，形成蠕蟲狀、骨架狀、網(wǎng)狀或花邊狀。由于固—液相之間的界面能較低，樹枝晶的二次晶軸容易生長，為氣泡的形核提供了有利條件。且在液相結(jié)晶時析出的只有一小部分溶于δ鐵素體中，因而氣泡容易生成。熔池的逸出條件差時，就會殘留在焊縫中形成氣孔。

  c. 焊接工藝對氣孔形成的影響

    焊接工藝參數(shù)決定熔池存在時間，熔池存在的時間越短，氣體越不容易逸出，形成氣孔的傾向越大。熔池存在時間與主要焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系為ts=KUIυ式中，ts：熔池存在時間，s；K:與被焊金屬物理性能有關(guān)的系數(shù)；U:電弧電壓，V；I:焊接電流，A；υ:焊接速度，cm/s。由上式可以看出，若電弧功率（UI）不變，焊接速度（υ）增大時，則熔池存在的時間減小，氣孔傾向增大，若焊接速度不變，功率增加時，則熔池的存在時間增大，有利于氣體的逸出，氣孔傾向減小。研究表明：電弧功率的增加也會產(chǎn)生不利影響，一方面，因為電流增大，溫度高，使得熔滴變細、比表面積增大，導(dǎo)致吸收溶入更多的氫，反而增大了氣孔傾向，另一方面，因為電弧電壓提高，弧長增大，使熔滴過渡的距離加長，氣體保護不良，也會吸收溶入較多的氫，不僅形成氫氣孔的傾向增大，還容易產(chǎn)生氮氣孔。因此，通過調(diào)節(jié)焊接電流、電壓和焊接速度（q=UI/υ也稱線能量）的方法來防止氣孔的效果并不明顯。

 5. 焊件焊前的清理焊前應(yīng)將焊接工件坡口兩側(cè)20~30mm范圍內(nèi)的表面清理干凈，如有油污，可用酒精或丙酮等有機溶劑進行擦拭。為防止氣孔產(chǎn)生，應(yīng)避免使用藥皮受潮、變質(zhì)、剝落的焊條。焊前應(yīng)對焊條進行復(fù)烘，烘干后應(yīng)立即使用，或存放在100~150℃的烘箱或保溫筒內(nèi)，隨用隨取。

 6. 有條件時可控制焊縫合金成分，使焊縫中鉻當(dāng)量/鎳當(dāng)量＜1.5，焊縫結(jié)晶時為先奧氏體結(jié)晶模式（AF），也能有效減少奧氏體不銹鋼焊縫中的氣孔。

 7. 焊接工藝參數(shù)的選擇焊接工藝直接影響電弧周圍的氣體溶入熔融金屬以及熔池中氣體的逸出，焊接工藝不正確會使得電弧不穩(wěn)定以致失去應(yīng)有的保護作用，周圍氣體的侵入會增大氣孔傾向。焊接參數(shù)主要影響熔池高溫存在的時間，或者說是影響氣體溶入及析出的時間，氣體能否逸出出與熔池在高溫液態(tài)停留的時間有關(guān)。熔池在高溫液態(tài)停留的時間越長，就越有利于氣體的逸出，也就越不容易形成氣孔，反之，則越容易形成氣孔。電弧焊時，電流的種類和極性對焊縫氣孔也有影響。采用直流焊接時，焊縫含氫量要比交流焊接低。采用反極性焊接時，焊縫含氫量要比正極性接低。實際焊接生產(chǎn)前，應(yīng)根據(jù)焊接件材料、焊接方法、接頭形式等因素綜合考慮并經(jīng)氣孔敏感性試驗后，優(yōu)化工藝參數(shù)。

三、結(jié)論

   1. 奧氏體不銹鋼管的焊接氣孔主要是氫氣孔，氫的主要來自焊條藥皮中的有機物、結(jié)晶水或吸附水、焊件表面的污染物、空氣中的水分等。焊件的清理及焊條的干燥處理可避免這些因素引起的氣孔。
 
   2. 選擇合適的焊條，控制焊縫合金的成分，使焊縫中鉻當(dāng)量/鎳當(dāng)量＜1.5，焊縫結(jié)晶時為先奧氏體結(jié)晶模式（AF），也能有效減少奧氏體不銹鋼焊縫中的氣孔。

   3. 實際焊接生產(chǎn)前，應(yīng)根據(jù)焊接件材料、焊接方法、接頭形式等因素綜合考慮并經(jīng)氣孔敏感性試驗后，優(yōu)化工藝參數(shù)。