石华辰 白婷 韩昕
中石化胜利油田分公司地面工程维修中心
【摘要】：气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴，气体是熔池从外界吸收的，或焊接冶金过程中反应生成的。气孔对在动载荷下，特别是交变载荷下工作的焊接结构更为不利，它将显著降低焊接接头的疲劳极限。本文对焊接过程中气孔产生的原因进行分析，并根据工程实践，提出相应的了防治措施。
【关键词】 焊接 气孔 措施
1.前言
气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴，气体是熔池从外界吸收的，或焊接冶金过程中反应生成的。气孔分为氢气孔、氮气孔、二氧化碳气孔、一氧化氮气孔、氧气孔，熔焊中常见的气孔是氢气孔、一氧化碳气孔。气孔减少了焊缝的有效截面积、使焊缝疏松，从而降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄漏，气孔也是引起应力集中的因素，氢气孔还可能促成冷裂纹。
2.产生气孔的因素
2.1.冶金因素对气孔的影响
冶金因素主要指与焊接化学冶金过程有关的因素，如熔渣的化学性质、焊条药皮或焊剂的成分、保护气体种类、铁锈和水分等。
焊接时，熔渣的氧化性强弱，对生成气孔的倾向有明显的影响。实验证明，熔渣的氧化性增强。CO气孔的倾向就增加，而氢气孔的倾向减小；熔渣的还原性增强则相反。
焊条药皮和焊剂的组成都比较复杂，所以对生成气孔的影响也比较复杂。现仅介绍焊接低碳钢和低合金钢时的影响。CaF2可以去氢，是因为CaF2在焊接中能与焊接区的氢形成稳定的HF，HF在高温时不发生分解，也不溶于金属中。所以，用碱性焊条或加CaF2的焊剂焊接低碳钢，可以有效地防止氢气孔。实践证明，在HJ431中适量的CaF2和SiO2共存时，也可形成稳定的HF。酸性焊条防止氢气孔主要是提高药皮的(SiO2、MnO、FeO、MgO等)氧化性，使氧化物与氢在高温时形成稳定性仅次于HF的OH。生成的OH不仅降低了氢的分压，而且也不溶于金属，对消除氢气孔也是有效的。
焊接区内的铁锈、水分、油污等对生成氢气孔的影响是很大的。其中铁锈中的高价氧化物和结晶水，高温时可分解出FeO、H2、H、O和OH等，结果使焊缝的氧化性增加，同时增加了气氛中氢的分压，因而使产生CO气孔和氢气孔的倾向都有增加。因此，采用碱性焊条焊接时，焊前必须把焊接区内的铁锈、水分、油污等清理干净。而酸性焊条对铁锈和水分的敏感性较低。
2.2.工艺因素对气孔的影响
工艺因素是指焊接工艺有关的因素，如焊接工艺参数和操作技能等。
熔池存在的时间t与焊接工艺参数的关系为： t＝KUI/v式中K——常数，与被焊材料热物理性能有关；
?U——电弧电压，V；
??? I——焊接电流，A；
v——焊接速度，cm/s。
由上式可知，为了减小焊缝中气孔，应适当增加熔池的存在时间t。增加t可通过增大电弧功率或降低焊接速度来实现。但要注意，因焊接电流过大，使熔滴过细而比表面积增大，熔滴吸收氢气增加，焊缝产生气孔倾向反而增加（因奥氏体和耐热钢焊条的电阻比碳钢的大，增大焊接电流会导致药皮发红、脱落和药皮中的碳酸盐提前分解，气孔倾向增加）。
实践证明，提高电弧电压会使熔池保护性能变差，氮气孔倾向增加。提高焊接速度，会使结晶速度增加，气孔倾向也增加。
电流种类和极性与气孔之间的关系是，当使用未烘干的焊条，采用交流电时，焊缝中最容易产生气孔；采用直流，气孔较少；采用直流反接时，气孔倾向最小。其原因是，氢以质子形式向熔池中溶解的同时，由原子释放出一个电子： H→[H＋]+e
许多研究认为，氢是以质子形式向液态金属中溶解。当工件接负时，液态金属的表面上有较多的电子，反应式向左进行，氢向熔池溶解受到阻碍；直流正接时，熔池表面为阳极有利于氢质子的形成，但形成的氢质子一部分熔入熔池，另一部分在电场的作用下向阳极运动，所以气孔倾向大于直流反接；交流电在电流通过零点的瞬时，氢质子可以顺利的进入溶池，因此交流电气孔倾向最大。
定位焊是固定结构尺寸和减小结构变形的焊缝。由于焊缝尺寸短、气保护性差、母材温度低、冷却速度快，所以定位焊缝处出现气孔倾向高。有时定位焊缝上的气孔成为正式焊缝中的气孔核心。为此，定位焊一定要按正式焊缝来要求。
为防止气孔的产生，焊前对焊接区、焊丝要认真清理，对焊条（焊剂）分类严格按要求烘干，对操作者要求持证上岗等，切断气孔来源。
气孔是焊缝中常见的一种缺陷，产生的因素是多方面的，它的存在会使焊缝截面减小、强度降低，还会使腐蚀加剧，导致结构过早失效。因此，对气孔要给予足够的重视，根据生产条件采取相应措施。
3.防止产生气孔的措施
3.1 严格选用焊接材料
在选用焊接材料方面，必须要选用与焊接金属物体相匹配的材料，尽量选取抗锈性能比较好的焊接材料。如可以选用钢条的焊接材料，在钢条的焊接过程中，可以选取合适的惰性气体作为保护气，并在惰性气体中添加进少量氧、二氧化碳等活性气体，从而通过降低氢的分压去限制氢气的融入，同时还能使液体金属表面的张力降低以及活动性能的增大，从而有利于促进气体的排出。
3.2抑制外来气体的融入
首先是要清理好焊接材料的表面，因为焊丝和工件表面的油污、铁锈或氧化膜在焊接的过程中均可以向熔池提供氧和氢，从而造成了焊缝气孔的产生，因此在进行焊接时，焊丝表面不能带有油污或者铁锈等等。而对于铁锈的清理方法，一般可以采用钢丝刷或机械砂轮打磨的方式进行清理，而针对有色金属的氧化膜，则可让机械清理和化学清洗两种清理方式结合使用。并且在清洗过后，要及时进行焊接。其次是要注意焊接材料的防潮，要把烘干的焊条放到特定的保温箱或烘干箱中保管好。再次是要对焊条加强防护，防止空气入侵熔池。?
3.3采取措施防止外界环境对电弧的作用
在实际施焊过程中，要求焊接电弧1m 范围内空气湿度不能高于90%、铝及铝合金焊接时不得大于80%（摘自GB50236），焊接重要部位时，若空气湿度过大，则要采取措施降低焊接周围的环境的湿度。在国家标准GB50236-2011中，要求焊条电弧焊、自保护药芯焊丝电弧焊和气焊时风速不大于8m/s ，钨极惰性气体保护电弧焊和熔化极气体保护电弧焊时风速不大于2m/s 。风速稍大，会造成氩气保护层形成紊流，从而保护效果不佳。为了避免有风的情况产生的空气流对焊接的影响，在必要时要求现场施工时设置防风装置。
4.结语
总之，防止出现气孔的工艺措主要有两条：一是设法杜绝有害气体来源，不让气体进入熔池；二是一旦气体进入熔池，就千方百计保证液态金属有足够的的高温停留时间，使进入的气体有充分时间外逸。
参考文献
［1］赵彩云，雷晓东．焊接气孔产生的原因分析与控制[J]． 综合论坛，2016 （04）.