如何解决焊缝中的气孔问题

焊接时熔池中的气泡在凝固时，未能逸出而残留下来所形成的空穴，叫做气孔。焊接实践中气孔缺欠是十分常见的。碳钢、合金钢及有色金属等各种材料中都有产生气孔的可能性。例如被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质；焊条、焊剂烘干不充分；焊接工艺不够稳定，如电弧电压偏高、焊速太大和电流太小等；焊接区保护不良等都会造成气孔缺陷。低碳钢电渣焊时，由于脱氧不足在焊缝内部出现的气孔如图5-38所示；低碳钢焊条电弧焊时因工件表面的油、锈等引起的气孔如图5-39所示。

图5-38 电渣焊焊缝的内部气孔

1.气孔的类型及分布特征

气孔的类型很多，按产生气孔的气体可以分为氢气孔、一氧化碳气孔及氮气孔等；从分布状态可以分为单个气孔、密集的多个气孔以及沿焊缝纵向呈链状分布的气孔；从气孔所在的位置看，有的在表面、有的在焊缝内部或焊缝根部。内部气孔不易被发现，往往带来很大的危害。

焊缝中产生气孔的根本原因是由于高温时金属溶解了较多的气体，例如氢气、氮气等；此外，在进行冶金反应时还产生了相当多的气体，如CO、H₂O等。这些气体在焊缝凝固过程中如果来不及逸出时就会产生气孔。研究表明，能够形成气孔的气体共有两类：

图5-39 焊条电弧焊的表面气孔

①高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度突然下降而来不及逸出，残留在焊缝内部的气体，如氢和氮。

②由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H₂O等。

由于产生气孔的气体不同，因而气孔的形态和特征也有所不同。

（1）氢气孔 对于低碳钢和低合金钢的焊接，在大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状呈螺钉状，从焊缝的表面上看呈喇叭口形，而气孔的四周有光滑的内壁。这类气孔在个别的情况下也会出现在焊缝的内部。如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，因而在凝固时来不及上浮而残存在焊缝内部。

氢气孔形成的原因是，在高温时氢在熔池和熔滴金属中的溶解度很高，溶解了大量的氢气；当熔池冷却时，氢在金属中的溶解度急剧下降，特别是从液态转为固态的δ-Fe时，氢的溶解度从32mL／100g迅速降至10mL／100g。由于焊接熔池冷却速度很快，氢来不及逸出时，就会在焊缝中产生气孔。

由此可知，氢气孔是在结晶过程中形成的。在相邻树枝晶的凹陷处是氢气泡的聚集场所，使得气泡的浮出就更加困难。由于氢具有较大的扩散能力，极力挣脱现成表面，上浮逸出，两者综合作用的结果，最后形成了具有喇叭口形的表面气孔。

（2）氮气孔 关于氮气引起的气孔，其机理一般认为与氢气孔相似，气孔的类型也多为表面气孔，但多数情况下气孔是成堆出现，与蜂窝相似。产生氮气孔主要原因是对焊接区域保护不好，有较多的空气侵入熔池所致。在焊接生产中由氮引起气孔较少见，其原因是在焊接过程中对焊接区域加强了保护，防止了空气的侵入，杜绝了氮气的来源。

（3）CO气孔 这类气孔主要是在焊接碳钢时，由于冶金反应产生了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。气孔沿结晶方向分布，有些呈条虫状出现在焊缝内部。产生CO气孔的原因是由于各种结构钢总含有一定量的碳元素，由于焊接冶金反应而产生了大量的CO，例如：

［C］＋［O］==CO

［FeO］＋［C］==CO＋Fe

［MnO］＋［C］==CO＋Mn

［SiO₂］＋［2C］==2CO＋Si

这些反应可以发生在熔滴过渡的过程中，也可以发生在熔池内熔渣与金属相互作用的过程中。由于CO不溶于金属，所以在高温时冶金反应所产生的CO就会以气泡的形式从熔池中高速逸出，并不会形成气孔。

但是，当热源离开以后，熔池开始凝固时，由于铁碳合金溶质浓度偏析的结果（即先结晶的较纯，后结晶的溶质浓度偏高、杂质较多），可使熔池中的氧化铁和碳的浓度在某些局部地区偏高，有利于进行下列反应：

［FeO］＋［C］→CO＋Fe

由于凝固结晶时，熔池金属的粘度不断增大，此时产生的CO就不容易逸出，很容易被围困在晶粒之间，特别是在树枝状晶体凹陷最低处产生的CO更不容易逸出。此外，这种反应是吸热过程，会促使凝固加快，此时形成的CO气泡来不及逸出便产生了气孔。由于CO形成的气泡是在结晶过程中产生的，因此形成了沿结晶方向的条虫形内部气孔。

在某些特殊情况下也会出现反常现象。例如，CO₂气体保护焊时，当焊丝的脱氧能力不足时，CO气孔可能由内部转至焊缝表面。因此，在判断气孔的类型时，不应只看气孔存在的一般特征，还是应当从形成气孔的具体条件进行分析。

2.焊缝中形成气孔的机理

试验研究表明，产生气孔的过程是由三个相互联系的阶段所组成，即气泡的生核、长大和上浮。它们各自都有本身所遵循的规律，以下分别进行讨论。

（1）气泡的生核 气泡的生核至少应具备以下两个条件：

①液态金属中有过饱和的气体。

②生核要有能量消耗。当有现成表面存在时，可以大大降低能量消耗。

液态金属中存在过饱和气体是形成气孔的重要条件，而焊接时熔池金属可以获得大量的氢、氮、CO等气体，所以上述第一个条件较易满足。

关于气泡生核所需的能量，根据金属物理方面的研究表明，形成气泡核的数目可由式（5-10）计算。

式中n——单位时间内形成气泡核的数目；

C——常数；

e——自然对数的底（e＝2.71828）；

r——气泡核的临界半径（cm）；

σ——气泡与液态金属间的表面张力（dyn／cm²，1dyn／cm²＝0.1Pa）；

k——波耳茨曼常数（k＝1.38×10^－9J／K）；

T——开尔文温度（K）。

计算表明，在正常条件下纯金属的n值非常小；n≈10^－16.2×10²²。

所以在极纯的液态金属中形成气泡核的可能性极小。然而在焊接熔池中存在大量的现成表面，例如分布不均匀的溶质质点、熔渣与液态金属的接触表面，特别是熔池底部成长的树枝状晶粒，这些现成表面就使气泡核的产生比较容易。

在焊接熔池中具有现成表面存在的条件下，形成气泡核所需的能量如式（5-11）所示：

式中E_p——形成气泡核所需的能量（J）；

p_h——气泡内的气体压力（101kPa）；

p_L——液体压力（101kPa）；

V——气泡核的体积（cm³）；

σ——相间张力（J）；

A——气泡核的表面积（cm²）；

A_a——吸附力的作用面积（cm²）；

θ——气泡与现成表面的浸润角（°）。

由式（5-11）看出，气泡依附在现成表面时，由于降低了相间张力σ和提高了A_a／A的值，即可使能量E_p减少。可以认为：A_a／A的值最大的地方就是最有可能产生气泡的地方；树枝状晶相邻的凹陷处和母材金属半熔化晶粒的界面上A_a／A的值最大，因此，恰好在这些部位最容易产生气泡核。

此外，当A_a／A的值一定时，角θ越大，形成气泡核所需的能量越小。

（2）气泡的长大 气泡核形成之后，就要继续长大，气泡长大应满足下列条件：

p_h＞p₀

式中p_h——气泡内部的压力；

p₀——阻碍气泡长大的外界压力。

p_h＝pH₂＋pN₂＋p_CO＋pH₂O＋pH₂S＋pSO₂＋…（5-12）

气泡内部压力是各种气体分压的总和。事实上在具体条件下只有其中某一气体起主要作用，而其他气体只起辅助作用。

阻碍气泡长大的外界压力（p₀）是由大气压（p_a）、气泡上部的金属和熔渣的压力（p_M＋p_s），以及表面张力所构成的附加压力（p_c）所组成的。即

p₀＝p_a＋p_M＋p_s＋p_c（5-13）一般情况下，P_M和P_s的数值相对很小，故可忽略不计，所以气泡长大的条件可以简化为

式中σ——金属与气体间的表面张力（J／cm²）；

r——气泡半径（cm）。

由于气泡开始形成时体积很小（即r很小），所以附加压力很大。有人做过计算，当r＝10^－4cm、σ＝10^－3J／cm²时，则p_c≈2.1MPa。在这样大的附加压力下，气泡很难长大。但在焊接熔池内有许多现成表面，促使气泡不是圆形，而是椭圆形。因此，可以有较大的曲率半径r，从而降低了附加压力p_c。这样，气泡长大的条件还是具备的。

（3）气泡的上浮 气泡核形成之后，在熔池金属中经过一个短暂的长大过程，便从液态金属中向外逸出。气泡成长到一定大小脱离现成表面的能力主要决定于液态金属、气相和现成表面之间的表面张力，即

式中θ——气泡与现成表面的浸润角；

σ₁·g——现成表面与气泡间的表面张力；

σ₁·2——现成表面与熔池金属间的表面张力；(www.xing528.com)

σ₂·g——熔池金属与气泡间的表面张力。

气泡与现成表面的浸润形态和脱离现成表面的过程如图5-40所示。

图5-40 气泡脱离现成表面示意图

a）θ＜90° b）θ＞90°

当气泡与现成表面成锐角接触时（θ＜90°），则气泡尚未成长到很大尺寸，便完全脱离现成表面（见图5-40a）。当气泡与现成表面成钝角接触时（θ＞90°），气泡长大过程中有细颈出现。当气泡长大到脱离现成表面时，仍会残留一个不大的透镜状的气泡核，可以作为新的气泡核心（见图5-40b）。

根据上面的分析，当θ＜90°时，有利于气泡的逸出；而θ＞90°时，由于形成细颈需要时间，当结晶速度较大的情况下，气泡来不及逸出而形成气孔。由此可见，凡是能减小σ₂·g和σ₁·2以及增大σ₁·g的因素都可以有利于气泡快速逸出，因为此时可以减小θ值。

图5-41 不同结晶速度对形成气孔的影响

a）结晶速度较小 b）结晶速度较大

此外，还应考虑熔池的结晶速度，当结晶速度较小时，气泡可以有充分的时间逸出，容易得到无气孔的焊缝，如图5-41a所示。当结晶速度较大时，气泡有可能来不及逸出而形成气孔，如图5-41b所示。

结晶速度越大越易引起气孔。实际上气泡逸出的速度对产生气孔也有很大的影响，如果在结晶过程中，即使是结晶速度很大，而气泡的逸出速度更大，那么焊缝中也不会产生气孔。

气泡浮出的速度可用下式进行估算：

式中υ——气泡浮出的速度（cm／s）；

ρ1——液体金属的密度（g／cm³）；

ρ2——气体的密度（g／cm³）；

g——重力加速度（980cm／s²）；

r——气泡的半径（cm）；

η——液体金属的粘度（Pa·s）。

由式（5-16）可以看出，气泡的半径越大、熔池中液体金属的密度越大、粘度越小时，则气泡的上浮速度也就越大，焊缝中就不易产生气孔。

综上所述，气孔形成的过程与结晶过程有些类似，也是由生核、核长大所组成，当气泡长大到一定的程度便开始上浮，当气泡的浮出速度小于结晶速度时，就有可能残留在焊缝中而形成气孔。

3.形成气孔的影响因素及防止措施

（1）冶金因素的影响

1）熔渣氧化性的影响。熔渣的氧化性对焊缝气孔的敏感性具有很大的影响。当熔渣的氧化性增大时，由CO引起的气孔倾向是增加的；相反，当熔渣的还原性增大时，则氢气孔的倾向增加。因此，适当调整熔渣的氧化性，可以有效地防止焊缝中这两种类型的气孔。不同类型焊条的试验结果见表5-4。由该表中数据可以看出，无论酸性焊条还是碱性焊条焊缝中，产生气孔的倾向都随熔渣氧化性的增加而出现CO气孔。并随氧化性的减小（或还原性增加），CO气孔也减少，当达到一定程度时，又出现了由氢引起的气孔。

通常采用焊缝中［C］×［O］的乘积来表示CO气孔的产生倾向。在表5-4的酸性焊条形成的焊缝中，当［C］×［O］的乘积为31.36×10^－4％时还未出现气孔，而碱性焊条焊缝中［C］×［O］的乘积只有27.30×10^－4％时就出现了更多的气孔。这是因为在不同渣系中FeO的活度不同所引起的，酸性渣中FeO的活度较小，需要更大的FeO浓度才能起到产生气孔的作用，而碱性渣中FeO的活度较大，即便浓度较小也能起到产生气孔的作用。

表5-4不同类型焊条的氧化性对气孔倾向的影响

2）焊条药皮和焊剂的影响。焊条药皮和焊剂的成分比较复杂，因此对产生气孔的影响也是复杂的。一般碱性焊条药皮中均含有一定量的萤石（CaF₂），焊接时它直接与氢发生作用进行下列反应：

CaF₂＋H₂O==CaO＋2HF

CaF₂＋H==CaF＋HF

CaF₂＋2H==Ca＋2HF

在低碳钢的自动焊焊剂中（如HJ431）也含有一定量的萤石和较多的SiO₂，它们在焊接时将发生下列反应：

2CaF₂＋3SiO₂==SiF₄＋2CaSiO₃

SiF₄＋2H₂O==4HF＋SiO₂

SiF₄＋3H==3HF＋SiF

SiF₄＋4H＋0==4HF＋SiO

上述冶金反应中都产生了大量的HF，这是一种稳定的气体化合物，即使高温也不易分解，当温度高达6000K时，HF只有30％发生分解。由于大量的氢被氟占据，因此可以有效地降低氢气孔的倾向。

试验证明，当熔渣中SiO₂和CaF₂同时存在时，对于消除氢气孔最为有效。由图5-42可以看出，SiO₂和CaF₂的含量对于消除气孔具有相互补充的作用。当SiO₂少而CaF₂较多时，可以消除气孔；相反，SiO₂多而CaF₂少时，也可以消除气孔。

图5-42 CaF₂和SiO₂的含量（质量分数）对焊缝生成气孔的影响

CaF₂对消除气孔是十分有效的。但是，焊条药皮中含有较多的CaF₂时，将会影响电弧的稳定性，也会在焊接过程中产生可溶性氟，例如KF和NaF的气氛，影响焊工的身体健康，这是采用CaF₂消除气孔的不利方面。

在焊条药皮和焊剂中，适当增加氧化性组成物的含量，如SiO₂、MnO、FeO等，对于消除氢气孔也是很有效的。因为这些氧化物在高温时能与氢化合生成稳定性仅次于HF的OH，所进行的冶金反应如下：

FeO＋H==Fe＋OH

MnO＋H==Mn＋OH

SiO₂＋H==SiO＋OH

生成的OH也不溶于液体金属，可以占据大量的氢而消除气孔，常见几种氧化物形成的OH的自由能随温度的变化如图5-43所示。

酸性焊条药皮中，如E4303（J422）、E4301（J423）、E4320（J424）等，都不含CaF₂的成分。它们控制氢的技术措施主要是依靠药皮中含有较强氧化性的组成物，以防止产生氢气孔。

碱性焊条药皮中，如E5016（J506）、E5015（J507）等，除含CaF₂外，常含有一定量的碳酸盐CaCO₃、MgCO₃等，焊接过程中加热后分解出CO₂，它是具有氧化性的气氛，在高温时可与氢形成OH和H₂O，同样具有防止氢气孔的作用。但CO₂的氧化性较强，加入量过多时，有可能产生CO气孔。

图5-43 氧化物形成OH反应自由能与温度的关系

3）铁锈及水分的影响。在焊接生产中由于焊件或焊接材料表面的铁锈、油污和水分而使焊缝出现气孔的现象十分普遍。铁锈是钢铁腐蚀以后的产物，它的成分为mFe₂O₃·nH₂O（其中Fe₂O₃≈83.28％、FeO≈5.7％、H₂O≈10.70％，质量分数）。铁锈中含有较多的Fe₂O₃（铁的高价氧化物）和结晶水，对熔池金属一方面有氧化作用，另一方面又析出大量的氢。加热时，铁锈将进行下列反应：

3Fe₂O₃==2Fe₃O₄＋O

2Fe₃O₄＋H₂O==3Fe₂O₃＋H₂

Fe＋H₂O==FeO＋H₂

由于增加氧化作用，在结晶时就会促使生成CO气孔。铁锈中的结晶水（H₂O），在高温时分解出氢气，从而增加了生成氢气孔的可能性。由此可见，铁锈是一种极其有害的杂质，对于两类气孔均有敏感性。此外，钢板表面上的氧化铁皮主要成分是Fe₃O₄及少量的Fe₂O₃，虽无结晶水，但对产生CO气孔还是有较大的影响。所以，在生产中应尽可能清除钢板上的铁锈、氧化铁皮等杂质。

至于焊条受潮或烘干不足而残存的水分，以及由于空气潮湿，同样起增加气孔倾向的作用。所以对焊条的烘干也应给予重视，一般碱性焊条的烘干温度为350～450℃，酸性焊条为200℃左右。

（2）工艺因素影响

1）焊接参数。通常希望在正常的焊接参数下施焊，电流增大能增加熔池存在时间，虽然有利于气体逸出，但会使熔滴变细，比表面积增大，熔滴吸收的气体较多，反而增加了气孔倾向。对于一般不锈钢焊条，当焊接电流增大时，焊芯的电阻热增大，会使药皮中的某些组成物（如碳酸盐）提前分解，因而也增加了气孔倾向。

焊条电弧焊时，如电弧电压过高，会使空气中的氮侵入熔池，因而出现氮气孔。焊接速度过大，往往增加了结晶速度，使气体残留在焊缝中而出现气孔。

2）电流种类和极性。电流种类和极性不同对产生气孔的影响也不一样。通常交流焊时较直流焊时气孔倾向较大，直流反接较正接时气孔倾向小。

试验表明，氢是以质子的形式向液态金属中溶解，在形成质子的同时，由原子中释放出一个电子：

H→［H^＋］＋e

当液态金属的表面上电子过剩时，可使上述反应向左进行，即阻碍氢向金属溶解。

直流反接时，因工件是负极，熔池表面上的电子过剩，不利于产生氢质子的反应，因而气孔的倾向最小。当直流正接时，在熔池表面容易发生氢质子的反应，这时一部分氢质子溶入熔池，另一部分在电场的作用下，飞向负极，所以气孔的倾向比直流反接时要大。

当用交流焊接时，在电流通过零点的瞬时，质子可以顺利溶入熔池，因而使气孔的倾向增大。

3）工艺操作方面。在生产中由于工艺操作不当而产生气孔的实例还是很多的，应引起足够的注意。主要应注意以下几方面：

①焊前仔细清除焊件、焊丝上的油污、铁锈等。

②焊条、焊剂要严格烘干，并且烘干后不得放置时间过长，最好存放在保温筒或保温箱内，随用随取。

③焊接时焊接参数要保持稳定，对于低氢型焊条应尽量采用短弧焊，并适当配合摆动，以利气体逸出。