八、如何选择保护气体才能防止和减少铝合金焊缝中的气孔？

采用熔化焊焊接方法焊接铝合金已成为连接成型的主要方式之一。焊接中，由于铝合金本身的物理性能，焊缝的气孔缺陷往往是造成焊件废品的最主要原因。气孔的存在破坏了焊缝金属的致密性，削弱了焊缝的有效截面积，减少了焊件的承载面积，降低了焊缝金属的力学性能与耐腐蚀性能。因此，铝合金的焊接一般需采用一定的保护气体。选择合适的保护气体也是顺利进行焊接同时避免产生焊缝气孔的有效方法之一。

通常焊接铝合金选用的保护气体是纯氩气体。大量的试验发现，尽管氩气具有较好的电弧稳定性和有效降低焊接接头气孔敏感性作用，但采用纯氩气焊接铝合金时，接头气孔问题往往仍然难以得到有效解决。

近年来有研究表明，焊接铝合金时在纯氩气体中添加氦气能够更有效地降低焊接接头中的气孔敏感性。焊接过程中，由于液态铝不溶解氮，且铝又不含碳，所以铝合金中不会产生氮气孔和一氧化碳气孔；氧和铝有很大的亲和力，氧的存在只会使铝以固态氧化铝的形式存在，因此也不会产生氧气孔。但高温时氢在液态铝中有很高的溶解度，且随着温度的下降，溶解度下降，特别是在凝固点处溶解度急剧下降；固态中的溶解度很低，固态时溶于液态铝中的氢几乎全部析出。铝合金凝固时的胞状晶或树枝晶凝固界面以及一些夹杂物又成为析出气体的形核点，这样导致大量的氢从液态铝中析出并聚集长大形成氢气泡。这些长大的气泡在浮力的作用下自发的上浮。铝的导热能力强，凝固快，且铝合金的密度小，使得气泡在熔池中的上升速度较慢，当上浮速度小于液态铝的凝固速度时，则保留在铝合金中就形成了氢气孔。

氩气作为传统的保护气体，由于其能很好的实现对焊接熔池及热影响区的保护以防止气孔的产生，在电弧焊焊接中一直被使用着。而在氩气中添加某些气体，对改善铝合金焊接接头中的气孔缺陷有很好的作用。例如，采用纯氩气、50％Ar+50％He混合气体、30％Ar+70％He混合气体等三种保护气体对同一铝合金母材2519进行熔化极MIG焊接，焊后用X射线检查氢气孔的数目。结果表明，随着加入的氦气量的增多，焊接接头中气孔数目和尺寸逐渐减小，当氦气的量达到70％时，焊接接头中的气孔数目和尺寸已经显著减小。

采用纯氩气和50％Ar+50％He混合气体作为保护气体对国产铝合金板进行MIG焊接，焊后测量了焊接接头的抗拉强度和焊缝冲击功。结果表明，采用50％Ar+50％He的保护气体焊接的构件，焊接接头的抗拉强度和焊缝冲击功两项力学性能指标都优于采用纯氩气保护气体焊接的构件，这也从侧面反映出了氦气能减少焊接接头中的气孔数目和尺寸。

采用纯氩气和50％Ar+50％He混合气体作为保护气体对高强度铝合金厚板进行MIG焊接，从焊接接头的宏观金相观察看出，采用纯氩气保护气体时，焊接接头中出现大量的气孔，而采用50％Ar+50％He混合气体时焊接接头中的气孔缺陷有明显改观。

采用氩氦混合气体与纯氩气保护做对比试验，研究其对焊缝中气孔的影响。X射线检测结果显示，纯氩条件下焊缝气孔率最高；纯氩条件下焊缝的气孔率是纯氦条件下焊缝气孔率的4～7倍；当采用75％He+25％Ar混合气时，焊缝中的气孔率基本接近纯氦条件下的焊缝中的气孔率。采用70％He+30％Ar的He-Ar混合气作保护气体，同样也可获得较好的焊缝质量。同时，在采用混合保护气体焊接时有较多的小气孔，而在采用纯氩气保护焊接时，焊缝中气孔缺陷的尺寸较大。

采用纯氩气、含67％氦气的氩氦混合气体和以频率为2.2Hz进行氩气和氦气交替保护三种保护气体作对比试验发现，纯氩气保护气体焊接接头中的气孔数量最多，含67％氦气的混合保护气体次之，以频率为2.2Hz交替保护的气孔数最小。

研究100％Ar+0％He、67％Ar+33％He、50％Ar+50％He、33％Ar+67％He四种不同保护气体对5083铝合金焊接接头尺寸及疲劳寿命的影响发现，焊接接头焊缝区的疲劳寿命随着保护气体中氩气含量的增大逐渐降低，这从侧面反映出焊缝区气孔数量和尺寸也随之减少，因为气孔的存会引起结构的应力集中区，残余应力的存在会显著降低焊接接头的疲劳寿命。

氦氩混合气体焊接铝合金与纯氩气保护气体焊接铝合金相比能明显消减焊接接头中气孔倾向，这与氦气本身的物理性能有很大的关系。氦气与氩气的物理性能见表1-2。

表1-2　氦气与氩气的物理性能

在铝合金焊接中，氩氦混合保护气体焊接的焊接接头优于纯氩气保护气体焊接的焊接接头，这主要是氦气起作用。由表1-2可明显看出，氦气的电离能高于氩气的电离能，氦气的电离电势和导热率也高于氩气。这样在相同的焊接电流和电弧长度情况下，混合气体的电弧电压高于纯氩气的电弧电压，混合气体的电弧具有更大的功率，会传递给焊件更多的能量，从而在一定程度上降低了焊缝的冷却速度，使得液态铝中有更多的时间进行气泡的长大和气体的析出。同时氦气更高的电离能也使得氩氦混合保护气体焊接时产生了不同于氩弧焊焊接接头的焊接性能和焊缝形状。由于纯氩保护气体的电弧能量要低于混合保护气体的，再加上铝合金本身较高的热传导系数，所以热量在熔池内的热传导在宽度方向上大于在深度方向上，这样氩弧焊焊接后接头形状为典型的“指状”（如图1-1（a）所示），而混合气体电弧能量高于氩弧能量，并且氦的热传导性比氩的高，能产生能量更均匀分布的电弧等离子体，这样就改善了“指状”的熔池特征，使得熔池在根部的宽度更大，使得焊缝截面向“蘑菇状”方向改变（如图1-1（b）所示）。

图1-1　氩气保护和氩氦混合保护气体焊接熔池形状

氩氦混合保护气体焊接熔池的形状更加有利于氢气泡的逸出，这主要是由于气泡在液态铝中是依靠自身的浮力逸出液体的。当浮力较大，上浮速度大于结晶速度时便不能形成气孔；而气孔在液态铝中的上浮速度与浮力有关，浮力越大上浮速度越快；气泡的半径越大则浮力就越大，所以半径比较大的气孔可以较早的逸出熔池。当氦气浓度较高时，高的电离能使得焊件得到更多的能量，减慢了冷却速度，使得气体逸出的时间加长，这样就使得半径较小且在氩弧焊焊接时不能逸出焊缝的气泡在氩氦混合保护气体焊接时可以逸出。从另一个角度讲，也就是使得焊缝中可以残留的气孔半径尺寸更小了，气孔也就更少了。所以，氩氦混合保护气体电弧焊接铝合金时，可以明显减小气孔数量和尺寸；另一方面，由于氩氦混合气体有更高的电弧能，这样就增加了金属和焊缝表面的温度，从而减少焊缝表面张力，进一步增加了氢气泡的析出量。

氩氦混合保护气体电弧焊接铝合金虽然能一定程度上减少焊接接头的气孔，但一般情况下我们不能用纯氦气保护气体电弧焊接铝合金（除特殊情况下用负极性的钨极对铝进行TIG直流电焊外）。一方面由于氦气的导电率较低，会给焊接过程和焊接接头带来一些不好的影响，例如焊接电弧不稳定；采用交流电源时气体保护焊接引弧困难；采用MIG焊接时熔滴过渡变得粗大且无规则等。另一方面氦气比氩气昂贵而且较轻，氩气的原子质量是氦气的10倍，焊接时若要获得相同的保护效果，氦气流量必须是氩气的2～3倍，这样就增加了焊接成本。所以用混合的保护气体代替纯氩气或纯氦气，既节约成本、改善焊接工艺，又一定程度上改善了接头的气孔缺陷。既起到有效降低铝合金焊接接头中气孔数量和尺寸大小的作用，同时又增强了焊接接头的力学性能。