八、如何選擇保護氣體才能防止和減少鋁合金焊縫中的氣孔？

采用熔化焊焊接方法焊接鋁合金已成為連接成型的主要方式之一。焊接中，由于鋁合金本身的物理性能，焊縫的氣孔缺陷往往是造成焊件廢品的最主要原因。氣孔的存在破壞了焊縫金屬的致密性，削弱了焊縫的有效截面積，減少了焊件的承載面積，降低了焊縫金屬的力學性能與耐腐蝕性能。因此，鋁合金的焊接一般需采用一定的保護氣體。選擇合適的保護氣體也是順利進行焊接同時避免產生焊縫氣孔的有效方法之一。

通常焊接鋁合金選用的保護氣體是純氬氣體。大量的試驗發現，盡管氬氣具有較好的電弧穩定性和有效降低焊接接頭氣孔敏感性作用，但采用純氬氣焊接鋁合金時，接頭氣孔問題往往仍然難以得到有效解決。

近年來有研究表明，焊接鋁合金時在純氬氣體中添加氦氣能夠更有效地降低焊接接頭中的氣孔敏感性。焊接過程中，由于液態鋁不溶解氮，且鋁又不含碳，所以鋁合金中不會產生氮氣孔和一氧化碳氣孔；氧和鋁有很大的親和力，氧的存在只會使鋁以固態氧化鋁的形式存在，因此也不會產生氧氣孔。但高溫時氫在液態鋁中有很高的溶解度，且隨著溫度的下降，溶解度下降，特別是在凝固點處溶解度急劇下降；固態中的溶解度很低，固態時溶于液態鋁中的氫幾乎全部析出。鋁合金凝固時的胞狀晶或樹枝晶凝固界面以及一些夾雜物又成為析出氣體的形核點，這樣導致大量的氫從液態鋁中析出并聚集長大形成氫氣泡。這些長大的氣泡在浮力的作用下自發的上浮。鋁的導熱能力強，凝固快，且鋁合金的密度小，使得氣泡在熔池中的上升速度較慢，當上浮速度小于液態鋁的凝固速度時，則保留在鋁合金中就形成了氫氣孔。

氬氣作為傳統的保護氣體，由于其能很好的實現對焊接熔池及熱影響區的保護以防止氣孔的產生，在電弧焊焊接中一直被使用著。而在氬氣中添加某些氣體，對改善鋁合金焊接接頭中的氣孔缺陷有很好的作用。例如，采用純氬氣、50％Ar+50％He混合氣體、30％Ar+70％He混合氣體等三種保護氣體對同一鋁合金母材2519進行熔化極MIG焊接，焊后用X射線檢查氫氣孔的數目。結果表明，隨著加入的氦氣量的增多，焊接接頭中氣孔數目和尺寸逐漸減小，當氦氣的量達到70％時，焊接接頭中的氣孔數目和尺寸已經顯著減小。

采用純氬氣和50％Ar+50％He混合氣體作為保護氣體對國產鋁合金板進行MIG焊接，焊后測量了焊接接頭的抗拉強度和焊縫沖擊功。結果表明，采用50％Ar+50％He的保護氣體焊接的構件，焊接接頭的抗拉強度和焊縫沖擊功兩項力學性能指標都優于采用純氬氣保護氣體焊接的構件，這也從側面反映出了氦氣能減少焊接接頭中的氣孔數目和尺寸。

采用純氬氣和50％Ar+50％He混合氣體作為保護氣體對高強度鋁合金厚板進行MIG焊接，從焊接接頭的宏觀金相觀察看出，采用純氬氣保護氣體時，焊接接頭中出現大量的氣孔，而采用50％Ar+50％He混合氣體時焊接接頭中的氣孔缺陷有明顯改觀。

采用氬氦混合氣體與純氬氣保護做對比試驗，研究其對焊縫中氣孔的影響。X射線檢測結果顯示，純氬條件下焊縫氣孔率最高；純氬條件下焊縫的氣孔率是純氦條件下焊縫氣孔率的4～7倍；當采用75％He+25％Ar混合氣時，焊縫中的氣孔率基本接近純氦條件下的焊縫中的氣孔率。采用70％He+30％Ar的He-Ar混合氣作保護氣體，同樣也可獲得較好的焊縫質量。同時，在采用混合保護氣體焊接時有較多的小氣孔，而在采用純氬氣保護焊接時，焊縫中氣孔缺陷的尺寸較大。

采用純氬氣、含67％氦氣的氬氦混合氣體和以頻率為2.2Hz進行氬氣和氦氣交替保護三種保護氣體作對比試驗發現，純氬氣保護氣體焊接接頭中的氣孔數量最多，含67％氦氣的混合保護氣體次之，以頻率為2.2Hz交替保護的氣孔數最小。

研究100％Ar+0％He、67％Ar+33％He、50％Ar+50％He、33％Ar+67％He四種不同保護氣體對5083鋁合金焊接接頭尺寸及疲勞壽命的影響發現，焊接接頭焊縫區的疲勞壽命隨著保護氣體中氬氣含量的增大逐漸降低，這從側面反映出焊縫區氣孔數量和尺寸也隨之減少，因為氣孔的存會引起結構的應力集中區，殘余應力的存在會顯著降低焊接接頭的疲勞壽命。

氦氬混合氣體焊接鋁合金與純氬氣保護氣體焊接鋁合金相比能明顯消減焊接接頭中氣孔傾向，這與氦氣本身的物理性能有很大的關系。氦氣與氬氣的物理性能見表1-2。

在鋁合金焊接中，氬氦混合保護氣體焊接的焊接接頭優于純氬氣保護氣體焊接的焊接接頭，這主要是氦氣起作用。由表1-2可明顯看出，氦氣的電離能高于氬氣的電離能，氦氣的電離電勢和導熱率也高于氬氣。這樣在相同的焊接電流和電弧長度情況下，混合氣體的電弧電壓高于純氬氣的電弧電壓，混合氣體的電弧具有更大的功率，會傳遞給焊件更多的能量，從而在一定程度上降低了焊縫的冷卻速度，使得液態鋁中有更多的時間進行氣泡的長大和氣體的析出。同時氦氣更高的電離能也使得氬氦混合保護氣體焊接時產生了不同于氬弧焊焊接接頭的焊接性能和焊縫形狀。由于純氬保護氣體的電弧能量要低于混合保護氣體的，再加上鋁合金本身較高的熱傳導系數，所以熱量在熔池內的熱傳導在寬度方向上大于在深度方向上，這樣氬弧焊焊接后接頭形狀為典型的“指狀”（如圖1-1（a）所示），而混合氣體電弧能量高于氬弧能量，并且氦的熱傳導性比氬的高，能產生能量更均勻分布的電弧等離子體，這樣就改善了“指狀”的熔池特征，使得熔池在根部的寬度更大，使得焊縫截面向“蘑菇狀”方向改變（如圖1-1（b）所示）。

氬氦混合保護氣體焊接熔池的形狀更加有利于氫氣泡的逸出，這主要是由于氣泡在液態鋁中是依靠自身的浮力逸出液體的。當浮力較大，上浮速度大于結晶速度時便不能形成氣孔；而氣孔在液態鋁中的上浮速度與浮力有關，浮力越大上浮速度越快；氣泡的半徑越大則浮力就越大，所以半徑比較大的氣孔可以較早的逸出熔池。當氦氣濃度較高時，高的電離能使得焊件得到更多的能量，減慢了冷卻速度，使得氣體逸出的時間加長，這樣就使得半徑較小且在氬弧焊焊接時不能逸出焊縫的氣泡在氬氦混合保護氣體焊接時可以逸出。從另一個角度講，也就是使得焊縫中可以殘留的氣孔半徑尺寸更小了，氣孔也就更少了。所以，氬氦混合保護氣體電弧焊接鋁合金時，可以明顯減小氣孔數量和尺寸；另一方面，由于氬氦混合氣體有更高的電弧能，這樣就增加了金屬和焊縫表面的溫度，從而減少焊縫表面張力，進一步增加了氫氣泡的析出量。

氬氦混合保護氣體電弧焊接鋁合金雖然能一定程度上減少焊接接頭的氣孔，但一般情況下我們不能用純氦氣保護氣體電弧焊接鋁合金（除特殊情況下用負極性的鎢極對鋁進行TIG直流電焊外）。一方面由于氦氣的導電率較低，會給焊接過程和焊接接頭帶來一些不好的影響，例如焊接電弧不穩定；采用交流電源時氣體保護焊接引弧困難；采用MIG焊接時熔滴過渡變得粗大且無規則等。另一方面氦氣比氬氣昂貴而且較輕，氬氣的原子質量是氦氣的10倍，焊接時若要獲得相同的保護效果，氦氣流量必須是氬氣的2～3倍，這樣就增加了焊接成本。所以用混合的保護氣體代替純氬氣或純氦氣，既節約成本、改善焊接工藝，又一定程度上改善了接頭的氣孔缺陷。既起到有效降低鋁合金焊接接頭中氣孔數量和尺寸大小的作用，同時又增強了焊接接頭的力學性能。