不锈钢焊接管的工艺过程对气孔的影响

气孔是焊接过程中经常遇到的一种焊接缺陷，如果工艺过程控制不当，在奥氏体不锈钢焊接管的焊缝中，可能出现气孔，焊缝中的气孔不仅会削弱焊缝的有效截面积，同时也会带来应力集中，从而降低焊缝金属的强度和韧性，严重时，气孔还可能会引起裂纹。

奥氏体不锈钢焊接管焊缝中的气孔一般有两种，一种是氢气孔；另一种气孔是由小孔效应引起。氢气孔大部分出现在焊缝表面，有的氢气孔会出现在焊缝内部，一般在焊缝的中上部，这是由于析出的H2来不及逸出而遗留在焊缝内部；小孔型气孔是由于深熔焊时，匙孔中金属蒸汽剧烈蒸发，小孔内部处于不稳定状态，小孔前部的高温液态金属快速下降，到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流。这个过程很容易切断小孔，把金属蒸汽封闭在小孔内，而脉冲激光焊冷却速度很快，液态金属来不及回填便在焊缝底部形成了气孔，小孔型气孔一般是不规则的。

实际焊接应用表明，脉冲激光焊在焊接过程中，因参数选择不适宜易产生气孔，使焊接接头有效截面积减少，接头强度降低。为了防止激光焊薄板不锈钢焊接管气孔的产生，本文详细研究了气孔产生的原因，并通过调整合适的工艺，有效的避免了气孔的产生。

在试验中，采用氩气为保护气体，固定离焦量为-1mm，根据四因素三水平的正交试验原理，对焊缝质量的影响因素：电流，脉冲频率，脉冲宽度，焊接速度进行搭配，见表3.8；生成如表3.9中的9组参数组合，通过统计分析，确定对焊缝质量影响最大的因素；采用LWD200-4T型光学显微镜和Quanta 200型扫描电镜观察焊缝形貌。

根据表3.9中工艺参数进行脉冲激光焊实验，依据ISO-5817焊缝外观评定标准，评定9组焊接参数下的焊缝形貌，其结果如表3.9所示。图3.15为1组和9组工艺参数下焊缝表面形貌。由图可以看出，图3.15-a中1组工艺试验时焊点重叠率低，焊缝边缘不整齐，飞溅严重，焊点中心有明显的孔洞，其焊缝表面成形性最差，用数值0进行表征；而图3.15-b中9组工艺试验时焊点重叠率较高，焊缝宽度连续一致，无飞溅，焊缝表面整齐美观，其焊缝表面成形性最好，用数值100进行表征，其它组工艺试验的焊缝表面形貌表征数值则介于0到100之间。

表3.9中S1、S2、S3分别代表四因素在第1、2、3水平下焊缝表面形貌表征数值平均值Rs=max｛S1j,S2j,S3j｝-min｛S1j,S2j,S3j｝。极差R的大小反映了焊接中各因素对焊缝质量影响的大小，极差越大，说明该因素数值的变化对实验结果影响越大，是焊接过程中应该控制的重要因素。比较RS可以看出，脉冲频率是对脉冲激光焊焊缝质量影响最大的工艺参数，其余依次是电流，脉宽和焊接速度。

当脉冲频率为15Hz和30Hz时，焊缝中有时会出现工艺气孔，工艺气孔有圆锥形、不规则形和球形三种。下面分别分析这三种形貌的工艺气孔。

图3.16是4试验组中发现的气孔的形貌图，脉冲频率为15Hz，电流为160A，脉宽为2.5ms，焊接速度为600mm/min，离焦量为-1mm时，焊缝中所发现的气孔的形貌图，观察图3.16-a可以看出，试验组表面看不见孔洞，但沿焊缝表面打磨后出现圆形孔洞，直径0.22-0.41mm，沿焊缝方向与焊点同心分布，如图3.16-b所示。图3.16-c是气孔横截面外观形貌图，从图中可以看出孔洞为圆锥形。这是因为试验组电流较大，焊接峰值功率高，高能激光束打在金属不锈钢焊接管表面，极大的瞬时热输入使熔池内部金属迅速受热气化向外逸散，造成熔池沸腾，飞溅严重，焊缝金属损失形成孔洞，孔洞内壁上沿有较大瘤状金属附着物，这是飞溅的液态金属冷却后造成的。

维持脉冲频率不变，调节其他焊接参数，图3.17是1、4、7试验组焊缝中气孔横截面外观形貌图。1试验组脉冲宽度为2.0ms，焊接速度800 mm·min-1，电流180A，从图3.17-a可以看出，其焊点分离，没有重熔金属覆盖金属蒸汽逸散造成的小孔，形成了开放型孔洞。随着脉冲宽度增加至2.5ms，电流减少至160A，焊接速度减少至600 mm·min-1，热输入更加均匀，熔池稳定，飞溅减少，前一焊点重熔金属可以回填后续焊点产生的孔洞，但SUS304不锈钢焊接管合金元素含量高，液态流动性差，填充不足从而形成的闭合气孔，如图3.17-b中4试验组所示。7试验组脉冲宽度加大至3.0ms，进一步降低电流和焊接速度，在焊接过程获得足够量重熔金属和较长回填时间，有效消除了圆锥形气孔。经测试，在焊接频率为15Hz条件下，1、4、7试验组焊缝的焊点重叠率依次为38%、35%、42%，均不能形成合格焊缝，须进一步增大脉冲频率。增大脉冲频率到30Hz时，基本上完全消除了大的圆锥形工艺气孔，但在焊缝底部出现了如图3.18所示的不规则的工艺性气孔。实际试验所得气孔表面形貌如图3.10所示。从图3.18-a、3.18-b、3.18-c可以看出，2和5试验组在焊缝底部均有不规则的气孔，匙孔型气孔一般都是位于熔池底部的不规则的气孔，也有一部分规则的气孔。这是由于深熔焊时，匙孔中金属蒸汽剧烈蒸发，小孔内部处于不稳定状态，小孔前部的高温液态金属快速下降，到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流。这个过程很容易切断小孔，把金属蒸汽封闭在小孔内，而脉冲激光焊冷却速度很快，液态金属来不及回填便在焊缝底部形成了气孔，2、5两试验组电流较大，瞬时热输入高，熔池内液态金属运动剧烈，冲击力较大，容易形成此种工艺性气孔。8试验组降低了电流，减小脉宽并增大焊接速度，适当降低了热输入，缓解了液态金属紊流，有效降低焊缝中工艺气孔产生的概率。

当脉冲频率为30Hz时，实验中焊缝中还出现了球形气孔，如图3.19所示。从3.19-a中可以看出气孔位于焊缝中部的分层处。从3.19-b中可以看出气孔呈球形，还保留了一点漩涡状。这是由于高功率密度的激光打到材料表面，使材料迅速汽化，形成小孔，小孔中金属蒸汽剧烈蒸发，小孔内部处于不稳定状态，小孔前部的高温液态金属快速下降，到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流，这个过程很容易切断小孔，把金属蒸汽封闭在小孔内，在一段时间内，金属蒸汽没凝固，而是以气体的形式漩涡状的形貌存在于液态熔池内部，并会在液态金属中上浮，在上浮过程中，在液态金属表面张力的作用下，会由漩涡状慢慢转变为球形。又由于冷却速度很快，在上浮过程中凝固了，气孔会呈旋涡状的球形，并出现在熔池中部。

激光焊薄板不锈钢焊接管时，焊缝金属中的气孔究竟是如何形成的呢？这是由于：尽管钢板的厚度为1mm，但用脉冲激光焊时，还是属于深熔焊。深熔焊时，熔池中存在等离子体，产生匙孔中，有大量金属蒸气剧烈蒸发，匙孔内部处于不稳定状态。由于熔池温度的不均匀性，在熔池中存在旋转的涡流，且能量较大，有强烈的搅拌力作用，液态金属在匙孔前壁快速下降，当到达匙孔底部时，形成涡流。

在焊接过程中，匙孔随连续熔池移动，并有金属对匙孔进行回填，就能避免气孔的产生。若焊接过程中，为非连续移动熔池，如图3.17中的图a，液态金属就会把金属蒸汽封闭在小孔内，激光焊时冷却速度很快，液态金属来不及回填便在焊缝内部形成了孔洞。

即使为连续移动熔池，若焊接工艺参数不适宜，后熔化的液态金属对前面形成的小孔补填不充分，也会形成孔洞，如图3.18中的图a和图b。焊缝金属中孔洞的存在，不仅减少焊缝的承载面积，而且会造成应力集中，降低焊接接头的强度。

进一步增大脉冲频率到45Hz，3、6、9试验组焊缝的焊点重叠率进一步提高，分别达到65%，68%、70%。焊接时相邻焊点的重叠率越高，后一焊点对前一焊点的重熔作用就越明显，越容易消除前一焊点内部可能产生的工艺性气孔，如图3.20所示，3、6、9试验组焊缝截面金相图均没有发现气孔。

通过正交实验设计结果分析，脉冲激光焊焊接奥氏体不锈钢焊接管时，不当的焊接工艺是产生工艺性气孔的主要原因，对不锈钢焊接管薄板焊缝质量影响最大的工艺参数是脉冲频率，其余依次是电流，脉宽和焊接速度。当脉冲频率为15Hz和30Hz时，焊缝工艺气孔不能完全消失，气孔的形状为圆锥形、不规则形和球形。不论脉宽频率与其他参数以何种方式组合，均不能形成合格的焊缝。而当脉冲频率为45Hz时，电流，焊接速度和脉冲宽度不论选取何值，焊缝中均无工艺气孔。