★ 徐新陽（北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094）

關鍵詞：鍍鋅板材；焊接氣孔；全面質量管理；防治措施

1   引言

焊接技術廣泛應用于核電廠設備制造過程中，焊接質量直接關系到設備的安全性能和使用性能。鍍鋅板材在焊接過程中，由于鋅的沸點遠低于鋼的熔點，容易導致焊接接頭出現氣孔等缺陷，嚴重影響焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性。目前，國內外對于鍍鋅板材焊接氣孔問題的研究主要集中在汽車制造、建筑等領域，遵循ISO 9001體系。該體系是通用的，適用于任何行業，關注整體業務流程的效率和有效性，包括客戶服務、內部流程和持續改進機制。核電行業還需遵守HAF003 《核電廠質量保證安全規定》法規要求，特別關注核安全和可靠性，適用于核電廠的設計、建造、運行和退役等各個階段。因此，深入研究核電DCS系統機柜盤臺用鍍鋅板材焊接氣孔的形成原因及防治措施，具有重要的現實意義和工程價值。本文從全面質量管理的角度出發，從人、機、料、法、環、測六個方面全面分析了焊接氣孔的形成原因，并提出了相應的防治措施，顯著降低了產品焊接氣孔產生率。

2   氣孔產生原因分析

在焊接過程中，氣體主要來源于以下幾個方面：一是母材和焊接材料表面的油污、鐵銹、水分等雜質在高溫下分解產生的氣體；二是焊接材料中的水分、有機物等在高溫下分解產生的氣體；三是冶金反應產生的氣體，如一氧化碳、氫氣等。這些氣體在焊接過程中如果不能及時逸出，就會在焊縫中形成氣孔。

氣孔的形成主要分為以下幾個階段：首先，在焊接高溫作用下，氣體在熔池中溶解，隨著熔池溫度的降低，氣體的溶解度減小，當達到過飽和狀態時，氣體就會在熔池中形成氣泡。如果氣泡內部的壓力大于外部阻礙其長大的壓力，氣泡會繼續長大并試圖上浮。在熔池結晶過程中，氣泡會受到結晶前沿的阻礙和粘度的阻力，如果氣泡不能及時逸出，就會被圍困在樹枝晶粒間，形成氣孔，如圖1所示。

圖1 焊接氣孔產生過程

從全面質量管理理論來看，影響產品質量的主要因素為人、機、料、法、環、測6個方面。下面將從這六個方面對核電儀控結構產品鍍鋅板材焊接氣孔的產生原因進行分析并給出改善措施。

2.1   人員因素

在影響焊接質量的六大因素中，人的因素是處于中心位置和主導因素的。

2.1.1   焊接人員因素

焊接操作人員的技能水平和工作態度對焊接質量有著重要影響。熟練的焊接操作人員能夠更好地控制焊接過程中的各種參數，從而降低氣孔的發生率。在焊接電流和電壓的控制方面，熟練工能夠根據不同的焊接材料和焊接環境，準確地調整電流和電壓，確保焊接過程的穩定性。而新手由于經驗不足，可能會出現電流過大或過小、電壓不穩定等情況，這些都可能導致氣孔的產生。據統計，在相同的焊接條件下，熟練工焊接產生氣孔的概率約為5%，而新手焊接產生氣孔的概率可能高達20%。此外，熟練工在焊接速度的控制上也更加精準。他們能夠根據焊接材料的厚度和焊接工藝的要求，合理地調整焊接速度，確保熔池中的氣體有足夠的時間逸出，從而減少氣孔的形成。而新手可能會因為緊張或不熟悉焊接工藝，導致焊接速度過快或過慢，增加氣孔產生的可能性。

2.1.2   焊接檢驗人員因素

焊接檢驗人員在執行與監督焊接工藝、評估與判定焊接質量過程中對焊接質量有著關鍵作用。檢驗人員負責確保焊工遵循已制定的焊接工藝規程。他們通過現場檢查，驗證焊工是否按照工藝要求進行操作，如焊接電流、電壓、速度等參數是否控制在規定范圍內。檢驗人員還監督焊工對焊接材料的正確使用，包括焊條、焊絲、保護氣體等，確保它們符合工藝要求，從而避免由于材料使用不當導致的焊接缺陷。檢驗人員在焊接完成后，對焊縫進行質量評估。他們使用各種檢測工具和方法，如目視檢查、無損檢測等，來識別并評估焊縫中的潛在缺陷。根據評估結果，檢驗人員判定焊接質量是否符合設計要求和行業標準。他們的判定直接影響產品的合格與否，因此對于保證焊接質量具有關鍵作用。

2.2   設備因素

焊接設備的性能對鍍鋅板材焊接氣孔的產生有著重要影響。穩定且高精度的焊接設備能夠有效減少氣孔的出現，提高焊接質量。

2.2.1   設備性能因素

當焊接設備不穩定時，電流和電壓可能會出現波動，這會影響熔池的形成和凝固過程，增加氣孔產生的風險。如果電流突然增大，可能會導致熔池過熱，使金屬產生氧化，形成氣孔；如果電壓不穩定，可能會導致電弧長度變化，影響電弧的穩定性，從而增加氣孔產生的幾率。性能穩定的設備，能夠在焊接過程中提供穩定的電流和電壓輸出，從而減少因電流、電壓波動而導致的氣孔產生。如氬弧焊機可以提供較高的焊接質量和穩定性，適用于對焊接質量要求較高的場合。

2.2.2   設備精度因素

高精度的焊接設備能夠準確控制焊接參數，如焊接電流、電壓、速度等，從而提高焊接質量，減少氣孔的產生。焊接速度過快會導致熔池冷卻過快，氣體無法充分排出，從而在焊縫中形成氣孔；焊接速度過慢則可能導致熔池過熱，使金屬產生氧化，形成氣孔。高精度的焊接設備能夠準確控制焊接速度，確保熔池有足夠的時間讓氣體逸出，同時又不會過熱，從而減少氣孔的產生。如脈沖MAG焊機能通過調整送絲速度、弧長、焊接速度等參數來控制整個焊接過程，從而降低鋅層的揮發和氧化，減少焊縫的氣孔。這種焊機在鍍鋅板焊接中表現出色，能成功實現薄板或低熱輸入的焊接需求，并且焊縫強度普遍高于母材。

2.2.3   設備校驗與維護

設備的校驗與制定合理的設備維護計劃是保障焊接質量的基礎。設備應按周期進行校驗，確保設備能夠正常且準確地工作，精度與穩定性滿足產品生產標準的要求。設備的維護是指根據設備特性，按照設定的時間間隔對設備進行檢修、清潔等，防治設備老化。設備老化、參數不準確或故障等問題可能導致焊接過程不穩定，將增加氣孔產生的可能性。

2.3   材料因素

焊接材料主要分為母材、焊材、保護氣體等。焊接材料對焊接氣孔的產生有著重要的影響。

2.3.1   母材成分因素

對于鍍鋅板焊接來說，當焊接電弧產生的高溫作用于鍍鋅板材時，鋅的沸點（907℃)遠低于鋼的熔點（約1500℃),而通常GMAW焊的電弧溫度可達3000℃以上。這使得鍍鋅層中的鋅迅速汽化，產生大量鋅蒸氣。這些鋅蒸氣在熔池中形成氣泡，如果氣泡不能及時逸出熔池，就會在焊縫中形成氣孔。焊接前若鋅層不能徹底去除，鋅、氧化鋅水合物、鉻酸鹽鈍化物等雜質在焊接過程中將產生煙氣，影響焊接過程穩定，熔池冷卻前氣體無法完全逸出從而形成氣孔。

2.3.2   母材厚度因素

板材厚度對焊接質量有著顯著影響。較薄的板材在焊接時熱量傳遞較快，熔池冷卻速度也較快，氣體能夠在較短的時間內逸出，從而減少了氣孔的形成。而對于較厚的鍍鋅板材，由于其熱容量較大，焊接過程中熱量傳遞相對較慢，熔池冷卻速度也較慢，氣體難以充分逸出，容易在焊縫中形成氣孔。

2.3.3   焊材因素

焊絲成分是影響氣孔發生率的重要因素之一。焊絲中的碳、硅、錳等元素對氣孔的形成有著不同的影響。焊絲中碳含量較高時，在焊接過程中會因劇烈的氧化還原作用而產生較大的飛濺，并產生氣孔。硅和錳元素是焊絲中的重要脫氧元素。當焊絲中含有足夠的硅和錳元素時， 可以有效抑制CO對Fe的氧化作用， 防止CO氣孔的產生。焊絲中的硫元素含量也會影響氣孔的形成。焊絲含硫量較高時可能會與鍍鋅層中的鋅發生反應，生成硫化鋅等化合物，這些化合物在焊接高溫下可能會分解產生氣體，形成氣孔。

2.3.4   保護氣體因素

保護氣體在鍍鋅板材焊接過程中起著重要的作用。保護氣體的成分和流量對減少氣孔具有重要意義。常見的保護氣體有氬氣、二氧化碳、氬氣與二氧化碳的混合氣等。保護氣體的選用不適當，也會增加焊接氣孔發生率。保護氣體流量過大，容易產生紊流，惡化氣體保護效果；流量過小，保護氣體未能充分保護熔池，使焊縫中產生氣孔的傾向加大。

2.4   工藝及規程因素

工藝及規程是指導焊接生產的重要依據，它詳細規定了焊接的各個環節和參數要求。文件的缺失或規定不完善將直接影響到焊接質量。

2.4.1   焊接參數因素

焊接電流和電壓對氣孔的形成有著顯著影響。當焊接電流過大時，會導致熔池過熱，鋅的蒸發速度加快，氣體來不及逸出，從而增加氣孔產生的可能性。在實際焊接中，當焊接電流超過一定數值時，氣孔發生率可能會從5%上升到15%。相反，焊接電流過小則會使焊接強度不足，也容易產生氣孔。而焊接電壓的高低也會影響氣孔的形成。如果焊接電壓過高，會使電弧過長，電弧穩定性降低，容易導致氣孔的產生。

焊接速度對氣孔的產生也有著重要影響。當焊接速度過快時，熔池冷卻速度加快，氣體來不及逸出，容易形成氣孔。在焊接速度為2m/min時，氣孔發生率可能會比焊接速度為1m/min時增加一倍。然而，焊接速度過慢也會帶來一些問題，如焊接效率低下、熱輸入量過大等，同樣可能導致氣孔的產生。

2.4.2   焊材匹配因素

焊接材料與鍍鋅板材的匹配性對氣孔的產生有著顯著影響。當焊接材料與鍍鋅板材不匹配時，可能會導致化學反應異常，從而增加氣孔的形成幾率。

2.4.3   操作規程因素

操作規程是焊接操作人員在實際操作過程中必須遵守的規范。它詳細規定了焊接前的準備工作、焊接過程中的操作步驟、焊接后的處理方法等。操作規程若不明確或不詳盡則會導致焊接過程無法按照預期得到控制，從而產生氣孔缺陷。

2.4.4   檢驗文件因素

檢驗文件是對焊接質量進行檢驗和控制的重要依據。檢驗文件應明確采用的檢驗方法，如目視檢測、滲透探傷等，以及檢驗標準，如氣孔的尺寸、數量等。同時，檢驗文件還應規定檢驗頻率。檢驗文件不明確或不詳盡會導致焊接中的氣孔等缺陷無法及時檢出。

2.5   環境因素

焊接環境的溫度、濕度以及清潔程度對鍍鋅板材的焊接過程以及氣孔的產生有著顯著的影響。

2.5.1   溫度因素

溫度對焊接質量有著重要的影響。在較低溫度下進行焊接時，熔池的冷卻速度會加快，氣體可能來不及逸出，從而增加氣孔產生的風險。相反，在較高溫度環境下焊接，雖然熔池的流動性可能會增強，但也可能導致焊接材料的性能發生變化，從而影響焊接質量。

2.5.2   濕度因素

濕度對焊接質量的負面影響不可忽視。在高濕度環境下，空氣中的水分含量較高，焊接材料和鍍鋅板材表面容易吸附水分。在焊接過程中，這些水分會在高溫下分解產生氫氣，增加氣孔形成的風險。例如，當環境濕度達到70%以上時，焊接鍍鋅板材可能會出現大量氣孔。這是因為水分分解產生的氫氣在熔池中難以逸出，從而形成氣孔。此外，高濕度環境還可能導致焊接設備的電氣性能下降，影響焊接參數的穩定性。

2.5.3   清潔度因素

灰塵等雜質會對焊接質量產生多方面的危害。首先，灰塵可能會在焊接過程中混入熔池，影響焊縫的純凈度，增加氣孔產生的風險。當空氣中的灰塵顆粒進入熔池后，可能會在凝固過程中形成夾雜物，這些夾雜物會阻礙氣體的逸出，從而導致氣孔的形成。其次，灰塵等雜質可能會附著在焊接材料和鍍鋅板材表面，影響焊接材料的性能和鍍鋅層的質量。灰塵中的氧化物可能會與焊接材料發生化學反應，改變焊接材料的化學成分，從而影響焊接質量。此外，灰塵等雜質還可能會影響焊接設備的性能。灰塵進入焊接設備內部可能會導致設備故障，影響焊接參數的穩定性，進而增加氣孔產生的幾率。

2.6   檢測相關分析

目前DCS系統盤柜類結構件產品由于其結構復雜性與檢測空間的限制，焊接質量檢測手段多為目視檢查與滲透探傷檢查。

2.6.1    目視檢查

目視檢查是最常見的一種方法，檢測人員通過目視檢查焊接接頭的外觀，觀察是否有焊縫尺寸、形狀、焊渣、氣孔等缺陷。其優點是操作簡單、成本低。但缺點也很明顯，受到人眼視覺限制，其難以檢測到深層缺陷，對于一些內部氣孔可能無法及時發現。

2.6.2   滲透檢測

滲透檢測也是一種常用的無損檢測方法。滲透檢測技術是一種以毛細管作用原理為基礎的無損檢測技術，主要用于檢測零部件的表面開口缺陷。檢測時，將溶有熒光染料或著色染料的滲透液施加到零部件表面，由于毛細作用，滲透液滲入到細小的表面開口缺陷中，清除附著在工件表面的多余滲透液，經干燥后再施加顯像劑，缺陷中的滲透液在毛細現象的作用下被重新吸附到零件表面上，就形成放大了的缺陷顯示，即可檢測出缺陷的形貌和分布狀態。滲透檢測具有較高的檢測靈敏度，超高靈敏度的滲透檢測材料可清晰地顯示寬0.5μm、深10μm、長1mm左右的細微裂紋。而且，滲透檢測的顯示直觀，容易判斷，操作也非常快速、簡便， 一次操作即可檢出一個平面上各個方向的缺陷。但滲透檢測只能檢出零部件的表面開口缺陷，被污染物堵塞或經機械處理（如噴丸、拋光和研磨等）后開口被封閉的缺陷則不能被有效檢出。另外，滲透檢測只能檢出缺陷的表面分布，難以確定缺陷的實際深度，因而很難對缺陷做出定量評價。

3   改善方案

3.1   人員控制

焊接操作人員和焊接檢驗人員的技能水平和工作態度對焊接質量有著重要影響。經驗豐富、技術熟練的焊工能夠更好地控制焊接參數，減少氣孔的產生，而經驗豐富的焊接檢驗人員則能夠有準確的判斷力及時檢出焊接氣孔。因此，人員培訓對提高焊接質量至關重要。

通過對焊接人員進行鍍鋅板焊接特性、焊接氣孔產生機理及危害、焊接理論知識、焊接設備的操作方法、焊接工藝參數的選擇等方面系統的培訓，操作人員可以掌握正確的焊接工藝和操作方法，提高自己的技能水平，從而減少氣孔的產生。此外，培訓還可以提高操作人員的質量意識，讓操作人員認識到焊接質量的重要性，增強他們的責任心，從而在焊接過程中更加嚴格地按照操作規程進行操作，確保焊接質量。據調查，經過系統培訓的操作人員，其焊接氣孔的發生率可以降低30%以上。通過對焊接檢驗人員進行目視、PT檢驗規程，以及PT檢測中焊接缺陷的表達方式的培訓，可以提高他們的專業技能和判斷力。

3.2   設備控制

定期對焊接設備進行維護保養是確保焊接質量、減少氣孔產生的重要舉措。通過定期維護，可以及時發現設備潛在的問題，并進行修復，從而保證設備在焊接過程中的穩定性和可靠性。定期清理焊接設備的導電嘴、送絲機構等部位，可以防止因雜質堆積而影響焊接電流和送絲速度的穩定性。據統計，定期清理設備的焊接作業，其氣孔發生率比未進行定期清理的作業低約20%。同時，對設備的電氣系統進行檢查和維護，可以確保焊接電壓和電流的輸出穩定，避免因電氣故障而導致氣孔的產生。

此外，定期更換易損件，如電極、噴嘴等，也能提高焊接質量。新的易損件能夠更好地保證焊接過程中的氣體保護效果和電弧穩定性，減少氣孔的形成。一般來說，按照設備使用說明書的要求定期更換易損件，可以使焊接氣孔的發生率降低約15%。

3.3   材料控制

對于板材厚度較大的鍍鋅板焊接，需要更高的熱量輸入。這使得鋅的汽化更加劇烈，應對焊接部位進行開坡口處理，以有效降低焊接熱輸入，減少焊接氣孔的產生。如鎢極氬弧焊，通常用于焊接小于3mm的薄板時不需要開坡口，但對于大于或等于6mm以上的厚板， 一般需要開V形、U形或其他形式的坡口以保證焊透并減少缺陷。

鍍鋅板材在焊接前應做打磨處理，去除焊接部位表面灰塵、油污以及鋅層，避免雜質以及鋅、氧化鋅水合物、鉻酸鹽鈍化物等雜質的影響；打磨范圍為焊縫周圍25～30mm，打磨程度為露出鋼基材為準。

為有效控制焊接過程中雜質及蒸汽的影響，提高焊接質量，焊接材料應以焊材庫領用為準，禁止私自使用現場其他剩余焊材進行施焊，避免受潮或被污染的焊接材料使用。

使用高純度保護氣體，如高純度的氬氣和二氧化碳混合氣，可以降低氧化風險，減少氣孔的產生。

3.4   工藝及規程的控制

焊接工藝規程是用于指導焊接人員進行焊接作業的指導性文件，焊接工藝規則的制定是基于焊接工藝評定進行的。同時，焊接工藝規程根據焊接檢驗結果進行不斷的修訂和完善，以確保其有效性和適用性。

此外，由于鍍鋅板焊接的特殊性，應針對焊接前母材打磨工序制定相關作業指導書，應明確打磨范圍及程度等，確保鋅層打磨徹底。打磨完成后應由檢驗人員進行確認后方可轉入焊接工序。

檢驗文件的制定應基于相關的國家標準和行業標準，同時結合實際生產情況進行調整和完善。通過嚴格執行檢驗文件，可以及時發現焊接中的氣孔等缺陷，并采取相應的處理措施，從而提高焊接質量。

3.5   焊接環境控制

保持焊接環境的干燥、清潔，避免潮濕、灰塵等雜質對焊接過程的影響。焊接場所選擇室內焊接，增加溫濕度監測設備，并配置保持溫濕度設備，焊接區域設置有效的通風系統，保持施焊環境的清潔。為防止穿堂風對焊接保護氣體產生影響，在各焊接工位增加擋風屏障。

加強焊材庫管理，包括焊材庫現場存放管理及焊材領用回收管理。焊接材料嚴格按照焊材管理規程進行存放，避免因環境因素導致焊接材料受潮、氧化等情況。焊材領用回收應嚴格按照相關程序進行，避免未使用完焊材存放于焊接現場受污染后再次使用。

3.6   測量的控制

確定測量任務及所要求的準確度，選擇使用的、具有所需準確度和精密度能力的測試設備；定期對所有測量和試驗設備進行確認、校準和調整；建立檢測設備動態監管臺賬，確保所有檢測設備經校驗并在有效期內使用。

根據檢測結果進行工藝調整是減少氣孔的關鍵。建立完善的檢測結果與工藝調整之間的良好反饋體系，通過對檢測結果的分析，確定缺陷產生環節，如焊接工藝參數選取有誤、鍍鋅層打磨不徹底等，采取針對性的工藝調整策略，可以有效地減少鍍鋅板材焊接氣孔的產生，提高焊接質量。

4   改善效果

改善方案執行前，對某制造廠生產的200臺盤柜類產品共計2000道焊縫進行檢查，發現其中536道焊縫中存在不同程度氣孔，缺陷率達26.8%。對該制造廠焊接操作人員進行培訓，提高操作人員的技能水平和質量意識；對設備進行定期保養維護；焊接材料的控制與處理的明確；焊接工藝與操作規程、檢驗文件的完善；焊接環境、焊材儲存環境的改善。檢測手段與工具優化后，對該廠生產的另一批次200臺盤柜類產品同位置2000道焊縫進行檢查，發現其中98道焊縫存在不同程度氣孔，缺陷率降低到4.9%，如表1所示。由此可見，通過對人、機、料、法、環、測六個方面的全面管理和控制，可以有效地減少鍍鋅板材焊接氣孔的產生，提高焊接質量。

表1 改善效果對比

5   結語

本文從全面質量管理的角度出發，深入分析了鍍鋅板材焊接氣孔的形成原因，并提出了一系列針對性的防治措施。通過加強人的培訓和教育、優化機器設備性能、嚴格材料選擇和處理、制定科學合理的焊接工藝規程、改善焊接環境以及建立完善的測量與檢測體系等措施，可以有效減少鍍鋅板材焊接氣孔的產生，提高焊接質量水平。該研究對鍍鋅板材焊接成型產品的焊接氣孔控制具有良好的參考價值。

作者簡介：

徐新陽（1995-），男，河北人，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電儀控產品制造監督方面的工作。

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摘自《自動化博覽》2026年3月刊