★ 徐新阳（北京广利核系统工程有限公司，北京 100094）

关键词：镀锌板材；焊接气孔；全面质量管理；防治措施

1   引言

焊接技术广泛应用于核电厂设备制造过程中，焊接质量直接关系到设备的安全性能和使用性能。镀锌板材在焊接过程中，由于锌的沸点远低于钢的熔点，容易导致焊接接头出现气孔等缺陷，严重影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性。目前，国内外对于镀锌板材焊接气孔问题的研究主要集中在汽车制造、建筑等领域，遵循ISO 9001体系。该体系是通用的，适用于任何行业，关注整体业务流程的效率和有效性，包括客户服务、内部流程和持续改进机制。核电行业还需遵守HAF003 《核电厂质量保证安全规定》法规要求，特别关注核安全和可靠性，适用于核电厂的设计、建造、运行和退役等各个阶段。因此，深入研究核电DCS系统机柜盘台用镀锌板材焊接气孔的形成原因及防治措施，具有重要的现实意义和工程价值。本文从全面质量管理的角度出发，从人、机、料、法、环、测六个方面全面分析了焊接气孔的形成原因，并提出了相应的防治措施，显著降低了产品焊接气孔产生率。

2   气孔产生原因分析

在焊接过程中，气体主要来源于以下几个方面：一是母材和焊接材料表面的油污、铁锈、水分等杂质在高温下分解产生的气体；二是焊接材料中的水分、有机物等在高温下分解产生的气体；三是冶金反应产生的气体，如一氧化碳、氢气等。这些气体在焊接过程中如果不能及时逸出，就会在焊缝中形成气孔。

气孔的形成主要分为以下几个阶段：首先，在焊接高温作用下，气体在熔池中溶解，随着熔池温度的降低，气体的溶解度减小，当达到过饱和状态时，气体就会在熔池中形成气泡。如果气泡内部的压力大于外部阻碍其长大的压力，气泡会继续长大并试图上浮。在熔池结晶过程中，气泡会受到结晶前沿的阻碍和粘度的阻力，如果气泡不能及时逸出，就会被围困在树枝晶粒间，形成气孔，如图1所示。

图1 焊接气孔产生过程

从全面质量管理理论来看，影响产品质量的主要因素为人、机、料、法、环、测6个方面。下面将从这六个方面对核电仪控结构产品镀锌板材焊接气孔的产生原因进行分析并给出改善措施。

2.1   人员因素

在影响焊接质量的六大因素中，人的因素是处于中心位置和主导因素的。

2.1.1   焊接人员因素

焊接操作人员的技能水平和工作态度对焊接质量有着重要影响。熟练的焊接操作人员能够更好地控制焊接过程中的各种参数，从而降低气孔的发生率。在焊接电流和电压的控制方面，熟练工能够根据不同的焊接材料和焊接环境，准确地调整电流和电压，确保焊接过程的稳定性。而新手由于经验不足，可能会出现电流过大或过小、电压不稳定等情况，这些都可能导致气孔的产生。据统计，在相同的焊接条件下，熟练工焊接产生气孔的概率约为5%，而新手焊接产生气孔的概率可能高达20%。此外，熟练工在焊接速度的控制上也更加精准。他们能够根据焊接材料的厚度和焊接工艺的要求，合理地调整焊接速度，确保熔池中的气体有足够的时间逸出，从而减少气孔的形成。而新手可能会因为紧张或不熟悉焊接工艺，导致焊接速度过快或过慢，增加气孔产生的可能性。

2.1.2   焊接检验人员因素

焊接检验人员在执行与监督焊接工艺、评估与判定焊接质量过程中对焊接质量有着关键作用。检验人员负责确保焊工遵循已制定的焊接工艺规程。他们通过现场检查，验证焊工是否按照工艺要求进行操作，如焊接电流、电压、速度等参数是否控制在规定范围内。检验人员还监督焊工对焊接材料的正确使用，包括焊条、焊丝、保护气体等，确保它们符合工艺要求，从而避免由于材料使用不当导致的焊接缺陷。检验人员在焊接完成后，对焊缝进行质量评估。他们使用各种检测工具和方法，如目视检查、无损检测等，来识别并评估焊缝中的潜在缺陷。根据评估结果，检验人员判定焊接质量是否符合设计要求和行业标准。他们的判定直接影响产品的合格与否，因此对于保证焊接质量具有关键作用。

2.2   设备因素

焊接设备的性能对镀锌板材焊接气孔的产生有着重要影响。稳定且高精度的焊接设备能够有效减少气孔的出现，提高焊接质量。

2.2.1   设备性能因素

当焊接设备不稳定时，电流和电压可能会出现波动，这会影响熔池的形成和凝固过程，增加气孔产生的风险。如果电流突然增大，可能会导致熔池过热，使金属产生氧化，形成气孔；如果电压不稳定，可能会导致电弧长度变化，影响电弧的稳定性，从而增加气孔产生的几率。性能稳定的设备，能够在焊接过程中提供稳定的电流和电压输出，从而减少因电流、电压波动而导致的气孔产生。如氩弧焊机可以提供较高的焊接质量和稳定性，适用于对焊接质量要求较高的场合。

2.2.2   设备精度因素

高精度的焊接设备能够准确控制焊接参数，如焊接电流、电压、速度等，从而提高焊接质量，减少气孔的产生。焊接速度过快会导致熔池冷却过快，气体无法充分排出，从而在焊缝中形成气孔；焊接速度过慢则可能导致熔池过热，使金属产生氧化，形成气孔。高精度的焊接设备能够准确控制焊接速度，确保熔池有足够的时间让气体逸出，同时又不会过热，从而减少气孔的产生。如脉冲MAG焊机能通过调整送丝速度、弧长、焊接速度等参数来控制整个焊接过程，从而降低锌层的挥发和氧化，减少焊缝的气孔。这种焊机在镀锌板焊接中表现出色，能成功实现薄板或低热输入的焊接需求，并且焊缝强度普遍高于母材。

2.2.3   设备校验与维护

设备的校验与制定合理的设备维护计划是保障焊接质量的基础。设备应按周期进行校验，确保设备能够正常且准确地工作，精度与稳定性满足产品生产标准的要求。设备的维护是指根据设备特性，按照设定的时间间隔对设备进行检修、清洁等，防治设备老化。设备老化、参数不准确或故障等问题可能导致焊接过程不稳定，将增加气孔产生的可能性。

2.3   材料因素

焊接材料主要分为母材、焊材、保护气体等。焊接材料对焊接气孔的产生有着重要的影响。

2.3.1   母材成分因素

对于镀锌板焊接来说，当焊接电弧产生的高温作用于镀锌板材时，锌的沸点（907℃)远低于钢的熔点（约1500℃),而通常GMAW焊的电弧温度可达3000℃以上。这使得镀锌层中的锌迅速汽化，产生大量锌蒸气。这些锌蒸气在熔池中形成气泡，如果气泡不能及时逸出熔池，就会在焊缝中形成气孔。焊接前若锌层不能彻底去除，锌、氧化锌水合物、铬酸盐钝化物等杂质在焊接过程中将产生烟气，影响焊接过程稳定，熔池冷却前气体无法完全逸出从而形成气孔。

2.3.2   母材厚度因素

板材厚度对焊接质量有着显著影响。较薄的板材在焊接时热量传递较快，熔池冷却速度也较快，气体能够在较短的时间内逸出，从而减少了气孔的形成。而对于较厚的镀锌板材，由于其热容量较大，焊接过程中热量传递相对较慢，熔池冷却速度也较慢，气体难以充分逸出，容易在焊缝中形成气孔。

2.3.3   焊材因素

焊丝成分是影响气孔发生率的重要因素之一。焊丝中的碳、硅、锰等元素对气孔的形成有着不同的影响。焊丝中碳含量较高时，在焊接过程中会因剧烈的氧化还原作用而产生较大的飞溅，并产生气孔。硅和锰元素是焊丝中的重要脱氧元素。当焊丝中含有足够的硅和锰元素时， 可以有效抑制CO对Fe的氧化作用， 防止CO气孔的产生。焊丝中的硫元素含量也会影响气孔的形成。焊丝含硫量较高时可能会与镀锌层中的锌发生反应，生成硫化锌等化合物，这些化合物在焊接高温下可能会分解产生气体，形成气孔。

2.3.4   保护气体因素

保护气体在镀锌板材焊接过程中起着重要的作用。保护气体的成分和流量对减少气孔具有重要意义。常见的保护气体有氩气、二氧化碳、氩气与二氧化碳的混合气等。保护气体的选用不适当，也会增加焊接气孔发生率。保护气体流量过大，容易产生紊流，恶化气体保护效果；流量过小，保护气体未能充分保护熔池，使焊缝中产生气孔的倾向加大。

2.4   工艺及规程因素

工艺及规程是指导焊接生产的重要依据，它详细规定了焊接的各个环节和参数要求。文件的缺失或规定不完善将直接影响到焊接质量。

2.4.1   焊接参数因素

焊接电流和电压对气孔的形成有着显著影响。当焊接电流过大时，会导致熔池过热，锌的蒸发速度加快，气体来不及逸出，从而增加气孔产生的可能性。在实际焊接中，当焊接电流超过一定数值时，气孔发生率可能会从5%上升到15%。相反，焊接电流过小则会使焊接强度不足，也容易产生气孔。而焊接电压的高低也会影响气孔的形成。如果焊接电压过高，会使电弧过长，电弧稳定性降低，容易导致气孔的产生。

焊接速度对气孔的产生也有着重要影响。当焊接速度过快时，熔池冷却速度加快，气体来不及逸出，容易形成气孔。在焊接速度为2m/min时，气孔发生率可能会比焊接速度为1m/min时增加一倍。然而，焊接速度过慢也会带来一些问题，如焊接效率低下、热输入量过大等，同样可能导致气孔的产生。

2.4.2   焊材匹配因素

焊接材料与镀锌板材的匹配性对气孔的产生有着显著影响。当焊接材料与镀锌板材不匹配时，可能会导致化学反应异常，从而增加气孔的形成几率。

2.4.3   操作规程因素

操作规程是焊接操作人员在实际操作过程中必须遵守的规范。它详细规定了焊接前的准备工作、焊接过程中的操作步骤、焊接后的处理方法等。操作规程若不明确或不详尽则会导致焊接过程无法按照预期得到控制，从而产生气孔缺陷。

2.4.4   检验文件因素

检验文件是对焊接质量进行检验和控制的重要依据。检验文件应明确采用的检验方法，如目视检测、渗透探伤等，以及检验标准，如气孔的尺寸、数量等。同时，检验文件还应规定检验频率。检验文件不明确或不详尽会导致焊接中的气孔等缺陷无法及时检出。

2.5   环境因素

焊接环境的温度、湿度以及清洁程度对镀锌板材的焊接过程以及气孔的产生有着显著的影响。

2.5.1   温度因素

温度对焊接质量有着重要的影响。在较低温度下进行焊接时，熔池的冷却速度会加快，气体可能来不及逸出，从而增加气孔产生的风险。相反，在较高温度环境下焊接，虽然熔池的流动性可能会增强，但也可能导致焊接材料的性能发生变化，从而影响焊接质量。

2.5.2   湿度因素

湿度对焊接质量的负面影响不可忽视。在高湿度环境下，空气中的水分含量较高，焊接材料和镀锌板材表面容易吸附水分。在焊接过程中，这些水分会在高温下分解产生氢气，增加气孔形成的风险。例如，当环境湿度达到70%以上时，焊接镀锌板材可能会出现大量气孔。这是因为水分分解产生的氢气在熔池中难以逸出，从而形成气孔。此外，高湿度环境还可能导致焊接设备的电气性能下降，影响焊接参数的稳定性。

2.5.3   清洁度因素

灰尘等杂质会对焊接质量产生多方面的危害。首先，灰尘可能会在焊接过程中混入熔池，影响焊缝的纯净度，增加气孔产生的风险。当空气中的灰尘颗粒进入熔池后，可能会在凝固过程中形成夹杂物，这些夹杂物会阻碍气体的逸出，从而导致气孔的形成。其次，灰尘等杂质可能会附着在焊接材料和镀锌板材表面，影响焊接材料的性能和镀锌层的质量。灰尘中的氧化物可能会与焊接材料发生化学反应，改变焊接材料的化学成分，从而影响焊接质量。此外，灰尘等杂质还可能会影响焊接设备的性能。灰尘进入焊接设备内部可能会导致设备故障，影响焊接参数的稳定性，进而增加气孔产生的几率。

2.6   检测相关分析

目前DCS系统盘柜类结构件产品由于其结构复杂性与检测空间的限制，焊接质量检测手段多为目视检查与渗透探伤检查。

2.6.1    目视检查

目视检查是最常见的一种方法，检测人员通过目视检查焊接接头的外观，观察是否有焊缝尺寸、形状、焊渣、气孔等缺陷。其优点是操作简单、成本低。但缺点也很明显，受到人眼视觉限制，其难以检测到深层缺陷，对于一些内部气孔可能无法及时发现。

2.6.2   渗透检测

渗透检测也是一种常用的无损检测方法。渗透检测技术是一种以毛细管作用原理为基础的无损检测技术，主要用于检测零部件的表面开口缺陷。检测时，将溶有荧光染料或着色染料的渗透液施加到零部件表面，由于毛细作用，渗透液渗入到细小的表面开口缺陷中，清除附着在工件表面的多余渗透液，经干燥后再施加显像剂，缺陷中的渗透液在毛细现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显示，即可检测出缺陷的形貌和分布状态。渗透检测具有较高的检测灵敏度，超高灵敏度的渗透检测材料可清晰地显示宽0.5μm、深10μm、长1mm左右的细微裂纹。而且，渗透检测的显示直观，容易判断，操作也非常快速、简便， 一次操作即可检出一个平面上各个方向的缺陷。但渗透检测只能检出零部件的表面开口缺陷，被污染物堵塞或经机械处理（如喷丸、抛光和研磨等）后开口被封闭的缺陷则不能被有效检出。另外，渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。

3   改善方案

3.1   人员控制

焊接操作人员和焊接检验人员的技能水平和工作态度对焊接质量有着重要影响。经验丰富、技术熟练的焊工能够更好地控制焊接参数，减少气孔的产生，而经验丰富的焊接检验人员则能够有准确的判断力及时检出焊接气孔。因此，人员培训对提高焊接质量至关重要。

通过对焊接人员进行镀锌板焊接特性、焊接气孔产生机理及危害、焊接理论知识、焊接设备的操作方法、焊接工艺参数的选择等方面系统的培训，操作人员可以掌握正确的焊接工艺和操作方法，提高自己的技能水平，从而减少气孔的产生。此外，培训还可以提高操作人员的质量意识，让操作人员认识到焊接质量的重要性，增强他们的责任心，从而在焊接过程中更加严格地按照操作规程进行操作，确保焊接质量。据调查，经过系统培训的操作人员，其焊接气孔的发生率可以降低30%以上。通过对焊接检验人员进行目视、PT检验规程，以及PT检测中焊接缺陷的表达方式的培训，可以提高他们的专业技能和判断力。

3.2   设备控制

定期对焊接设备进行维护保养是确保焊接质量、减少气孔产生的重要举措。通过定期维护，可以及时发现设备潜在的问题，并进行修复，从而保证设备在焊接过程中的稳定性和可靠性。定期清理焊接设备的导电嘴、送丝机构等部位，可以防止因杂质堆积而影响焊接电流和送丝速度的稳定性。据统计，定期清理设备的焊接作业，其气孔发生率比未进行定期清理的作业低约20%。同时，对设备的电气系统进行检查和维护，可以确保焊接电压和电流的输出稳定，避免因电气故障而导致气孔的产生。

此外，定期更换易损件，如电极、喷嘴等，也能提高焊接质量。新的易损件能够更好地保证焊接过程中的气体保护效果和电弧稳定性，减少气孔的形成。一般来说，按照设备使用说明书的要求定期更换易损件，可以使焊接气孔的发生率降低约15%。

3.3   材料控制

对于板材厚度较大的镀锌板焊接，需要更高的热量输入。这使得锌的汽化更加剧烈，应对焊接部位进行开坡口处理，以有效降低焊接热输入，减少焊接气孔的产生。如钨极氩弧焊，通常用于焊接小于3mm的薄板时不需要开坡口，但对于大于或等于6mm以上的厚板， 一般需要开V形、U形或其他形式的坡口以保证焊透并减少缺陷。

镀锌板材在焊接前应做打磨处理，去除焊接部位表面灰尘、油污以及锌层，避免杂质以及锌、氧化锌水合物、铬酸盐钝化物等杂质的影响；打磨范围为焊缝周围25～30mm，打磨程度为露出钢基材为准。

为有效控制焊接过程中杂质及蒸汽的影响，提高焊接质量，焊接材料应以焊材库领用为准，禁止私自使用现场其他剩余焊材进行施焊，避免受潮或被污染的焊接材料使用。

使用高纯度保护气体，如高纯度的氩气和二氧化碳混合气，可以降低氧化风险，减少气孔的产生。

3.4   工艺及规程的控制

焊接工艺规程是用于指导焊接人员进行焊接作业的指导性文件，焊接工艺规则的制定是基于焊接工艺评定进行的。同时，焊接工艺规程根据焊接检验结果进行不断的修订和完善，以确保其有效性和适用性。

此外，由于镀锌板焊接的特殊性，应针对焊接前母材打磨工序制定相关作业指导书，应明确打磨范围及程度等，确保锌层打磨彻底。打磨完成后应由检验人员进行确认后方可转入焊接工序。

检验文件的制定应基于相关的国家标准和行业标准，同时结合实际生产情况进行调整和完善。通过严格执行检验文件，可以及时发现焊接中的气孔等缺陷，并采取相应的处理措施，从而提高焊接质量。

3.5   焊接环境控制

保持焊接环境的干燥、清洁，避免潮湿、灰尘等杂质对焊接过程的影响。焊接场所选择室内焊接，增加温湿度监测设备，并配置保持温湿度设备，焊接区域设置有效的通风系统，保持施焊环境的清洁。为防止穿堂风对焊接保护气体产生影响，在各焊接工位增加挡风屏障。

加强焊材库管理，包括焊材库现场存放管理及焊材领用回收管理。焊接材料严格按照焊材管理规程进行存放，避免因环境因素导致焊接材料受潮、氧化等情况。焊材领用回收应严格按照相关程序进行，避免未使用完焊材存放于焊接现场受污染后再次使用。

3.6   测量的控制

确定测量任务及所要求的准确度，选择使用的、具有所需准确度和精密度能力的测试设备；定期对所有测量和试验设备进行确认、校准和调整；建立检测设备动态监管台账，确保所有检测设备经校验并在有效期内使用。

根据检测结果进行工艺调整是减少气孔的关键。建立完善的检测结果与工艺调整之间的良好反馈体系，通过对检测结果的分析，确定缺陷产生环节，如焊接工艺参数选取有误、镀锌层打磨不彻底等，采取针对性的工艺调整策略，可以有效地减少镀锌板材焊接气孔的产生，提高焊接质量。

4   改善效果

改善方案执行前，对某制造厂生产的200台盘柜类产品共计2000道焊缝进行检查，发现其中536道焊缝中存在不同程度气孔，缺陷率达26.8%。对该制造厂焊接操作人员进行培训，提高操作人员的技能水平和质量意识；对设备进行定期保养维护；焊接材料的控制与处理的明确；焊接工艺与操作规程、检验文件的完善；焊接环境、焊材储存环境的改善。检测手段与工具优化后，对该厂生产的另一批次200台盘柜类产品同位置2000道焊缝进行检查，发现其中98道焊缝存在不同程度气孔，缺陷率降低到4.9%，如表1所示。由此可见，通过对人、机、料、法、环、测六个方面的全面管理和控制，可以有效地减少镀锌板材焊接气孔的产生，提高焊接质量。

表1 改善效果对比

5   结语

本文从全面质量管理的角度出发，深入分析了镀锌板材焊接气孔的形成原因，并提出了一系列针对性的防治措施。通过加强人的培训和教育、优化机器设备性能、严格材料选择和处理、制定科学合理的焊接工艺规程、改善焊接环境以及建立完善的测量与检测体系等措施，可以有效减少镀锌板材焊接气孔的产生，提高焊接质量水平。该研究对镀锌板材焊接成型产品的焊接气孔控制具有良好的参考价值。

作者简介：

徐新阳（1995-），男，河北人，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电仪控产品制造监督方面的工作。

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摘自《自动化博览》2026年3月刊