鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機(jī)理分析

1、<p>　　鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機(jī)理分析</p><p>　　摘要：近 40 年來(lái)，由于焊接技術(shù)的進(jìn)步，高效率和高性能的焊接方法得到了推廣，鋁及鋁合金在車(chē)輛、船舶、建筑、橋梁、化工機(jī)械、低溫工程和宇航工業(yè)等各種結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大，但國(guó)產(chǎn)化的鋁合金和鋁合金焊接材料均還存在著一定的差距。對(duì)鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋的特征及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了幾點(diǎn)防范措施。 </p><

2、;p>　　關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接接頭；裂紋；機(jī)理 </p><p>　　雖然已經(jīng)應(yīng)用鋁及其合金焊成許多重要產(chǎn)品，但實(shí)際焊接生產(chǎn)中并不是沒(méi)有困難，主要的問(wèn)題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強(qiáng)性”等。由于鋁及其合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)（如 Al2O3的熔點(diǎn)為 2050℃，MgO 熔點(diǎn)為 2500℃），加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)容易造成不熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度同鋁的密度

3、極其接近，所以也容易成為焊縫金屬中夾雜物。同時(shí)，氧化膜（特別是有 MgO 存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收較多水分而常常成為焊縫氣孔的重要原因之一。此外，鋁及其合金的線(xiàn)脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性又強(qiáng)，焊接時(shí)容易產(chǎn)生翹曲變形。這些也都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的問(wèn)題。下面，對(duì)在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生比較嚴(yán)重的裂紋進(jìn)行深入的分析。 </p><p>　　1鋁合金焊接接頭中的裂紋及其特征 </p><p>　　在鋁合

4、金焊接過(guò)程中，由于材料的種類(lèi)、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的不同，焊接接頭中可以出現(xiàn)各種裂紋，裂紋的形態(tài)和分布特征都很復(fù)雜，根據(jù)其產(chǎn)生的部位可分為以下兩種裂紋形式： </p><p>　?。?）焊縫金屬中的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋（尤其在多層焊時(shí)）。 </p><p>　?。?）熱影響區(qū)的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線(xiàn)附近的顯微熱裂紋。按裂紋產(chǎn)生的溫度區(qū)間

5、分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時(shí)高溫下產(chǎn)生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在所引起的。根據(jù)所焊金屬的材料不同，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類(lèi)。熱裂紋中主要產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它是在焊縫結(jié)晶過(guò)程中，在固相線(xiàn)附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時(shí)填充，在凝固收縮應(yīng)力或外力的作用下發(fā)生沿晶開(kāi)裂，這種裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁

6、合金；液化裂紋是在熱影響區(qū)中被加熱到高溫的晶界凝固時(shí)的收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。 </p><p>　　在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填充材料表面清理不夠充分時(shí)，焊接后焊縫中仍存在較多的夾雜和少量的氣孔。在三組號(hào)試驗(yàn)中，由于焊接填充材料為鑄造組織，其中夾雜為高熔點(diǎn)物質(zhì)，焊接后在焊縫中仍將存在；又，鑄造組織比較稀疏，孔洞較多，易于吸附含結(jié)晶水的成分和油質(zhì)，它們將成為焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔的因素。當(dāng)焊縫在拉伸應(yīng)力作用下時(shí)，這些夾雜和氣

7、孔往往成為誘發(fā)微裂紋的關(guān)鍵部位。通過(guò)顯微鏡進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，這些夾雜和氣孔誘發(fā)的微觀裂紋之間有明顯的相互交匯的趨勢(shì)。然而，對(duì)于夾雜物在此的有害作用究竟是主要表現(xiàn)為應(yīng)力集中源從而誘發(fā)裂紋，還是主要表現(xiàn)為脆性相從而誘發(fā)裂紋，尚難以判斷。此外，一般認(rèn)為，鋁鎂合金焊縫中的氣孔不會(huì)對(duì)焊縫金屬的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響，而本研究試驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)焊縫拉伸試樣中同時(shí)存在著由夾雜和氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象。氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象是否只是一種居次要地位的伴生現(xiàn)象，還是引起

8、焊縫拉伸強(qiáng)度大幅度下降的主要因素之一，亦還有待進(jìn)一步的研究。 </p><p>　　2熱裂紋產(chǎn)生的過(guò)程 </p><p>　　目前關(guān)于焊接熱裂紋理論，國(guó)內(nèi)外認(rèn)為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認(rèn)為結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與否主要取決于以下3方面：脆性溫度區(qū)間的大??；在此溫度區(qū)間內(nèi)合金所具有的延性以及在脆性溫度區(qū)間金屬的變形率大小。 </p><p>　　通常人們將脆

9、性溫度區(qū)間的大小及在此溫度區(qū)間內(nèi)具有的延性值稱(chēng)為產(chǎn)生焊接熱裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的變形率大小稱(chēng)為力學(xué)因素。焊接過(guò)程是一系列不平衡的工藝過(guò)程的綜合，這種特征從本質(zhì)上與焊接接頭金屬斷裂的冶金因素和力學(xué)因素發(fā)生重要的聯(lián)系，如焊接工藝過(guò)程與冶金過(guò)程的產(chǎn)物即物理的、化學(xué)的與組織上的不均勻性、熔渣與夾雜物、氣體元素與處于過(guò)飽和濃度的空位等。所有這些，都是與裂紋的萌生與發(fā)展有密切聯(lián)系的冶金因素。從力學(xué)因素方面看，焊接熱循環(huán)特定的溫度梯度

10、與冷卻速度，在一定的拘束條件下，將使焊接接頭處于復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，從而為裂紋的萌生與發(fā)展提供必要的條件。 </p><p>　　在焊接過(guò)程中，冶金因素和力學(xué)因素的綜合作用將歸結(jié)為兩個(gè)方面，即是強(qiáng)化金屬聯(lián)系還是弱化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時(shí)，焊接接頭金屬中正在建立強(qiáng)度聯(lián)系，在一定剛性拘束條件下能夠順從地應(yīng)變，焊縫與近縫區(qū)金屬能夠承受外加拘束應(yīng)力與內(nèi)在殘余應(yīng)力的作用時(shí)，裂紋就不容易產(chǎn)生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反

11、之，當(dāng)承受不住應(yīng)力作用時(shí)，金屬中強(qiáng)度聯(lián)系容易中斷，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。在這種情況下，焊接接頭金屬的裂紋敏感性較高。焊接接頭金屬?gòu)慕Y(jié)晶凝固的溫度開(kāi)始，以一定的速度冷卻到室溫，其裂紋敏感性決定于變形能力和外加應(yīng)變的對(duì)比以及變形抗力與外加應(yīng)力的對(duì)比。然而在冷卻過(guò)程中，在不同的溫度階段，由于晶間強(qiáng)度與晶粒強(qiáng)度增長(zhǎng)的情況不同、變形在晶粒間和晶粒內(nèi)部的情況分布不同、由應(yīng)變所誘導(dǎo)的擴(kuò)散行為不同、應(yīng)力集中的條件以及導(dǎo)致金屬脆化的因素不同，焊接接頭具體的薄弱環(huán)

12、節(jié)以及它弱化的因素和程度也是不同的。 </p><p>　　導(dǎo)致焊接接頭金屬產(chǎn)生裂紋的冶金因素和力學(xué)因素有著較為密切的聯(lián)系，力學(xué)因素中的應(yīng)力梯度和熱循環(huán)特征所確定的溫度梯度有關(guān)，而后者與金屬的導(dǎo)熱性密切相關(guān)，如金屬的熱塑性變化特征、熱膨脹性以及組織轉(zhuǎn)變等構(gòu)成的冶金因素，在很大程度上對(duì)焊接接頭金屬所處的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)起到重要作用，此外，隨著溫度的降低與冷卻速度的變化，冶金因素和力學(xué)因素也都是在變化著的，在不同的溫度

13、區(qū)間對(duì)焊接接頭金屬的強(qiáng)度聯(lián)系作用各不相同，如結(jié)晶溫度區(qū)間大，固相線(xiàn)溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態(tài)金屬處，更容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致固相金屬產(chǎn)生裂紋；同樣，隨著溫度降低，如果收縮量較大，特別是在快速冷卻條件下，當(dāng)收縮應(yīng)變速率高，應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)比較苛刻時(shí)也容易產(chǎn)生裂紋等等。 </p><p>　　在鋁合金焊接時(shí)焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔共晶體被排擠在晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，此時(shí)由于在冷卻時(shí)收縮

14、量較大而得不到自由收縮產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，這時(shí)候液態(tài)薄膜就形成了較為薄弱的環(huán)節(jié)，在拉伸應(yīng)力的作用下就可能在薄弱地帶開(kāi)裂而形成裂紋。 </p><p>　　3熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理 </p><p>　　為了研究鋁合金焊接時(shí)那個(gè)時(shí)候最容易產(chǎn)生熱裂紋，把鋁合金焊接時(shí)焊接熔池的結(jié)晶分為3個(gè)階段。 </p><p>　　第一個(gè)階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，只有很少

15、數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，晶核逐漸長(zhǎng)大，并且出現(xiàn)新的晶核，但是在這個(gè)過(guò)程中液相始終占有較多的數(shù)量，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，對(duì)還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動(dòng)不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開(kāi)的縫隙能及時(shí)地被流動(dòng)著的鋁合金液態(tài)金屬所填滿(mǎn)，因此在液固階段產(chǎn)生裂紋的可能性很小。 </p><p>　　第二階段是固液階段，在焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，熔池中固相不斷增多，同時(shí)先前結(jié)晶的

16、晶核不斷長(zhǎng)大，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時(shí)，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋?jiān)谝黄?，這時(shí)候液態(tài)鋁合金的流動(dòng)受到阻礙，也就是說(shuō)熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強(qiáng)烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則不容易流動(dòng)，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無(wú)法填充，只要稍有拉伸應(yīng)力的存在就有產(chǎn)生裂紋的可能性。因此，這個(gè)階段叫做“脆性溫度區(qū)”。 </p><p>　　第三階段是完

17、全凝固階段，熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。因此，當(dāng)溫度高于或者低于 a-b 之間的脆性溫度區(qū)時(shí)，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質(zhì)較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區(qū)間較窄，拉應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間作用的時(shí)間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質(zhì)比較多，則脆性溫度區(qū)間

18、范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間的作用時(shí)間比較長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。 </p><p>　　4鋁合金焊接裂紋的防止措施 </p><p>　　根據(jù)鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)理，可以從冶金因素和工藝因素兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。 </p><p>　　在冶金因素方面，為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生晶間熱裂紋，主要通過(guò)調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)或向填加金屬中添加變質(zhì)劑

19、。調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點(diǎn)，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過(guò)裂紋傾向最大時(shí)的合金組元，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。而作為變質(zhì)劑向填加金屬中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素，企圖通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)改善塑性、韌性，并達(dá)到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開(kāi)

20、始了，并且取得了效果。圖3給出剛性搭接角焊縫的條件下 Al-4.5%Mg 焊絲中加入變質(zhì)劑的抗裂試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中加入的 Zr 為 0.15%，Ti+B 為 0.1%?？梢?jiàn)，同時(shí)加入 Ti 和 B 可以顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B 及 Ta 等元素的共同特點(diǎn)，是都能同鋁形成一系列包晶反應(yīng)生成難熔金屬化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta 等）。這種細(xì)小的難熔質(zhì)點(diǎn)，可成為液體金屬凝固時(shí)的非自發(fā)凝固的晶核，從而

21、可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒作用。 </p><p>　　在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應(yīng)力上著手來(lái)解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過(guò)程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過(guò)程中的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接過(guò)程，可防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過(guò)熱，也有利于改善抗裂性。而

22、焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向?？梢?jiàn)，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時(shí)不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施。通過(guò)預(yù)熱，可以使得試件相對(duì)膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力相應(yīng)降低，減小了在脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力；盡量采用開(kāi)坡口和留小間隙的對(duì)接焊，并避免采用十字形接頭及不適當(dāng)?shù)亩ㄎ?、焊接順序；焊接結(jié)束或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)填滿(mǎn)弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑

23、裂紋。對(duì)于 5000 系合金多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產(chǎn)生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。 </p><p>　　而根據(jù)本文試驗(yàn)所證明，對(duì)于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當(dāng)重要。材料的夾雜在焊縫中將成為裂紋產(chǎn)生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>