導(dǎo)語：鋁合金焊接接頭裂紋特征分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1鋁合金焊接接頭中的裂紋及其特征

在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、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：

（1）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）。

（2）熱影響區(qū)的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。按裂紋產(chǎn)生的溫度區(qū)間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產(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。熱裂紋中主要產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它是在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時填充，在凝固收縮應(yīng)力或外力的作用下發(fā)生沿晶開裂，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的收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當填充材料表面清理不夠充分時，焊接后焊縫中仍存在較多的夾雜和少量的氣孔。在三組號試驗中，由于焊接填充材料為鑄造組織，其中夾雜為高熔點物質(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)，它們將成為焊接過程中產(chǎn)生氣孔的因素。當焊縫在拉伸應(yīng)力作用下時，這些夾雜和氣孔往往成為誘發(fā)微裂紋的關(guān)鍵部位。通過顯微鏡進一步觀察發(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。然而，對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，一般認為，鋁鎂合金焊縫中的氣孔不會對焊縫金屬的拉伸強度產(chǎn)生重大影響，而本研究試驗中卻發(fā)現(xiàn)焊縫拉伸試樣中同時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，還是引起焊縫拉伸強度大幅度下降的主要因素之一，亦還有待進一步的研究。

2熱裂紋產(chǎn)生的過程

目前關(guān)于焊接熱裂紋理論，國內(nèi)外認為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認為結(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?。辉诖藴囟葏^(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。

通常人們將脆性溫度區(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為力學因素。焊接過程是一系列不平衡的工藝過程的綜合，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因素發(fā)生重要的聯(lián)系，如焊接工藝過程與冶金過程的產(chǎn)物即物理的、化學的與組織上的不均勻性、熔渣與夾雜物、氣體元素與處于過飽和濃度的空位等。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。從力學因素方面看，焊接熱循環(huán)特定的溫度梯度與冷卻速度，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。

在焊接過程中，冶金因素和力學因素的綜合作用將歸結(jié)為兩個方面，即是強化金屬聯(lián)系還是弱化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時，焊接接頭金屬中正在建立強度聯(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，裂紋就不容易產(chǎn)生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反之，當承受不住應(yīng)力作用時，金屬中強度聯(lián)系容易中斷，就會產(chǎn)生裂紋。在這種情況下，焊接接頭金屬的裂紋敏感性較高。焊接接頭金屬從結(jié)晶凝固的溫度開始，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)變的對比以及變形抗力與外加應(yīng)力的對比。然而在冷卻過程中，在不同的溫度階段，由于晶間強度與晶粒強度增長的情況不同、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)節(jié)以及它弱化的因素和程度也是不同的。

導(dǎo)致焊接接頭金屬產(chǎn)生裂紋的冶金因素和力學因素有著較為密切的聯(lián)系，力學因素中的應(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，冶金因素和力學因素也都是在變化著的，在不同的溫度區(qū)間對焊接接頭金屬的強度聯(lián)系作用各不相同，如結(jié)晶溫度區(qū)間大，固相線溫度低，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，當收縮應(yīng)變速率高，應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)比較苛刻時也容易產(chǎn)生裂紋等等。

在鋁合金焊接時焊縫金屬凝固結(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”，此時由于在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，這時候液態(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裂而形成裂紋。

3熱裂紋產(chǎn)生的機理

為了研究鋁合金焊接時那個時候最容易產(chǎn)生熱裂紋，把鋁合金焊接時焊接熔池的結(jié)晶分為3個階段。

第一個階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開始結(jié)晶時，只有很少數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時間的延長，晶核逐漸長大，并且出現(xiàn)新的晶核，但是在這個過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，對還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的鋁合金液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段產(chǎn)生裂紋的可能性很小。

第二階段是固液階段，在焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進行時，熔池中固相不斷增多，同時先前結(jié)晶的晶核不斷長大，當溫度降低到某一數(shù)值時，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋在一起，這時候液態(tài)鋁合金的流動受到阻礙，也就是說熔池結(jié)晶進入了固液階段。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烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則不容易流動，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，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，這個階段叫做“脆性溫度區(qū)”。

第三階段是完全凝固階段，熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應(yīng)力時，就會表現(xiàn)出較好的強度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對來說較小。因此，當溫度高于或者低于a-b之間的脆性溫度區(qū)時，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)力在這個區(qū)間作用的時間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時產(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)間范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個區(qū)間的作用時間比較長，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。

4鋁合金焊接裂紋的防止措施

根據(jù)鋁合金焊接時產(chǎn)生熱裂紋的機理，可以從冶金因素和工藝因素兩個方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機率。

在冶金因素方面，為了防止焊接時產(chǎn)生晶間熱裂紋，主要通過調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)或向填加金屬中添加變質(zhì)劑。調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點，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裂紋傾向最大時的合金組元，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，企圖通過細化晶粒來改善塑性、韌性，并達到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開始了，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)劑的抗裂試驗結(jié)果。試驗中加入的Zr為0.15%，Ti+B為0.1%?？梢?，同時加入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，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）。這種細小的難熔質(zhì)點，可成為液體金屬凝固時的非自發(fā)凝固的晶核，從而可以產(chǎn)生細化晶粒作用。

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)力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變增長速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向?？梢?，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)熱或適當降低焊接速度等措施。通過預(yù)熱，可以使得試件相對膨脹量較小，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；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當?shù)亩ㄎ弧⒑附禹樞?；焊接結(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。對于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。

而根據(jù)本文試驗所證明，對于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當重要。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。

參考文獻

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[2]付志紅，黃明輝，周鵬展等.攪拌摩擦焊及其研究現(xiàn)狀[J].焊接，2002，（11）：6～7

摘要：近40年來，由于焊接技術(shù)的進步，高效率和高性能的焊接方法得到了推廣，鋁及鋁合金在車輛、船舶、建筑、橋梁、化工機械、低溫工程和宇航工業(yè)等各種結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用在不斷擴大，但國產(chǎn)化的鋁合金和鋁合金焊接材料均還存在著一定的差距。對鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋的特征及產(chǎn)生機理進行了分析，提出了幾點防范措施。

關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接接頭；裂紋；機理