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鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機理分析
（作者未知） 2010/6/21
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
雖然已經(jīng)應(yīng)用鋁及其合金焊成許多重要產(chǎn)品，但實際焊接生產(chǎn)中并不是沒有困難，主要的問題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強性”等。由于鋁及其合金的化學(xué)活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)（如 Al2O3的熔點為 2050℃，MgO 熔點為 2500℃），加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強，焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度同鋁的密度極其接近，所以也容易成為焊縫金屬中夾雜物。同時，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，鋁及其合金的線脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性又強，焊接時容易產(chǎn)生翹曲變形。這些也都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的問題。下面，對在試驗過程中產(chǎn)生比較嚴重的裂紋進行深入的分析。
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(dāng)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(dāng)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(xué)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(xué)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(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(xué)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(dāng)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)（未完，下一頁）
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