關于鋁合金焊接質量問題的因果分析

隨著焊接技術的進步，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等各種結構方面的應用在不斷擴大，但國產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生裂紋的特征和產生機理以及對在試驗過程中產生比較嚴重的裂紋進行深入的分析。提出幾點防范措施。

1 鋁合金焊接接頭中的裂紋分析

在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質和焊接結構的不同，焊接接頭中可以出現各種裂紋，裂紋的形態和分布特征都很復雜，根據其產生的部位可分為以下兩種裂紋形式：

1.1 焊縫金屬中的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋（尤其在多層焊時）。

1.2 熱影響區的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。按裂紋產生的溫度區間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點物質的存在所引起的。根據所焊金屬的材料不同，產生熱裂紋的形態、溫度區間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產生結晶裂紋，它是在焊縫結晶過程中，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，在凝固收縮應力或外力的作用下發生沿晶開裂，這種裂紋主要產生在含雜質較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區中被加熱到高溫的晶界凝固時的收縮應力作用下產生的。

2 熱裂紋產生的系列過程

目前關于焊接熱裂紋理論，國內外認為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認為結晶裂紋的產生與否主要取決于以下三`方面：脆性溫度區間的大小；在此溫度區間內合金所具有的延性以及在脆性溫度區間金屬的變形率大小。

通常人們將脆性溫度區間的大小及在此溫度區間內具有的延性值稱為產生焊接熱裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區內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，這種特征從本質上與焊接接頭金屬斷裂的冶金因素和力學因素發生重要的聯系，如焊接工藝過程與冶金過程的產物即物理的、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展有密切聯系的冶金因素。從力學因素方面看，焊接熱循環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雜的應力-應變狀態，從而為裂紋的萌生與發展提供必要的條件。

在焊接過程中，冶金因素和力學因素的綜合作用將歸結為兩個方面，即是強化金屬聯系還是弱化金屬聯系。如果在冷卻時，焊接接頭金屬中正在建立強度聯系，在一定剛性拘束條件下能夠順從地應變，焊縫與近縫區金屬能夠承受外加拘束應力與內在殘余應力的作用時，裂紋就不容易產生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反之，當承受不住應力作用時，金屬中強度聯系容易中斷，就會產生裂紋。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變的對比以及變形抗力與外加應力的對比。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部的情況分布不同、由應變所誘導的擴散行為不同、應力集中的條件以及導致金屬脆化的因素不同，焊接接頭具體的薄弱環節以及它弱化的因素和程度也是不同的。

導致焊接接頭金屬產生裂紋的冶金因素和力學因素有著較為密切的聯系，力學因素中的應力梯度和熱循環特征所確定的溫度梯度有關，而后者與金屬的導熱性密切相關，如金屬的熱塑性變化特征、熱膨脹性以及組織轉變等構成的冶金因素，在很大程度上對焊接接頭金屬所處的應力-應變狀態起到重要作用，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，在不同的溫度區間對焊接接頭金屬的強度聯系作用各不相同，如結晶溫度區間大，固相線溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態金屬處，更容易引起應力集中，導致固相金屬產生裂紋；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，當收縮應變速率高，應力-應變狀態比較苛刻時也容易產生裂紋等等。

在鋁合金焊接時焊縫金屬凝固結晶的后期，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“液態薄膜”，此時由于在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮產生較大的拉伸應力，這時候液態薄膜就形成了較為薄弱的環節，在拉伸應力的作用下就可能在薄弱地帶開裂而形成裂紋。

3 熱裂紋產生的機理

為了研究鋁合金焊接時那個時候最容易產生熱裂紋，把鋁合金焊接時焊接熔池的結晶分為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晶時，只有很少數量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時間的延長，晶核逐漸長大，并且出現新的晶核，但是在這個過程中液相始終占有較多的數量，相鄰晶粒之間不發生接觸，對還未凝固的液態鋁合金的自由流動不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的鋁合金液態金屬所填滿，因此在液固階段產生裂紋的可能性很小。

第二階段是固液階段，在焊接熔池結晶繼續進行時，熔池中固相不斷增多，同時先前結晶的晶核不斷長大，當溫度降低到某一數值時，已經凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發生接觸，并且不斷傾軋在一起，這時候液態鋁合金的流動受到阻礙，也就是說熔池結晶進入了固液階段。在這種情況下，由于液態鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強烈發展，晶體間殘存的液相則不容易流動，在拉伸應力作用下產生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應力的存在就有產生裂紋的可能性。因此，這個階段叫做“脆性溫度區”。

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，受到拉應力時，就會表現出較好的強度和塑性，在這一階段產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之間的脆性溫度區時，焊縫金屬都有較大的抵抗結晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區間較窄，拉應力在這個區間作用的時間比較短，使得焊縫的總應變量比較小，因此焊接時產生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質比較多，則脆性溫度區間范圍比較寬，拉伸應力在這個區間的作用時間比較長，產生裂紋的傾向較大。

4 鋁合金焊接裂紋的防范措施

根據鋁合金焊接時產生熱裂紋的機理，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生的機率。

在工藝因素上，主要是焊接規范、預熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態，也影響凝固過程中的應變增長速度，因而影響裂紋的產生。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變速度，而增大熱裂的傾向。可見，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結構裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預熱或適當降低焊接速度等措施。通過預熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產生焊接應力相應降低，減小了在脆性溫度區間的應力；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的定位、焊接順序；焊接結束或中斷時，應及時填滿弧坑，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生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。

綜上所述，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生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。