鋁合金焊接裂紋產生的原因和預防措施

魏兆中

(開封大學，河南 開封 475004)

0 引言

鋁合金材料是一種較常用的工藝材料，目前在機械制造業(yè)中應用十分廣泛，尤其是在空氣分離設備中，各種容器、塔器、換熱器、冷卻器、貯槽、管道等大多都采用鋁合金材料[1]。 由于鋁合金的導熱系數(shù)大(約為鋼的4 倍)、冷卻速度快，焊接熔池的一次結晶速度也快。 另外，其線膨脹系數(shù)大（為鋼的2倍），凝固時的體積收縮率為6.5%左右， 易產生焊接變形。 所以，鋁合金焊縫的內應力及焊接接頭剛性拘束力都比較大，若相對應力過大，復雜的受力狀態(tài)會使焊縫產生熱裂紋。

鋁合金材料的這些特點以及空分設備生產工藝的特殊性， 使鋁合金材料在脫脂加工、 組裝、焊接、探傷等工藝中的要求與一般碳鋼材料不同。 本文從熱裂紋形成的機理和焊接工藝的角度分析鋁合金焊接裂紋產生的原因，并提出防止措施。

1 鋁合金焊接裂紋的種類及產生機理

在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質和焊接結構不同，焊接接頭中可能出現(xiàn)各種裂紋。 裂紋可使結構強度降低，甚至引起整個結構的突然破壞。 因此，焊縫中是絕對不允許存在裂紋的。

1.1 鋁合金焊接裂紋的種類

裂紋的形態(tài)和分布特征都很復雜。 根據(jù)裂紋產生的部位，鋁合金焊接裂縫可分為以下兩種形式[2]：（1）焊縫金屬中的裂紋。 焊縫金屬中的裂紋包括縱向裂紋、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。 包括焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。

如果按裂紋產生的溫度區(qū)間，鋁合金焊接裂縫又可分為熱裂紋和冷裂紋。 鋁合金焊接焊縫中冷裂紋幾乎很難看到，最常見的是焊接熱裂紋。

1.2 熱裂紋產生的機理

為了準確研究鋁合金焊接熱裂紋產生的機理，將其焊接熔池的結晶過程分為3 個階段[3]。

（1） 液固階段。 焊接熔池在高溫冷卻開始結晶時，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，并出現(xiàn)新的晶核。但是，在這個過程中，液相始終占有較多的份額，且相鄰晶粒之間不接觸，對還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動沒有阻礙。 在這種情況下，即使有拉伸應力存在，被拉開的縫隙也能及時地被流動著的液態(tài)金屬所填滿。 因此，在液固階段基本不會產生裂紋。

（2）固液階段。 在焊接熔池結晶繼續(xù)進行時，熔池中固相不斷增多、 先前結晶的晶核不斷長大，當溫度降低到某一數(shù)值時，已經凝固的鋁合金金屬晶體就會相互發(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，熔池結晶進入了固液階段。 此時，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很難流動，在拉伸應力作用下產生的微小縫隙都無法填充。 這時，只要稍有拉伸應力的存在，就有產生裂紋的可能性。 因此，這個階段又叫做“脆性溫度區(qū)”。

（3）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(xiàn)出較好的強度和塑性， 在這一階段產生裂紋的可能性相對較小。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(qū)間較窄，拉應力在這個區(qū)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(qū)間范圍比較寬，拉伸應力在這個區(qū)間的作用時間就比較長，產生裂紋的可能性也較大。

2 鋁合金焊接熱裂紋的預防措施

根據(jù)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。 以降低鋁合金焊接熱裂紋產生的概率。

2.1 改變金屬結構

在冶金因素方面，為了防止焊接時產生晶間熱裂紋，可以調整焊縫合金結構，或向鋁合金中添加變質劑。如，將Ti、Zr、V 和B 等微量元素作為變質劑加入到金屬中，通過細化晶粒來改善焊縫的塑性、韌性，達到防止焊接熱裂紋的目的。

2.2 提高工藝水平

在工藝因素方面，主要應從焊接應力上著手解決焊接裂紋問題。 可通過調整焊接工藝參數(shù)、預熱、接頭形式和焊接順序等手段來實現(xiàn)。

2.2.1 調整焊接工藝參數(shù)

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變增長速度，因而影響裂紋的產生。 熱量集中的焊接方法，有利于快速完成焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶體，改善抗裂性。 采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱現(xiàn)象，也有利于改善抗裂性。 而提高焊接速度，將增大焊接接頭的應變速度，從而增大熱裂的傾向。

2.2.2 分段焊、預熱或適當降低焊接速度

在鋁合金結構裝配、施焊時，為了不使焊縫承受很大的剛性，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，可以使試件相對膨脹量較小，產生焊接應力概率相應降低，從而減小在脆性溫度區(qū)間的應力。 可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?、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。

2.2.3 材料的表面清理

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。 因為材料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。

2.2.4 采取預防焊接變形的措施

鋁合金凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應力較大，因此，需采取預防焊接變形的措施。

2.2.5 預熱

預熱可減小焊接應力，避免裂紋，且有利于防止氣孔的產生。 對于薄板及小的焊件，一般可不預熱，對于母材厚度大于或等于5 mm 的焊接接頭，應進行預熱。 預熱溫度為100～300℃，預熱范圍一般為焊縫兩側各100～150 mm。

2.2.6 錘擊分布應力

對高強度鋁合金焊接接頭，采用隨焊錘擊的方法，可以改變焊接接頭的應力分布，大幅度減少裂紋出現(xiàn)的概率。

3 結語

由于鋁合金材料本身的特點，在復雜的受力狀態(tài)下，會使焊縫產生熱裂紋。 這些裂紋會使結構強度降低，甚至引起整個結構的突然破壞。 通過采取冶金或工藝方面的單項措施或多項組合措施，可以很好地預防鋁合金焊接過程出現(xiàn)裂紋，提高鋁合金焊接接頭的質量，保證鋁合金焊接結構的性能。

[1] 劉靜安，謝水生. 鋁合金材料的應用與技術開發(fā)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004：303-306.

[2] 謝輝. 鋁合金焊接接頭產生裂紋特征及產生機理分析[J].現(xiàn)代商貿工業(yè)，2007（1）：116-117.

[3] 彭云. 鋁合金焊接結晶裂紋的防止[J]. 焊接，1995（1）：2-4.