鋁／鋼法蘭釬焊焊縫開(kāi)裂失效分析

謝國(guó)君 王 影 韓 露

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

鋁和鋼的物理、化學(xué)性質(zhì)的巨大差異，使二者的焊接相容性較差，盡管有較多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，但鋁－鋼焊接接頭的質(zhì)量仍不盡人意［1－3］。某管道法蘭由不銹鋼管（0Cr18Ni9）與鋁管（6A02）通過(guò)釬焊焊接而成（圖1）。

該法蘭在力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中焊縫部位發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏，本文通過(guò)對(duì)釬焊焊縫的斷面形貌觀察、能譜及金相分析等手段對(duì)釬焊焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，查明焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因，并對(duì)焊接工藝的改進(jìn)提出建議。

1 觀察與分析

1.1 材料

材料由發(fā)生開(kāi)裂的管道法蘭及工藝焊接件管道法蘭的釬焊縫部位截取，試樣由0Cr18Ni9、5A06及二者的釬焊縫（ZL102）組成。釬料為 ZL102，釬劑C550；為提高焊接質(zhì)量，不銹鋼管表面預(yù)先鍍鎳，焊縫未焊透率（包括氣孔、夾渣）要求不大于15%。

1.2 形貌觀察與成分分析

焊縫區(qū)域試樣分離為兩部分，宏觀形貌見(jiàn)圖2：分離面位于不銹鋼一側(cè)界面處，釬焊料殘留在鋁合金一側(cè)；不銹鋼一側(cè)分離面可見(jiàn)原始機(jī)加工紋路，鋁合金一側(cè)釬焊料分離面上可見(jiàn)機(jī)加工紋路的印痕；分離面部分區(qū)域存在未焊透現(xiàn)象，測(cè)得未焊透率約21%。

圖2 開(kāi)裂焊縫分離面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracked welding surface cracked surface of aluminium alloy

掃描電鏡下觀察，整個(gè)分離面微觀均呈解理形貌，為脆性斷裂特征；能譜分析結(jié)果表明鋁合金一側(cè)分離面主要含有 Al（主）、Si（11.5%）、Fe（20.2%）、Cr（7.7%）、Ni（1.3%）元素，焊縫兩側(cè)母材主要成分與各自牌號(hào)相符。

1.3 金相分析

從失效焊縫及比對(duì)焊縫上分別截取部分試樣進(jìn)行金相比對(duì)分析。

1.3.1 失效焊縫

焊縫剖面形貌及能譜分析圖見(jiàn)圖3。焊縫大部分區(qū)域存在開(kāi)裂現(xiàn)象，釬焊料與不銹鋼發(fā)生分離；不銹鋼一側(cè)存在明顯的擴(kuò)散層，厚度約10～20 μm，分離面均位于擴(kuò)散層內(nèi)部，能譜分析擴(kuò)散層含有Al、Fe（15.2%）、Si（14.5%）、Cr（7.1%）、Ni（1.2%）元素，應(yīng)主要為Al－Fe相，擴(kuò)散層與不銹鋼之間未見(jiàn)鍍鎳層存在；釬焊縫內(nèi)部存在少量形態(tài)不同于鋁硅共晶相的Al－Ni相，釬焊料與鋁合金一側(cè)結(jié)合良好，未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖3 失效件釬焊縫剖面形貌Fig.3 Section morphology of cracked welding cracked interface of stainless steel

1.3.2 比對(duì)焊縫

焊縫剖面形貌及能譜分析見(jiàn)圖4。焊縫未見(jiàn)裂紋，不銹鋼一側(cè)有明顯的擴(kuò)散層，厚度為30～40 μm，成分主要為Al－Ni相，擴(kuò)散層與不銹鋼之間存在鍍鎳層（厚度為2～6 μm），釬焊縫中存在較多條狀或塊狀的 Al－Ni相。

圖4 比對(duì)件釬焊縫剖面形貌Fig.4 Section morphology of compared welding interface of stainless steel

2 分析討論

2.1 焊縫破壞模式分析

釬焊縫破壞位置位于不銹鋼一側(cè)界面處，釬焊縫部分區(qū)域存在未焊透現(xiàn)象，但未見(jiàn)貫穿整個(gè)焊縫的未焊透通道，焊縫破壞分離面微觀呈脆性斷裂特征，表明焊縫處形成了有效焊接，試驗(yàn)過(guò)程中受外力作用發(fā)生了脆性開(kāi)裂。

2.2 焊縫界面結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理分析

Fe－Al二元相圖如圖 5 所示［4］。

圖 5 Al－Fe 二元相圖Fig.5 Al－Fe binary phase diagram

二者固溶度低，極易生成金屬間化合物，根據(jù)相圖判斷，F(xiàn)e和Al二者相互作用可以形成FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等一系列金屬間化合物。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式對(duì)生成各金屬間化合物反應(yīng)前后吉布斯自由能的變化進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算和繪圖的結(jié)果如圖6所示［4－5］。

圖6 Fe－Al金屬間化合物的吉布斯自由能變化Fig.6 △G of Fe－Al intermetallic compound

根據(jù)吉布斯判據(jù)，吉布斯自由能的值越負(fù)，反應(yīng)的自發(fā)性越強(qiáng)，故在鋁／鋼焊接接頭界面處開(kāi)始形成的金屬間化合物為Fe2Al5，此外，F(xiàn)e2Al5相具有斜方型晶體結(jié)構(gòu)，沿c軸具有較多原子空位，Al原子容易占據(jù)此處，因此Fe2Al5長(zhǎng)大很快，在隨后的冷卻過(guò)程中Fe2Al5與多余的Al原子結(jié)合而生成層次不齊的FeAl3相。

發(fā)生開(kāi)裂的法蘭釬焊縫界面擴(kuò)散層主要含有Fe、Al元素，其相組成應(yīng)主要為 Fe2Al5＋FeAl3。

2.3 焊縫開(kāi)裂原因分析

鋁／鋼焊接接頭的性能與二者界面處形成的脆性金屬間化合物的數(shù)量及分布有直接關(guān)系，諸多研究結(jié)果表明［6－10］，界面處金屬間化合物層的厚度不大于10 μm時(shí)，焊接接頭的性能較好，此時(shí)接頭發(fā)生破壞時(shí)破壞位置往往位于基體內(nèi)部而非界面，且可能呈現(xiàn)韌性斷裂特征。金相分析結(jié)果表明發(fā)生開(kāi)裂的法蘭釬焊縫界面金屬間化合物層的厚度為10～20 μm，且釬焊縫破壞斷面呈明顯的脆性特征，由此判斷法蘭釬焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因應(yīng)主要與焊縫界面處金屬間化合物層過(guò)厚導(dǎo)致焊縫脆性較大有關(guān)。

為了提高鋁／鋼焊接接頭的質(zhì)量，往往焊接前在鋼的表面預(yù)先涂覆Zn、Ag等過(guò)渡層，該過(guò)渡層一方面可改善鋁在鋼表面的浸潤(rùn)性，另一方面可以有效抑制脆性金屬間化合物的形成［11－12］。法蘭釬焊縫鋼一側(cè)表面預(yù)先鍍鎳，金相分析結(jié)果表明失效件焊縫界面處為Al－Fe化合物層，未見(jiàn)鍍鎳層，焊縫中心也鮮見(jiàn)含鎳組織，而比對(duì)件焊縫界面處為雙層結(jié)構(gòu)，鋼表面可見(jiàn)鍍鎳層，鍍鎳層表面為Al－Ni化合物層，焊縫中心可見(jiàn)較多含鎳組織，根據(jù)以上觀察結(jié)果分析認(rèn)為，焊接過(guò)程中界面處鋁首先與鍍鎳層反應(yīng)形成Al－Ni化合物，隨著反應(yīng)的進(jìn)行鍍鎳層不斷被消耗、減薄，生成的Al－Ni化合物部分脫落進(jìn)入熔池，比對(duì)件即處于該反應(yīng)階段，當(dāng)鍍鎳層完全耗盡鋁即與鋼反應(yīng)生成Al－Fe化合物，且隨反應(yīng)不斷進(jìn)行，Al－Fe化合物層不斷增厚、同時(shí)熔池中的Al－Ni化合物流失殆盡，取而代之的是Al－Fe化合物，失效件即處于該反應(yīng)階段。

綜合分析認(rèn)為，法蘭釬焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因應(yīng)是焊接過(guò)程中焊縫界面處反應(yīng)過(guò)度生成了較厚的脆性金屬間化合物層，焊接接頭偏脆因而試驗(yàn)過(guò)程中在試驗(yàn)載荷作用下發(fā)生脆性開(kāi)裂。

2.4 焊接工藝改進(jìn)建議

為使焊接接頭具有良好的性能應(yīng)使釬焊縫界面生成Al－Fe金屬間化合物且厚度控制在10 μm以?xún)?nèi)，影響釬焊縫界面結(jié)構(gòu)的因素可能有焊接件的尺寸、焊接反應(yīng)時(shí)間、焊接溫度等，建議生產(chǎn)單位根據(jù)上述影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用金相分析手段對(duì)界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而找出影響界面結(jié)構(gòu)的顯著因素，摸索出使界面形成厚度10 μm以?xún)?nèi)Al－Fe金屬間化合物的最佳工藝參數(shù)。

鑒于大量參考文獻(xiàn)中均提到鋼件表面鍍鋅以提高釬焊縫質(zhì)量，建議法蘭的鋼件表面改鍍鎳為鍍鋅以提高焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)法蘭釬焊焊縫的斷面形貌觀察、能譜分析及金相分析發(fā)現(xiàn)，法蘭釬焊焊縫界面處生成了10～20 μm厚的Al－Fe金屬間化合物層，分析認(rèn)為焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因是焊接過(guò)程中焊縫界面處反應(yīng)過(guò)度生成了較厚的脆性金屬間化合物層，焊接接頭偏脆因而試驗(yàn)過(guò)程中在試驗(yàn)載荷作用下發(fā)生脆性開(kāi)裂。

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