金屬焊接過程中焊接接頭裂紋產(chǎn)生的熱力學(xué)分析

陳彩勝

（江西省檢驗檢測認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院，江西 南昌 330000）

0 引言

金屬焊接是一項復(fù)雜的工藝，在焊接過程中，由于材料、焊接工藝、焊接技術(shù)等因素的影響，焊接接頭可能會產(chǎn)生未熔合、裂紋、未焊透、夾渣、咬邊等缺陷，焊接缺陷的產(chǎn)生影響了焊接接頭的性能，進(jìn)而降低了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，也縮短了產(chǎn)品的使用年限。而焊接變形和裂紋是焊接性能的重要影響因素，焊接接頭產(chǎn)生變形或裂紋將影響焊接構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和受壓穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)承載能力，因此抑制焊接接頭的變形和阻止裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展是保證焊接質(zhì)量的重要手段。

針對金屬焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，學(xué)者在焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理、預(yù)防[1]和阻止裂紋擴(kuò)展等方面進(jìn)行了大量研究，以期抑制或消除焊接過程中裂紋的產(chǎn)生與影響。目前從熱力學(xué)角度出發(fā)研究焊接接頭變形和裂紋產(chǎn)生機(jī)理的文章鮮有報道，該文基于熱傳遞及轉(zhuǎn)換過程中的熱力學(xué)耦合[2]模式，通過對金屬焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境所構(gòu)成的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)耦合分析，進(jìn)而揭示金屬焊接接頭裂紋產(chǎn)生過程中的熱力學(xué)本質(zhì)。

1 焊接接頭形成過程的熱力學(xué)分析

熔焊作業(yè)時，經(jīng)過加熱熔化、冶金反應(yīng)、結(jié)晶反應(yīng)和凝固相變后，焊縫金屬與母材結(jié)合到一起，形成焊接接頭，熔焊接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分組成。焊接過程中，焊接熱過程的瞬時性、熱傳遞的不均勻性、焊接熱源的相對移動性以及焊縫金屬的多次結(jié)晶和相變導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)部傳熱情況十分復(fù)雜。

為了便于研究分析，該文將熔焊過程分為3個階段：加熱熔化階段、冶金反應(yīng)階段和金屬結(jié)晶相變階段。

1.1 加熱熔化階段

金屬母材和焊材的加熱熔化是熔焊的第一階段，在焊接熱源的作用下，焊材和母材從熱源處吸收熱量，自身溫度升高，直至達(dá)到金屬的熔點(diǎn)，焊材和母材熔化，在焊口處形成熔池。

在焊材和母材吸熱階段，焊接熱源可以看作高溫?zé)嵩矗覆暮湍覆目梢钥醋鞯蜏責(zé)嵩?，高、低溫?zé)嵩粗g形成了溫度梯度，即廣義力。在廣義力的作用下，熱量（即廣義流）從焊接熱源流向焊材和母材，因此其吸熱過程如圖1所示。

圖1 焊材/母材吸熱過程

根據(jù)共軛廣義力與廣義流的相位關(guān)系[3]，當(dāng)廣義力與廣義流同相位時，即兩者之間的相位角在0°~90°，其對應(yīng)的熱力學(xué)過程是正熵產(chǎn)的自發(fā)過程；當(dāng)廣義力與廣義流反相位時，即兩者之間的相位角在90°~180°，其對應(yīng)的熱力學(xué)過程是負(fù)熵產(chǎn)的非自發(fā)過程。從圖1可看出，焊材和母材吸熱過程中溫度梯度與熱流方向一致，即廣義力與廣義流同相位，根據(jù)共軛廣義力與廣義流的相位關(guān)系可以得出焊材和母材的吸熱過程是正熵產(chǎn)的自發(fā)過程。

1.2 冶金反應(yīng)階段

母材和焊材金屬在熔池內(nèi)發(fā)生冶金反應(yīng)的過程是熔焊的第二階段。在高溫下，氣相、熔渣和金屬之間發(fā)生一系列的化學(xué)冶金反應(yīng)，如母材金屬氧化還原、脫硫和去磷反應(yīng)、焊縫金屬滲合金反應(yīng)等，此階段是決定焊縫金屬成分、組織和性能的最重要階段，決定了焊接接頭性能的高低。

由于焊接過程中的冶金反應(yīng)具有超高溫環(huán)境、冶金時間短、反應(yīng)接觸面積大、階段性和連續(xù)性等特點(diǎn)，因此冶金反應(yīng)階段熱交換情況復(fù)雜，除了焊接熱源與焊接接頭之間的熱傳導(dǎo)過程，還有接頭內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)過程、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱過程以及接頭與自然環(huán)境之間的熱交換過程等。此外，冶金反應(yīng)過程中多種熱力學(xué)過程之間相互交叉且彼此聯(lián)系在一起，進(jìn)而導(dǎo)致冶金反應(yīng)階段情況更復(fù)雜。

1.3 金屬結(jié)晶相變階段

焊口處金屬的結(jié)晶及相變是熔焊的第三階段。隨著焊接熱源的離開，焊接接頭冷卻凝固下來，先后發(fā)生兩次結(jié)晶過程。第一次結(jié)晶過程隨著液態(tài)金屬冷卻凝固成固態(tài)金屬的相變過程，第二次結(jié)晶過程在固態(tài)金屬內(nèi)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，在不同的冷卻速度下形成不同的金相組織。

在焊接接頭系統(tǒng)冷卻過程中，系統(tǒng)向外界環(huán)境放出熱量。此時焊接接頭系統(tǒng)可視為高溫?zé)嵩?，外界環(huán)境可視為低溫?zé)嵩?，在高、低溫?zé)嵩粗g形成的溫度梯度（廣義力）的驅(qū)動下，熱流（廣義流）從焊接接頭系統(tǒng)流向外界環(huán)境，其吸熱過程如圖2所示。

圖2 焊接接頭系統(tǒng)放熱過程

從圖2可以看出，焊接接頭系統(tǒng)放熱過程中溫度梯度與熱流方向一致，即廣義力與廣義流同相位。根據(jù)共軛廣義力與廣義流的相位關(guān)系可以得出焊接接頭系統(tǒng)的放熱過程是熵產(chǎn)率＞0的自發(fā)過程。

2 準(zhǔn)孤立系統(tǒng)的熱力學(xué)耦合機(jī)制

為了便于研究，該文不考慮焊接接頭內(nèi)部的熱交換，把焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成的焊接接頭作為一個整體系統(tǒng)，研究其與環(huán)境之間的換熱關(guān)系。

在工程實際中，當(dāng)進(jìn)出系統(tǒng)的物質(zhì)能量相等時，保持系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)能量總和不變，也可以滿足孤立系統(tǒng)的定義[3]，這種狀態(tài)下的系統(tǒng)可稱為準(zhǔn)孤立系統(tǒng)。對焊接接頭與環(huán)境所構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng)，由于整個系統(tǒng)與外界環(huán)境間能量的凈交換量為零，因此可看作如圖3所示的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)[4]。

圖3 焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境組成的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)

孤立系統(tǒng)的熵增原理指出系統(tǒng)內(nèi)的熵變是≥0的，負(fù)熵產(chǎn)率的熱力學(xué)過程是不可能發(fā)生的。但王季陶運(yùn)用“熱力學(xué)耦合”概念指出熵產(chǎn)率＜0的負(fù)熵產(chǎn)過程可以在熵產(chǎn)率＞0的正熵產(chǎn)過程的隨著下發(fā)生。盧小平[2]在進(jìn)一步研究熱傳遞及轉(zhuǎn)換過程中蘊(yùn)含的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制時，得出自發(fā)過程與非自發(fā)過程之間的熱力學(xué)耦合，即熵產(chǎn)＞0的自發(fā)過程與熵產(chǎn)＜0的非自發(fā)過程之間存在驅(qū)動與被驅(qū)動關(guān)系。

在滿足系統(tǒng)內(nèi)熵產(chǎn)率之和≥0的情況下，對只包括兩個熱力學(xué)過程的孤立系統(tǒng)，存在以下兩種情況：1）兩個熱力學(xué)過程均為熵產(chǎn)率＞0的自發(fā)過程，此時兩個熱力學(xué)過程之間相互促進(jìn)，滿足廣義場協(xié)同機(jī)制。2）一個熵產(chǎn)率＞0的自發(fā)過程和一個熵產(chǎn)率＜0的非自發(fā)過程，此時熵產(chǎn)率＜0的非自發(fā)過程在熵產(chǎn)率＞0的自發(fā)過程驅(qū)動下發(fā)生，滿足熱力學(xué)耦合機(jī)制。

3 焊接過程裂紋產(chǎn)生的熱力學(xué)耦合分析

基于高、低溫?zé)嵩粗g熱傳遞及轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)耦合，當(dāng)自發(fā)傳熱過程驅(qū)動非自發(fā)廣義做功過程時稱為廣義Carnot熱機(jī)模式，當(dāng)自發(fā)廣義做功過程驅(qū)動非自發(fā)傳熱過程時稱為廣義Carnot熱泵模式[2]。

焊接時，焊接接頭系統(tǒng)向周圍環(huán)境放出熱量，一部分熱量被環(huán)境吸收，即熱傳遞過程；另一部分熱量轉(zhuǎn)換成有序能，即做廣義功過程。而廣義做功過程與焊接變形和裂紋產(chǎn)生有緊密聯(lián)系，因此焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的傳熱過程與焊接接頭變形和裂紋產(chǎn)生之間必然存在相互作用。

系統(tǒng)的熵變方程如公式（1）所示。

式中：S為熵的體積密度；Q為系統(tǒng)向外界放出的熱量；T為系統(tǒng)的溫度為熵流，是系統(tǒng)經(jīng)由邊界與環(huán)境的物質(zhì)能量交換量；dSg為熵產(chǎn)，為系統(tǒng)本身的耗散。

對焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境所構(gòu)成的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)無耗散時，公式（1）等于0，所以公式（1）可表示為公式（2）。

在不考慮焊接接頭與環(huán)境之間的功量交換時，系統(tǒng)內(nèi)熵的體積密度隨時間的變化[2]如公式（3）所示。

式中：ρq為熱量的體積密度；Jq為焊接接頭系統(tǒng)向環(huán)境放出的熱量；t為時間。

對公式（3）進(jìn)行散度運(yùn)算，可得公式（4）。

而對無耗散的孤立系統(tǒng)，結(jié)合公式（2）和公式（4），可得公式（5）。

基于熱傳遞及轉(zhuǎn)換的熱力學(xué)耦合，可得無耗散孤立系統(tǒng)的全相位熵產(chǎn)率方程，如公式（6）所示。

式中：σ為孤立系統(tǒng)的熵產(chǎn)率；T為焊接接頭系統(tǒng)的溫度；Jq0為焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境的熱傳遞量；Jq-Jq0為熱能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換功率，等式右邊第一項表示熱傳遞的熵產(chǎn)，第二項表示熱轉(zhuǎn)換的熵產(chǎn)。

由公式（6）可知，在圖3所示的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)中，焊接接頭系統(tǒng)向環(huán)境中釋放的熱量分為2個部分：1）低溫?zé)嵩矗ōh(huán)境）所吸收的熱量，即熵產(chǎn)率＞0的的傳熱過程。2）熱能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換功率，即熵產(chǎn)率＜0的廣義做功過程。當(dāng)高、低溫?zé)嵩撮g溫差越大或者高溫?zé)嵩瘁尫艧崃康膹?qiáng)度越強(qiáng)，即熱量傳遞的正熵產(chǎn)越大，而整個系統(tǒng)的熵產(chǎn)為0時，熱量轉(zhuǎn)換的負(fù)熵產(chǎn)也就越大，即廣義做功就越強(qiáng)。

熵產(chǎn)率＞0的傳熱過程驅(qū)動著熵產(chǎn)率＜0的廣義做功過程，符合自發(fā)傳熱過程驅(qū)動非自發(fā)廣義做功過程的廣義Carnot熱機(jī)模式，這就是焊接接頭變形和裂紋產(chǎn)生過程中蘊(yùn)含的熱力學(xué)耦合機(jī)制。也就是說，焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的自發(fā)傳熱過程驅(qū)動著引起焊接接頭變形和裂紋產(chǎn)生的非自發(fā)廣義做功過程，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生了變形或裂紋。

4 基于廣義Carnot熱機(jī)模式的預(yù)防裂紋產(chǎn)生因素分析

焊接裂紋產(chǎn)生的原因主要可以概括為兩個方面[1]：焊接材料和焊接工藝。目前在控制焊接材料方面，常見的預(yù)防焊接裂紋的方式有選擇硫、磷含量低的母材，采用低氫含量的焊條，控制焊縫中的鋁和鋅含量等。而在焊接工藝方面，當(dāng)前經(jīng)常采用如焊前預(yù)熱、焊后熱處理、緩冷、改善焊縫坡口形式、合理裝配焊接件等方法來預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生。

焊接變形和裂紋產(chǎn)生與焊接應(yīng)力有緊密聯(lián)系，而焊接應(yīng)力與焊接接頭系統(tǒng)熵產(chǎn)率之間的關(guān)系式如公式（7）所示[4]。

式中：T為焊接接頭系統(tǒng)（高溫?zé)嵩矗囟?；T0為環(huán)境（低溫?zé)嵩矗囟?；Q0為焊接接頭系統(tǒng)向環(huán)境放出的熱量；ΔW為熱能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)換量；σ為應(yīng)力矢量；ε為應(yīng)變矢量。等式第一項為焊接接頭系統(tǒng)的熵產(chǎn)率，等式第三項為廣義做功過程。

由公式（7）可知，當(dāng)焊接接頭系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量時，接頭系統(tǒng)在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生變形或裂紋?；趶V義Carnot熱機(jī)模式，在焊接過程中，焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境之間的溫差越大或者焊接接頭系統(tǒng)向環(huán)境中釋放熱量的強(qiáng)度越強(qiáng)，焊接接頭變形的程度就越大，裂紋也越明顯。也就是說，一切可以縮小高、低溫?zé)嵩撮g溫差和降低高溫?zé)嵩瘁尫艔?qiáng)度的因素，都可以減弱焊接接頭的變形程度并降低裂紋產(chǎn)生的可能性。

與裂紋產(chǎn)生原因相對應(yīng)，在工程應(yīng)用中，預(yù)防裂紋產(chǎn)生的方式主要包括以下兩個方面：第一個方面是從控制母材質(zhì)量和選擇焊材出發(fā)，通過焊接熔池的冶金反應(yīng)，增加焊縫金屬的抗裂性，進(jìn)而減少焊縫處裂紋產(chǎn)生的可能性；第二個方面是從優(yōu)化焊接工藝方面出發(fā)，通過控制焊接熱量變化和調(diào)整焊接流程，降低甚至消除焊接過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力，進(jìn)而達(dá)到預(yù)防焊接變形和裂紋產(chǎn)生的目的。

焊接過程中，根據(jù)裂紋產(chǎn)生的溫度條件，將裂紋分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋一般出現(xiàn)在高溫下地金屬冶金過程和結(jié)晶相變過程，而冷裂紋一般出現(xiàn)在焊接接頭冷卻過程中。冷裂紋的產(chǎn)生與淬硬組織、氫擴(kuò)散和焊接應(yīng)力息息相關(guān)。

縮小溫差和減弱熱量釋放強(qiáng)度都可以防止裂紋的產(chǎn)生。焊接時，改善坡口形式，采用熔深淺的焊縫，可以改善散熱條件，降低熱的不均勻性，使接頭內(nèi)部溫差縮小。而焊接前對母材進(jìn)行預(yù)熱、焊接后對焊接接頭進(jìn)行熱處理，可以降低焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境之間的溫差。這都屬于縮小高、低溫?zé)嵩撮g溫差的方式，進(jìn)而達(dá)到預(yù)防裂紋產(chǎn)生的目的。而減慢冷卻速度，如采用自然冷卻，而不是采用風(fēng)冷、水冷等強(qiáng)對流冷卻方式，可以降低熱源釋放強(qiáng)度，進(jìn)而降低裂紋產(chǎn)生的可能性。此外，焊接過程中，焊接接頭內(nèi)氫的擴(kuò)散加強(qiáng)了接頭系統(tǒng)與環(huán)境之間的換熱，熱量釋放強(qiáng)度得到增強(qiáng)，增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。因此通過減少焊接過程中氫的擴(kuò)散，如焊接前烘干焊條、杜絕在陰雨天氣和潮濕環(huán)境下進(jìn)行焊接作業(yè)、使用低氫型焊條和提高保護(hù)氣體的純度等方法，同樣可以降低裂紋產(chǎn)生的可能性。

5 結(jié)論

該文通過分析金屬焊接過程中焊接接頭裂紋產(chǎn)生的熱力學(xué)，得出如下結(jié)論：1）焊接過程中焊接接頭系統(tǒng)釋放的熱量，一部分為熵產(chǎn)率＞0的傳熱過程，另一部分為熵產(chǎn)率＜0的廣義做功過程，其中蘊(yùn)含了自發(fā)傳熱過程驅(qū)動非自發(fā)廣義做功過程的熱力學(xué)耦合機(jī)制，符合廣義Carnot熱機(jī)模式。即焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的自發(fā)傳熱過程驅(qū)動著非自發(fā)的焊接接頭變形和裂紋產(chǎn)生。2）焊接接頭的變形和裂紋的產(chǎn)生與焊接接頭系統(tǒng)相對環(huán)境間的溫差大小、焊接接頭系統(tǒng)的放熱強(qiáng)度有關(guān)。焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的溫差越大或者焊接接頭系統(tǒng)釋放熱量強(qiáng)度越強(qiáng)，焊接變形就越大，裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展也就越明顯。3）采用預(yù)熱、后熱和改善焊縫坡口形式可以縮小焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的溫差。采用緩冷方式、減少氫含量，可以減弱焊接接頭系統(tǒng)的熱量釋放強(qiáng)度。而縮小焊接接頭系統(tǒng)與環(huán)境間的溫差和減弱焊接接頭系統(tǒng)的熱量釋放強(qiáng)度，都可以預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。