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铝合金焊接接头的裂纹及防止措施

一.铝的合金焊接接头中的裂纹及其特征


    在铝合金焊接过程中,由于材料的种类、性质和焊接结构的不同,焊接接头中可以出现各种裂纹,裂纹的形态和分布特征都很复杂,根据其产生的部位可分为以下两种裂纹形式:

(1)焊缝金属中的裂纹:纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、焊根裂纹和显微裂纹(尤其在多层焊时)。


(2)热影响区的裂纹:焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹,热裂纹是在焊接时高温下产生的,它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起的。根据所焊金属的材料不同,产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同,热裂纹又可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹,它是在焊缝结晶过程中,在固相线附近,由于凝固金属的收缩,残余液体金属不足不能及时填充,在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂,这种裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金;液化裂纹是在热影响区中被加热到高温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。


   在试验过程中发现,当填充材料表面清理不够充分时,焊接后焊缝中仍存在较多的夹杂和少量的气孔。在试验中,由于焊接填充材料为铸造组织,其中夹杂为高熔点物质,焊接后在焊缝中仍将存在;又铸造组织比较稀疏,孔洞较多,易于吸附含结晶水的成分和油质,它们将成为焊接过程中产生气孔的因素。当焊缝在拉伸应力作用下时,这些夹杂和气孔往往成为诱发微裂纹的关键部位。通过显微镜进一步观察发现,这些夹杂和气孔诱发的微观裂纹之间有明显的相互交汇的趋势。然而,对于夹杂物在此的有害作用究竟是主要表现为应力集中源从而诱发裂纹,还是主要表现为脆性相从而诱发裂纹,尚难以判断。此外,一般认为,铝镁合金焊缝中的气孔不会对焊缝金属的拉伸强度产生重大影响,而本研究试验中却发现焊缝拉伸试样中同时存在着由夹杂和气孔诱发微裂纹的现象。气孔诱发微裂纹的现象是否只是一种居次要地位的伴生现象,还是引起焊缝拉伸强度大幅度下降的主要因素之一,亦还有待进一步的研究。



二.铝合金焊接裂纹的防止措施


     根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理,可以从冶金因素和工艺因素两个方面进行改进,降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。

     在冶金因素方面,为了防止焊接时产生晶间热裂纹,主要通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点,从抗裂角度考虑,在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金属于典型的共晶型合金,最大裂纹倾向正好同合金的“最大”凝固温度区间相对应,少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向,所以,一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金组元,以便能产生“愈合”作用。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素,企图通过细化晶粒来改善塑性、韧性,并达到防止焊接热裂纹的目的尝试,在很早以前就开始了,并且取得了效果。这种细小的难熔质点,可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核,从而可以产生细化晶粒作用。


     在工艺因素上,主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序,这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态,也影响凝固过程中的应变增长速度,因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法,有利于快速进行焊接过程,可防止形成方向性强的粗大柱状晶,因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流,减慢焊接速度,可减少熔池过热,也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高,促使增大焊接接头的应变速度,而增大热裂的倾向。可见,增大焊接速度和焊接电流,都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性,在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热,可以使得试件相对膨胀量较小,产生焊接应力相应降低,减小了在脆性温度区间的应力;尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊,并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序;焊接结束或中断时,应及时填满弧坑,然后再移去热源,否则易引起弧坑裂纹。对于 5000 系合金多层焊的焊接接头,往往由于晶间局部熔化而产裂纹,因此必须控制后一层焊道焊接热输入量。

     而本文对于铝合金的焊接,母材和填充材料的表面清理工作也相当重要。材料的夹杂在焊缝中将成为裂纹产生的源头,并成为引起焊缝性能下降的最主要原因。

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