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6 6 轻金属2 0 1 2 年第9 期 轻合金及其加工 铝及铝合金中常见的焊接裂纹及其防止措施 宫博 ( 七环机械电子工程公司，北京1 0 0 1 9 2 ) 摘要：焊接裂纹是铝及铝舍金中较严重的焊接缺陷。它的存在不仅影响焊接结构的气密性，而且会在焊接裂纹尖端 造成严重的应力集中，致使结构在很小的拉应力作用下发生失效。分析了铝及铝舍金中的焊接热裂纹产生条件，并从 冶金因素扣力学因素两个方面，详细介绍了防止焊接热裂纹的防治措施。 关键词：铝合金；焊接裂纹；脆性温度区间 中图分类号：t e 4 4 5 7 1 9 文献标识码：a 文章编号：1 0 0 2 1 7 5 2 ( 2 0 1 2 ) 0 9 6 6 5 u s u a l 、v e l m n gc r a c k sa n dt h e i rc o n t r o u i n g m e a s u r e sj na l 哪i l l i u ma n da l u m i i l i u ma l l o y g o n gb o ( q 凌眦n 胞破觚幻以口趔昱如c 姗建i ce 甥溉e 五增c o 8 e 筘粥1 0 0 1 9 2 ，现讹) a b s 打a c t ：t h ew e l d i n gc m c ki sak i n dd f ”r y8 e d o u $ w e l d i n gd e f e c t so f8 l u m i n i u ma l l o y hn o t l ya 岱e c t 8t h et i 曲t n 伪80 fw e i d i n gs 乜m c t u l e ，b u ta l t a l 【e sas e v e r e8 t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h et i po ft h ew e l d i “gc 阳c k t h ew e l d i n g8 缸u c 伽r ew i ub e 描l u r eu n d e ra8 m 8 l lt e n s i l e8 t r 船sr e 刚j l tf 如mt l i eg h e 鹪 c o n c e n t 碍t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ec o n d i t i o n 8o fh o tc r a c k si na l u m i n u ma r ed e 8 c t i b e d ，明dt h em 伽80 fh o wt oc o n 臼r o lt h ew e l d i 。l gh o tc r a c k 8a 地a 1 d i 8 一 c u 8 8 e di nd e a i l6 _ o m 呐8 n 西e 8o fm e t 越u l 西c a lf h e t o r sa n dm e c h 弧i e a lf 如t o r s k e yw o r d s ：a l u i i l i n i u ma l l o y ；w e l d i n gc r k s b m t l et e m p e m t l l 他r a n g e 铝及铝合金外观呈银白色，具有塑形好，密度 小，电阻率小，比热大，线膨胀系数大及导热系数大 等理化性能h 】。铝及铝合金具有的焊接特点：( 1 ) 铝及铝合金极易与空气中的氧结合生成熔点 ( 2 0 5 0 ) 很高的a l ：o ，氧化膜。焊接时阻碍金属间 的良好熔合，并容易在熔敷金属中造成夹渣、气孔等 缺陷。因此，焊前必须将其去除，焊接过程中还需防 止焊接区发生氧化。( 2 ) 由于铝及铝合金比热较 高、电阻率小、导热系数大，焊接时需要较大的热输 入。( 3 ) 线膨胀系数大导致铝及铝合金焊件变形及 裂纹倾向性较大，焊接时需要采取响应的措施加以 避免。( 4 ) 铝及铝合金焊件的颜色不随温度变化而 改变，操作时有一定的难度。 铝合金焊接过程中容易产生气孔、夹杂和焊接 裂纹等缺陷，焊缝性能与表面质量往往难以达到设 计要求。焊接裂纹作为最常见的一种焊接冶金缺 陷，严重影响焊件的安全使用。这是因为焊接裂纹 不但减小了结构的承载面积，影响了焊缝的气密性， 还在裂纹尖端造成了严重的应力集中。焊接裂纹可 分为焊道金属中的纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、 显微裂纹和焊根裂纹以及热影响区中的焊趾裂纹、 收稿日期：2 0 1 1 1 2 1 0 层状撕裂和熔合线区附近的显微裂纹。焊接裂纹按 照其产生的温度区间及产生机理可以分为热裂纹和 冷裂纹。因为铝及铝合金线膨胀系数较大。焊接过 程中易变形、热应力较大。铝及铝合金中常见的焊 接裂纹为热裂纹。热裂纹多产生于接近固相线的高 温下，沿晶界分布；有时也可能在低于固相线的温度 下，沿多边形化边界形成。热裂纹主要是由晶界上 的合金元素偏析或低熔点物质的存在而引起的，多 产生于焊缝及熔合线附近的母材内。铝合金焊接热 裂纹包括两种特征形式：结晶裂纹和液化裂纹。前 者多出现在焊缝中心或者弧坑内，断口形貌由大面 积光滑但凹凸不平的鹅卵石状结构组成，其表面还 常伴有晶间低熔点共晶组织；后者多出现在母材近 缝区或者多层焊时前层焊缝内的热影响区。与热处 理不可强化铝合金相比，热处理强化铝合金更容易 出现近缝区液化裂纹。 1 铝及铝合金焊接热裂纹产生原因 热裂纹是在凝固过程中高温金属的性能、形态 和收缩应变随温度降低而改变，造成金属在凝固过 程中收缩受到外界阻碍而产生于晶界的一种缺陷。 万方数据 2 0 1 2 年第9 期宫博：铝及铝合金中常见的焊接裂纹及其防止措施 6 7 ：一 它的形成与合金在凝固过程中的力学行为和晶界及 合金凝固过程的自身特点有密切关系j 。早在2 0 世纪5 0 年代国外学者就开始了关于焊接热裂纹理 论的研究，提出了种种关于焊接热裂纹形成机理的 理论和观点。这些理论和观点主要是根据焊接热裂 纹在脆性温度区间内沿晶间开裂的特点，对脆性温 度区间内焊缝金属的晶间状态、晶间的受力与变形 机制进行了粗略的假设，随着试验次数的增加和分 析手段的进步，这些假设不断被修正或更新。热裂 纹又具体分为结晶裂纹和液化裂纹，下面分别讨论 这两种裂纹产生的原因。 1 1 结晶裂纹产生的阶段 高温金属的形态和收缩应变等性能将随着温度 的降低面发生一系列变化，结晶裂纹正是这一系列 变化达到特定条件而产生的结果。金属的高温塑性 决定了金属高温沿晶断裂的倾向，热裂纹的形成主 要受高温金屑塑性的影响。焊缝金属的凝固是一个 不平衡结晶的过程，主要可以分为以下几个阶段： ( 1 ) 液一固态阶段。熔池中的液态金属冷却开 始结晶，此时只有很少数量的晶核存在，随着温度的 降低和冷却时间的延长，晶核逐渐长大，并且出现新 的晶核。但是在这个过程中液相始终是熔池的主体 成分。相邻晶粒完全浸泡在液相中间而不发生接 触，对还未凝固的液态金属的自由流动不形成阻碍。 即使有拉伸应力存在，但被拉开的缝隙能及时地被 流动着的液态金属所填满，此即裂纹愈合现象。 ( 2 ) 固一液态阶段。随着温度的继续降低和冷 却时间的进一步延长，熔池中固相不断增多，同时先 前结晶的晶核不断长大，已经凝固的金属晶粒彼此 接触，晶粒间发生了“楔住”的现象，即枝晶骨架刚 性进一步加强，形成刚性网络。此时液相所占的比 例也进一步锐减，不能在晶粒间自由流动，只能在晶 粒间滞留，形成液态薄膜。由于该液态薄膜抗变形 阻力很小，故变形集中于液相面，而此时的液相数量 已较少，不能靠液相流动来弥补裂纹。这时金属塑 性很差，当金属在此温度区间由于收缩所承受的变 形量超过此时合金所具有的塑性值时，即可形成结 晶裂纹。其力学模型如图1 所示。 图l a 表示液一固态阶段的状态。从图中可以 看出：晶粒间的液相可以沿晶闻间隙自由流动。实 线晶粒和虚线晶粒分别表示晶体承受两对切应力 丁。、r ：前后的不同位置，晶粒问的箭头表示液相在切 应力7 。、n 作用下的移动方向。此时液相可以在晶 间自由流动以弥补可能产生的裂纹，晶粒互相独立 而没有牵制。因此裂纹在这一阶段产生的可能性不 大。图l b 表示固一液态阶段的状态。这一时期晶 粒在a 、b 处发生交织长合，晶粒间互相牵制。由于 液态薄膜的抗拉力比较小，变形必然集中在断面2 2 ，当变形量达到一定程度后，就会沿2 2 面产生 裂纹。这时候金属只有极微小的延展性。必然有应 变产生，当达到一定数值时就由微观变形变为宏观 变形。 6 t f 纭6 i 、 t | 争( 肜： c 氆 搿二 6 饧 t l 图l圃一液态阶段受切应力作用产生的变形的示意图 ( 3 ) 固态阶段。即温度低于固相线的阶段。此 时金属结晶过程已全部完成，熔池金属完全凝固形 成的固态焊缝具有良好的强度和塑性来抵抗结构可 能受到的拉应力而不至于产生裂纹。 综上所述，可知结晶裂纹基本是在固一液态阶 段产生的。 1 2 结晶裂纹产生的条件 固一液态阶段位于晶间的液态薄膜是产生结晶 裂纹的主要位置，但并不是所有液态薄膜都一定会 产生结晶裂纹，结晶裂纹的产生还必须具有其他特 定的条件。图2 为结晶裂纹产生的条件示意图。其 中咒为液相线，t 为固相线，b 为结晶区间， 为脆性温度区间( 艿豫) ，瓦是枝晶开始交织长 合的温度，6 表示结晶期间各温度所对应的固一液 态金属能承受的累计应变量，这里将其定义为固一 液态金属的塑性。由图可见艿在脆性温度区间内陡 降，形成一个波谷。因此，金属在脆性温度区间内所 能承受的应变量相对较低，最容易开裂。以固相温 度疋为例：固一液态金属在t 温度下的临界塑性 值( 该温度下，金属所能抵抗的累积拉伸应变量的 临界值，下同) 为艿蒯。( 图中a 点所示) 。如果焊缝结 晶时拉伸应力所产生的累积应变量按直线l 发展 万方数据 6 8 轻金属加1 2 年第9 期 时，拉伸应力所产生的应变就会超过此时的临界塑 性值艿旆，必将产生裂纹；如果拉伸应力所产生的累 积应变按直线3 发展，则占 6 嘲，这种情况不会产 生裂纹；直线2 是裂纹产生的临界状态，如果拉伸应 力所产生的应变随温度按曲线2 变化，由拉应力所 产生的应变恰好等于焊缝的临界塑性值，即6 旆一8 = o ，那么此时处于产生裂纹的临界状态。直线2 的 筹为临界应变增长率，它与材料的成分有关，反应 材料的热裂敏感程度，等越大，材料的热裂敏感程 度越低。其中： 笔：加p a r 。” ii i a t ri ，6 r 、 蝇；眠 i 愀 i 肜：卜 倒 i i l i i 彩二 6 “ ： i 髟 t 。l 图2 结晶裂纹产生条件示意图 瓦液相线；瓦固相线；巧一结晶区间； 脆性温度区间；f 一应变；艿一伸长率 由此可知，焊缝在脆性温度区间内即固一液态 阶段内所承受的拉伸应变大于此时焊缝金属所具有 的伸长率时，焊缝金属就会产生结晶裂纹。 1 3 液化裂纹 液化裂纹产生的机理与结晶裂纹基本一致。所 不同的是液化裂纹是焊接加热过程中，与焊缝区相 邻的基体半熔化区和基体近缝区内的过热区晶界处 的低熔点共晶物质发生熔化，而晶粒整体并未熔化， 即发生晶界液化时沿晶界产生的焊接热裂纹。与结 晶裂纹相比较，液化裂纹是发生在固相的液化过程 中，而结晶裂纹是发生在液相的结晶凝固过程中。 液化裂纹产生过程如图3 所示。焊接热输入使得与 焊缝区相邻的基体半熔化区和基体近缝区的一些晶 界重熔( 图3 b ) ，随后的冷却过程中这些熔化的晶界 再次凝固结晶( 图3 c ) 时，在热收缩和外界拘束应 力的作用下而产生变形，形成收缩孔洞而被保留下 来( 图3 d ) ，形成液化裂纹。 | | 一晶界受热熔化、吃钐k 涨 二 | | 劂 晶界再次凝固 图3 焊接接头液化裂纹的形成过程 2 影响焊接热裂纹产生的因素及焊接 热裂纹的防治措施 根据焊接热裂纹产生的机理，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。 2 1 冶金因素 焊缝金属成分在很大程度上决定了焊接结构的 热裂倾向，雨焊缝金属成分是由母材和填充金属成 分共同决定的。下面分别介绍两者对焊接结构热裂 倾向的影响。 焊接过程是一个疾热疾冷的不平衡结晶过程， 先结晶的固相与未结晶的液相之间来不及进行溶质 原子的扩散。因此，固相线和热裂倾向变化曲线均 向相图左下方位移。如果某一合金成分下合金的固 一液态区间较宽，合金必然在脆性温度区间停留较 长时问，应变积累量加大，热裂倾向性随之加大；反 之，如果某一合金成分下合金的固一液态区间较窄， 合金在脆性温度区间停留时间较短，应变积累量较 小，热裂倾向性则相对较小。常用铝合金牌号中具 有较高热裂倾向的成分范围分别是：灿一c u 合金 w ( c u ) = 2 o 一4 0 ；灿一m n 合金w ( m n ) = 1 5 一2 5 ；a l s i 合金w ( s i ) = o 5 一1 2 ； 甜一m g 合金w ( m g ) = o 5 一2 5 ；( a l z n 合 金w ( z n ) = 4 0 一5 0 。 避免铝合金产生焊接热裂纹的主要冶金措施如 下：在母材成分不可变的前提下，通过向填充金属中 万方数据 2 0 1 2 年第9 期宫博：铝及铝合金中常见的焊接裂纹及其防止措施 6 9 添加变质剂的方法调整焊缝金属成分。铝合金防治 焊接热裂纹产生的方法，在于控制适量的低熔点共 晶体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，少量低熔点共晶体的存在总是增 大结晶裂纹倾向。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【3 】。此外，合金中加入t i 、s c 、z r 、b 等微 量合金元素后能有效细化合金枝晶尺寸，打乱柱状 晶的方向性，破坏液态薄膜的连续性，从而降低合金 的热裂倾向。实际应用中常将不同微合金化元素进 行复合添加，如将s c 与z r 、t i 等元素复合添加能显 著改善铝合金的焊接性能，有效降低焊接热裂纹的 敏感系数。铝合金中的n a 、s i 、f e 等元素常常严重 影响合金的焊接性能。n a 常常以脆性薄膜的形式 存在于晶界；s i 、f e 能与a i 形成低熔点共晶物质，造 成沿晶开裂。使合金热裂倾向大大增加，冷弯角急 剧降低。实践表明，纯铝及非热处理强化的变形铝 合金中w ( f e ) 0 6 时一般是不易产生焊接裂纹 的。 除了控制焊缝金属成分之外，采取特殊的工艺 措施改变熔池结晶条件从而改善焊缝组织结构，是 从冶金角度防止焊接热裂纹产生的有效办法。这是 因为材料性能的好坏是由其结构决定的。焊缝及母 材近缝区金属晶粒粗大，柱状晶方向性较强，则易于 产生结晶裂纹和液化裂纹；焊缝及母材近缝区金属 晶粒细小，柱状晶方向性较差，则不易产生结晶裂纹 和液化裂纹。而材料结构是由其加工工艺决定的。 如增大焊接电流，降低焊接速度，可有效减小焊接应 变率，防止结晶裂纹的产生，但此举也会加大近缝区 液化裂纹产生的概率。近些年研发的交流低频脉冲 1 r i g 焊、焊缝两侧加热中间激冷的工艺，也可获得特 殊焊缝结晶方向、细化焊缝组织从而改善焊缝抗裂 能力【4 】。除此之外，磁控电弧振荡、磁控电弧横向 摆动、高频电弧振荡等工艺方法可有效细化晶粒，增 加裂纹扩展阻力。，1 1 g 焊焊接接头微观组织形貌如 图2 所示。其中l 一等轴树枝状晶区，2 一柱状晶 区，3 一细等轴晶区，4 一热影响区。 然而利用冶金因素防止热裂纹也有其不利作 用。例如，冶金措施对防止近缝区液化裂纹很难奏 效，甚至还会在一定程度上增大近缝区产生液化裂 纹的倾向【5 6 ；采用异质焊丝会降低接头的强度和 塑性指标等。 2 2 工艺因素 焊接工艺参数影响结晶过程的不平衡性，晶体 的组织状态和凝固过程中的应变增长速度，从而影 响焊接结构的热裂倾向；采用小电流，慢焊速，降低 熔池过热，有利于改善抗裂性；集中焊接热量，可在 热输入一定的条件下加快焊接过程，打乱柱状晶方 向性，也可以改善抗裂性；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。焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，从而避免 弧坑裂纹。 ll23l4 围4 1 1 g 焊焊接接头微观组织形貌 拘束度是产生焊接裂纹的必要条件。若材料的 热裂敏感程度较大，但拘束度较小，则焊后可能不产 生焊接裂纹；若材料的热裂敏感程度较小，但拘束度 较大，则焊后亦可能产生焊接裂纹。在铝合金结构 装配、焊接时避免焊缝承受大的拘束度，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；选择合 理的装配焊接顺序，以便降低结构的拘束度，例如在 焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，以 便其自由收缩，再焊直通的长焊缝，以防止在焊缝交 接处产生裂纹。此外，反应变法是通过施加与引起 拘束度的应变方向相反的应变，即采取适当的措施 使处于脆性温度区间的焊缝或热影响区金属承受压 缩应变，以抵消焊接凝固过程中热收缩及外部应力 造成的致裂拉伸应变。 成形系数也是影响焊接热裂倾向的主要工艺因 素。成形系数即焊缝宽度与焊缝的实际厚度之比可 影响焊缝金属产生结晶裂纹的倾向。成形系数较小 时，最后凝固的枝晶交汇生长面因枝晶相向生长而 析出较多的杂质，易于产生结晶裂纹。成形系数较 大时，焊缝截面较薄，易于产生结晶裂纹。因此，选 择合理的坡口形式对防止焊接热裂纹的产生十分重 万方数据 7 0 轻金属2 0 1 2 年第9 期 要。 3结论 焊缝或热影响区金属在脆性温度区间内承受的 拉伸应变大于此时金属所具有的伸长率时，焊缝金 属就会产生热裂纹。热裂纹可以从冶金因素和工艺 因素两方面加以避免。焊接裂纹易于导致严重的应 力集中，造成焊接结构在较低的应力作用下即发生 断裂，是非常严重的焊接缺陷。因此焊接裂纹一经 发现，必须予以彻底清除并进行补焊处理。 参考文献： 1 b a n gks ，鼬mwy ，e s t i m a t i a n dp r e d i c t i o no fh a z8 曲e n i n gi n 征订启事 t l l e m 蛐e c h a n i c a l l y n h d l l e dm i l e d 明da c c e l 饿t e d c i e d8 t l j ，硼枷i “gj o u m a l ，2 0 0 2 。8 l ( 8 ) ：1 7 4 一1 7 9 2 h u n t i n g t ca ，e n 弘r t w 。【姗w e l d i n g0 f a l u m i n u m 肌d a l u 畸一 n u ma n o y 8 j w e l d i n gj o u m a l ，1 9 8 3 ，7 6 ( 4 ) ：1 0 5 一1 0 7 3 周振丰，张文钺焊接冶金与金属焊接性 m ，第2 版，北京，机 械工业出版社2 0 0 7 4 张修智，等高强铝合金( l y l 2 c z ) 焊接性的研究 j 焊接 1 9 8 1 ，9 ( 4 ) ：1 7 c 5 凌泽民含稀土钇的l y l 2 c z 焊接接头热裂纹和应力腐蚀开裂性 能 d 哈尔滨。哈尔滨工业大学硕士论文，1 9 8 8 ( 6 g i t t o s nf ，s c o t tmh ，h e a t a 岱e c t e dz o n eo f a i m g s ia u o y 8 。 j w e l d i n gj o m a l ，1 9 8 l ，6 0 ( 6 )