魏兆中

(開(kāi)封大學(xué)，河南 開(kāi)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(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，尤其是在空氣分離設(shè)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(dǎo)熱系數(shù)大(約為鋼的4 倍)、冷卻速度快，焊接熔池的一次結(jié)晶速度也快。 另外，其線(xiàn)膨脹系數(shù)大（為鋼的2倍），凝固時(shí)的體積收縮率為6.5%左右， 易產(chǎn)生焊接變形。 所以，鋁合金焊縫的內(nèi)應(yīng)力及焊接接頭剛性拘束力都比較大，若相對(duì)應(yīng)力過(guò)大，復(fù)雜的受力狀態(tài)會(huì)使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

鋁合金材料的這些特點(diǎn)以及空分設(shè)備生產(chǎn)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(jī)理和焊接工藝的角度分析鋁合金焊接裂紋產(chǎn)生的原因，并提出防止措施。

1 鋁合金焊接裂紋的種類(lèi)及產(chǎn)生機(jī)理

在鋁合金焊接過(guò)程中，由于材料的種類(lèi)、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)不同，焊接接頭中可能出現(xiàn)各種裂紋。 裂紋可使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的突然破壞。 因此，焊縫中是絕對(duì)不允許存在裂紋的。

1.1 鋁合金焊接裂紋的種類(lèi)

裂紋的形態(tài)和分布特征都很復(fù)雜。 根據(jù)裂紋產(chǎn)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(shí)）。（2）熱影響區(qū)的裂紋。 包括焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線(xiàn)附近的顯微熱裂紋。

如果按裂紋產(chǎn)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(jiàn)的是焊接熱裂紋。

1.2 熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

為了準(zhǔn)確研究鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，將其焊接熔池的結(jié)晶過(guò)程分為3 個(gè)階段[3]。

（1） 液固階段。 焊接熔池在高溫冷卻開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，只有很少數(shù)量的晶核存在。 隨著溫度的降低和冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，晶核逐漸長(zhǎng)大，并出現(xiàn)新的晶核。但是，在這個(gè)過(guò)程中，液相始終占有較多的份額，且相鄰晶粒之間不接觸，對(duì)還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動(dòng)沒(méi)有阻礙。 在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，被拉開(kāi)的縫隙也能及時(shí)地被流動(dòng)著的液態(tài)金屬所填滿(mǎn)。 因此，在液固階段基本不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

（2）固液階段。 在焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，熔池中固相不斷增多、 先前結(jié)晶的晶核不斷長(zhǎng)大，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時(shí)，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體就會(huì)相互發(fā)生接觸，并且不斷傾軋?jiān)谝黄?。這時(shí)候，液態(tài)鋁合金的流動(dòng)受到阻礙，也就是說(shuō)，熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。 此時(shí)，由于液態(tài)鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強(qiáng)烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則很難流動(dòng)，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無(wú)法填充。 這時(shí)，只要稍有拉伸應(yīng)力的存在，就有產(chǎn)生裂紋的可能性。 因此，這個(gè)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(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性， 在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對(duì)較小。一般情況下，雜質(zhì)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(yīng)力在這個(gè)區(qū)間作用的時(shí)間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小。 因此，焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋傾向較小。 如果焊縫中雜質(zhì)比較多，則脆性溫度區(qū)間范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間的作用時(shí)間就比較長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋的可能性也較大。

2 鋁合金焊接熱裂紋的預(yù)防措施

根據(jù)鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)理，可以從冶金因素和工藝因素兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。 以降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的概率。

2.1 改變金屬結(jié)構(gòu)

在冶金因素方面，為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生晶間熱裂紋，可以調(diào)整焊縫合金結(jié)構(gòu)，或向鋁合金中添加變質(zhì)劑。如，將Ti、Zr、V 和B 等微量元素作為變質(zhì)劑加入到金屬中，通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)改善焊縫的塑性、韌性，達(dá)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(yīng)從焊接應(yīng)力上著手解決焊接裂紋問(wèn)題。 可通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 調(diào)整焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)影響凝固過(guò)程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過(guò)程中的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。 熱量集中的焊接方法，有利于快速完成焊接過(guò)程，可防止形成方向性強(qiáng)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(guò)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(yīng)變速度，從而增大熱裂的傾向。

2.2.2 分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度

在鋁合金結(jié)構(gòu)裝配、施焊時(shí)，為了不使焊縫承受很大的剛性，在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施。 通過(guò)預(yù)熱，可以使試件相對(duì)膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力概率相應(yīng)降低，從而減小在脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力。 可盡量采用開(kāi)坡口和留小間隙的對(duì)接焊，并避免采用十字形接頭及不適當(dāng)?shù)亩ㄎ弧⒑附禹樞颉?焊接結(jié)束或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)填滿(mǎn)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(duì)于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當(dāng)重要。 因?yàn)椴牧蠆A雜在焊縫中將成為裂紋產(chǎn)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(yù)防焊接變形的措施

鋁合金凝固時(shí)的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。

2.2.5 預(yù)熱

預(yù)熱可減小焊接應(yīng)力，避免裂紋，且有利于防止氣孔的產(chǎn)生。 對(duì)于薄板及小的焊件，一般可不預(yù)熱，對(duì)于母材厚度大于或等于5 mm 的焊接接頭，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。 預(yù)熱溫度為100～300℃，預(yù)熱范圍一般為焊縫兩側(cè)各100～150 mm。

2.2.6 錘擊分布應(yīng)力

對(duì)高強(qiáng)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(yīng)力分布，大幅度減少裂紋出現(xiàn)的概率。

3 結(jié)語(yǔ)

由于鋁合金材料本身的特點(diǎn)，在復(fù)雜的受力狀態(tài)下，會(huì)使焊縫產(chǎn)生熱裂紋。 這些裂紋會(huì)使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的突然破壞。 通過(guò)采取冶金或工藝方面的單項(xiàng)措施或多項(xiàng)組合措施，可以很好地預(yù)防鋁合金焊接過(guò)程出現(xiàn)裂紋，提高鋁合金焊接接頭的質(zhì)量，保證鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的性能。

[1] 劉靜安，謝水生. 鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開(kāi)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(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機(jī)理分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2007（1）：116-117.

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