張紅霞，劉曉晴，閆志峰，王文先，李永蓮

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

近年來，鋁、鎂等輕質(zhì)合金由于其節(jié)約能源、減少廢氣排放等特點，在海事用途（如船舶）、汽車、飛機[1，2］、地鐵輕軌及需嚴(yán)格防火的壓力容器等得到了廣泛應(yīng)用[3］。5A06鋁合金為 Al－Mg系防銹鋁，具有較高的強度、腐蝕穩(wěn)定性和良好的焊接性等特點[4，5］，是防銹鋁合金中的典型合金。用其代替鋼鐵材料，可顯著減輕構(gòu)件的質(zhì)量。

鋁合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)品往往需要通過焊接加工成形，5A06鋁合金的焊接特點主要為：與氧的親和力大，焊接時生成一層難熔的氧化鋁膜；線膨脹系數(shù)較大，易產(chǎn)生焊接變形；易造成氧化，產(chǎn)生氣孔、熱裂紋和接頭不等強等問題[6］，這些問題的存在對結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品的安全性造成影響，一旦發(fā)生破壞事故，往往給人們的生命財產(chǎn)帶來災(zāi)難性的損失。

國內(nèi)相關(guān)研究者對鋁合金的焊接性能[7］、鋁合金疲勞斷口及疲勞斷裂行為[8－10］等進(jìn)行了分析研究。研究發(fā)現(xiàn)采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，鋁合金焊接接頭的性能可以滿足使用要求[11］，但使用一段時間后由于力、介質(zhì)的作用會使結(jié)構(gòu)失效。本工作針對5A06防銹鋁合金某產(chǎn)品焊接后使用一段時間出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行分析，并對材料及焊接接頭的組織、裂紋擴展特征以及斷口等進(jìn)行分析，找出裂紋產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)防止裂紋產(chǎn)生的措施。

1 實驗材料及焊接工藝

為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，將產(chǎn)生裂紋的局部產(chǎn)品取樣后進(jìn)行分析。

1.1 實驗材料

產(chǎn)品材料為5A06防銹鋁合金，其化學(xué)成分[12］見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical compositions of 5A06aluminum alloy（mass fraction／%）

表2 5A06鋁合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of 5A06aluminum alloy

1.2 焊接工藝

取樣的結(jié)構(gòu)由殼體和支柱通過焊接連接而成，焊縫結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。殼體材料為軋制成型的鋁合金板，經(jīng)過卷圓成型；支柱材料經(jīng)熱擠壓成型后機械加工而成。

圖1 試件裝配、焊接及裂紋存在部位示意圖Fig.1 Schematic diagram of assemble，welding and crack existence position

殼體與支柱通過焊接連接在一起，其中包括兩條焊縫：如圖1中的外部焊縫和內(nèi)部焊縫，兩焊縫均采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊接工藝為：外部焊縫開坡口后焊接，坡口角度35°，鈍邊1～2mm，將支柱裝配到殼體對應(yīng)孔上，點焊固定。用手工鎢極氬弧焊打底，然后采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊接電流150～160A，電弧電壓12～15V。焊縫余高3mm，焊后采用機械加工的方法去除余高并磨平。內(nèi)部焊縫不開坡口，焊接電流140～150A，電弧電壓12～15V。由于結(jié)構(gòu)的影響，內(nèi)部焊縫采取斷續(xù)焊接，焊后也不做清理。焊后產(chǎn)品整體進(jìn)行200℃退火處理。

由于殼體為圓筒狀，與其配合的支柱面也加工成圓弧面，從而保證殼體和支柱配合較好。

2 結(jié)果分析

2.1 組織分析

2.1.1 殼體組織

對殼體材料的橫截面和軋制面進(jìn)行了組織分析，分析結(jié)果見圖2。圖2中可見殼體組織較細(xì)小，晶粒大小不很均勻，平均晶粒尺寸為5～20μm，并且材料中存在一些夾雜物。

2.1.2 支柱組織

支柱金相照片如圖3所示，圖3中可見支柱組織取向嚴(yán)重，沿擠壓方向存在粗大的帶狀組織。

2.1.3 焊縫組織分析

對外部焊縫進(jìn)行宏觀觀察，焊縫宏觀照片如圖4所示。圖4（a）為外部焊縫的整體形貌，圖4（b）為焊縫熔合區(qū)金相照片，圖4（c）為焊縫組織照片，由圖可以發(fā)現(xiàn)焊縫組織細(xì)小，較為均勻，熱影響區(qū)組織較粗大，但組織比較均勻。

圖4 試件焊縫金相照片 （a）焊縫全貌；（b）熔合區(qū)金相照片；（c）焊縫金相照片F(xiàn)ig.4 Microstructure of welded joint （a）the whole weld；（b）fusion zone；（c）weld center

2.2 裂紋分析

產(chǎn)品運行一段時間后，在外部焊縫附近出現(xiàn)兩處裂紋，圖1中所示為產(chǎn)生裂紋的部位示意圖。裂紋1為橫貫焊縫的長裂紋，裂紋2較短，其長度為從內(nèi)孔邊緣到達(dá)焊縫處。

2.2.1 宏觀裂紋分析

對圖1中右側(cè)的裂紋2進(jìn)行分析，裂紋的宏觀擴展特征如圖5所示。由圖中可以發(fā)現(xiàn)支柱材料中心孔徑缺陷處為裂紋源，裂紋擴展方向為由裂紋源向殼體方向發(fā)展，由圖中還可以發(fā)現(xiàn)裂紋呈斷續(xù)擴展，沿材料中的缺陷部位擴展，斷續(xù)裂紋以二次裂紋為起裂點然后擴展。

圖5 裂紋擴展方向Fig.5 Macro－crack propagation direction

2.2.2 微觀裂紋分析

對裂紋的擴展特征進(jìn)行微觀分析，其結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）為裂紋源，裂紋產(chǎn)生于支柱內(nèi)部邊緣缺陷處，在裂紋源處受到力的作用后開始擴展，裂紋沿晶界薄弱環(huán)節(jié)處向前擴展。

圖6（b）～（d）為裂紋沿晶擴展照片，可以看出裂紋均為沿晶擴展特征，由此可以發(fā)現(xiàn)材料的晶界為薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)裂源產(chǎn)生后，在應(yīng)力的作用下，裂紋易沿晶界向前擴展。圖6（e）可以發(fā)現(xiàn)母材晶界存在析出相，由以上分析可知晶界為材料的薄弱環(huán)節(jié)，再加上析出相的存在為裂紋擴展提供了有利條件；圖6（f）可以發(fā)現(xiàn)材料中存在缺陷，在試件受到力的作用后，由于缺陷的存在，裂紋會在缺陷處產(chǎn)生并沿著晶界及缺陷的部位進(jìn)行擴展。

由以上分析可知，裂紋起源于殼體材料中的缺陷處，然后在支柱材料中沿柱狀組織的晶界擴展，裂紋擴展以沿晶特征為主。材料中的缺陷對裂紋的產(chǎn)生和擴展起到幫助作用。

2.3 斷口分析

2.3.1 宏觀斷口分析

將試件沿裂紋1人為拉斷，斷口宏觀照片如圖7。

圖7（a）中可見截面中大部分已斷裂，殼體裂紋已通過外部焊縫，支柱裂紋已擴展至下部邊緣。支柱斷口存在大量的二次裂紋，見圖7（b）?；野禂嗫诓课粸閷嶒灂r已斷裂部位，較亮斷口為人為斷口。圖中可見支柱斷口中存在粗大的纖維狀，斷口粗糙，取向明顯。殼體斷口較細(xì)，焊縫及熱影響區(qū)斷口也均勻細(xì)致。

2.3.2 微觀斷口分析

采用LEO－438VP掃描電子顯微鏡對微觀斷口進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 斷口微觀照片 （a）殼體斷口；（b）圖8（a）放大；（c）支柱斷口；（d）圖8（c）放大；（e）人為斷口照片；（f）圖8（e）放大Fig.8 Micro－fracture photo （a）shell fracture；（b）partially enlarged for fig.8（a）；（c）pillar fracture；（d）partially enlarged for fig.8（c）；（e）artificial fracture；（f）partially enlarged for fig.8（e）

圖8（a），（b）為殼體斷口微觀形貌，對其放大3000倍后發(fā)現(xiàn)，晶間存在大量的微觀裂紋，結(jié)合強度較低，斷面有腐蝕現(xiàn)象存在，這為裂紋的產(chǎn)生及擴展提供了有利條件。圖8（c），（d）為支柱的微觀斷口形貌，由圖中可見支柱斷口為粗糙的柱狀斷口，存在二次裂紋，對其放大到200倍后，發(fā)現(xiàn)有介質(zhì)腐蝕的腐蝕坑存在。圖8（e），（f）為人為斷口的微觀形貌，斷口中以韌性斷裂為主，存在大量的撕裂韌窩，放大2000倍后發(fā)現(xiàn)晶界結(jié)合較好。

由宏觀和微觀斷口分析可知，裂紋啟裂于支柱內(nèi)孔邊緣夾雜物處，并沿徑向擴展，粗大的支柱材料組織，晶間結(jié)合強度較低，為裂紋擴展提供了條件。介質(zhì)的存在（海水）可能造成應(yīng)力腐蝕。

3 裂紋產(chǎn)生原因

結(jié)合產(chǎn)品的特征以及以上實驗結(jié)果，裂紋的產(chǎn)生主要是由于以下方面的原因造成。

3.1 材料組織的原因

對試件組織分析結(jié)果可知，殼體材料中存在缺陷，其存在為裂紋產(chǎn)生和擴展提供了前提；支柱組織取向嚴(yán)重，組織中存在大量的帶狀組織為裂紋擴展創(chuàng)造了條件。

3.2 應(yīng)力集中

本產(chǎn)品中支柱所處部位特征決定了內(nèi)部焊縫只能斷續(xù)焊接，焊縫部位存在應(yīng)力集中。由本產(chǎn)品的焊縫位置來看，裂紋均起源于焊縫端部，產(chǎn)生微裂紋后，在應(yīng)力集中的作用下，引起裂紋的擴展。

本產(chǎn)品中支柱面加工成圓弧面與殼體的圓弧面相配合，但裝配過程中，支柱圓弧面與殼體的圓弧面配合出現(xiàn)偏差，致使兩部件配合間隙不均勻。造成兩試件間距有較大的偏差，焊后產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

3.3 焊接殘余應(yīng)力

支柱與殼體焊接后，產(chǎn)品整體進(jìn)行了200℃的退火處理，查閱相關(guān)資料[13，14］，5A06鋁合金焊后進(jìn)行退火的溫度，在280～335℃進(jìn)行完全退火，可以消除殘余應(yīng)力。因此，在300℃左右對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行退火處理，能夠使其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力得到充分釋放，并且不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過度軟化，退火處理后，有效保證了結(jié)構(gòu)件的綜合性能。因此，試件在焊接后進(jìn)行的整體退火溫度偏低未使焊接殘余應(yīng)力徹底釋放也會引起裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

（1）試件材料組織粗大，加工成型前應(yīng)對材料進(jìn)行晶粒細(xì)化處理，消除粗大及具有取向特征的組織。

（2）焊后進(jìn)行整體回火處理的溫度應(yīng)適當(dāng)提高，將目前的退火溫度200℃提高到300℃左右，以細(xì)化支柱及殼體的組織，并且可以消除焊后殘余應(yīng)力。

（3）裂紋起源于外部焊縫附近夾雜物處，以沿晶的特征向前擴展。材料中存在的夾雜物及析出相使得裂紋沿夾雜物處擴展。

（4）由于內(nèi)部環(huán)焊縫未完全焊接，造成試件各部分焊后變形受力不均勻造成殘余應(yīng)力，應(yīng)盡量保證環(huán)焊縫完全焊接。

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