李 紅，閆維嘉，張 禹*，杜文博，栗卓新，MARIUSZ Bober，SENKARA Jacek

(1 北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部 輕合金材料與加工研究所，北京 100124； 2 華沙理工大學(xué)，華沙 02524)

鋁、鎂、鈦、高溫合金以及先進(jìn)高強(qiáng)鋼等具有高比強(qiáng)度和比剛度等顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。固溶-時(shí)效是調(diào)控上述合金材料力學(xué)性能的主要熱處理技術(shù)路線，因此母材往往含有較高水平的合金元素含量以保證析出足量的沉淀相。合金元素含量較高的材料在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)時(shí)，溶質(zhì)極易在凝固冷卻階段產(chǎn)生偏析。此外，母材晶界也容易產(chǎn)生部分熔化現(xiàn)象(晶界存在低熔點(diǎn)共晶相)。在這一前提下，焊接接頭在熱應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生熱裂紋(包含凝固裂紋和液化裂紋)。除鈦合金外(熔池糊狀凝固特征不顯著，熱裂紋敏感性較低，主要焊接問(wèn)題在于易產(chǎn)生冷裂紋[1])，鋁、鎂、鋼和高溫合金焊接過(guò)程都易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋的產(chǎn)生破壞了結(jié)構(gòu)完整性，制約新型材料在航空航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。研究焊接熱裂紋的形成機(jī)理和抑制方法對(duì)航空材料發(fā)展有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱裂紋的形成機(jī)理、熱裂紋敏感性判據(jù)(hot cracking sensitivity, HCS)的建立和裂紋抑制方法開展了大量研究。

本文總結(jié)了焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理及判據(jù)，綜述了高強(qiáng)鋁合金、鎂合金、先進(jìn)高強(qiáng)鋼和高溫合金這四種典型航空結(jié)構(gòu)材料焊接熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理和控制方法研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，并展望焊接熱裂紋研究的未來(lái)發(fā)展方向，為航空材料焊接領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)文獻(xiàn)支撐。焊接熱裂紋破壞了結(jié)構(gòu)的完整性、可靠性及安全性，是制約新型輕量化材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。新一代飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化的需求度進(jìn)一步提高，亟待新型合金材料落地應(yīng)用。因此，針對(duì)焊接熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理及其抑制方法開展研究，對(duì)推進(jìn)新一代航空航天用材料的工程應(yīng)用具有重要的意義。

1 焊接熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理及判據(jù)

1.1 焊接熱裂紋機(jī)理

焊接熱裂紋是一種金屬在熔化焊過(guò)程中，受結(jié)晶、局部液化以及母材失塑等因素影響而產(chǎn)生的接頭開裂現(xiàn)象，包括凝固裂紋和液化裂紋。其中，凝固裂紋表現(xiàn)為發(fā)生在焊縫內(nèi)部區(qū)域的裂紋，而液化裂紋為發(fā)生在熔池與部分熔化區(qū)交界處的裂紋。熔化焊熱裂紋的產(chǎn)生與被焊材料的成分位于敏感區(qū)間、焊接溫度場(chǎng)與熱循環(huán)以及焊接熱應(yīng)力等因素密切相關(guān)。

對(duì)于合金元素含量較高的金屬材料，熔池尾部冷凝區(qū)會(huì)出現(xiàn)糊狀凝固區(qū)，在熱應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋(如圖1所示[2])。Novikov[3]的研究表明，凝固過(guò)程中的裂紋是糊狀凝固區(qū)收縮受到拘束引起的。Kou[4]提出了凝固裂紋的敏感性判據(jù)：相鄰兩個(gè)晶粒之間的拉伸變形量超過(guò)晶界區(qū)域的液體填充量和兩個(gè)晶粒相對(duì)生長(zhǎng)量之和時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖1所示[2]。根據(jù)Hagen-Poiseuille定律，由于液體的黏性引起流動(dòng)阻力，液體通過(guò)枝晶間通道的體積流量隨著通道長(zhǎng)度的增加而減小。隨著凝固的進(jìn)行，液相逐漸轉(zhuǎn)化為固相并收縮，殘余的液相越來(lái)越難以通過(guò)晶間通道補(bǔ)充空隙。當(dāng)殘余的液相無(wú)法及時(shí)填充空隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋。

圖1 凝固裂紋的產(chǎn)生機(jī)理[2](a)熔池附近的組織示意圖；(b)焊縫冷凝區(qū)的局部放大圖；(c)相鄰晶粒生長(zhǎng)的解析模型；(d)凝固裂紋敏感性判據(jù)示意圖Fig.1 Mechanism of the solidification cracking[2](a)schematic of the weld pool and its surroundings;(b)magnification of the welding pool’s cooling area;(c)analytical model of adjacent grains growth;(d)criterion of solidification cracking sensitivity

液化裂紋一般發(fā)生在熔池與部分熔化區(qū)交界處，或產(chǎn)生在部分熔化區(qū)及熱影響區(qū)內(nèi)部微觀組織的晶界處。根據(jù)Yuan等[5]的研究，部分熔化區(qū)內(nèi)晶界處的低熔共晶相在焊接熱循環(huán)的作用下發(fā)生熔化，導(dǎo)致該區(qū)域的塑性和強(qiáng)度大幅下降。在熱應(yīng)力作用下，熔池與部分熔化區(qū)的交界處產(chǎn)生沿晶開裂形成液化裂紋，Kou建立了液化裂紋敏感性判據(jù)模型，以焊接時(shí)部分熔化區(qū)和熔池凝固組織的固相百分?jǐn)?shù)的差值作為判據(jù)。當(dāng)熔池凝固組織的固相百分?jǐn)?shù)高于相鄰部分熔化區(qū)的固相百分?jǐn)?shù)時(shí)，部分熔化區(qū)受牽拉開裂，導(dǎo)致液化裂紋產(chǎn)生(如圖2所示)[5]。

圖2 液化裂紋產(chǎn)生機(jī)理[5](a)合金相圖；(b)熔池及周圍的組織示意圖；(c)局部放大(產(chǎn)生液化裂紋的情況)；(d)局部放大(不產(chǎn)生液化裂紋的情況)Fig.2 Mechanism of the liquation cracking[5](a)phase diagram;(b)schematic of the microstructure around weld pool;(c)magnification (cracking likely);(d)magnification (cracking unlikely)

熱應(yīng)力是導(dǎo)致工件在鑄造或焊接中開裂的重要因素之一。測(cè)量焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率演化數(shù)據(jù)有助于焊接熱裂紋的定量分析。Quiroz等[6]利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，通過(guò)受控拉伸焊接性測(cè)試(controlled tensile weldability test)，測(cè)量了堆焊試樣底部的應(yīng)變分布。Bakir等[7-8]利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)凝固裂紋形成過(guò)程中，熔池尾部冷凝區(qū)的應(yīng)變進(jìn)行了全場(chǎng)測(cè)量。Matsuda等[9-10]提出一種適用于確定凝固裂紋局部臨界應(yīng)變條件的原位觀察測(cè)量技術(shù)，采用高速攝像機(jī)和光學(xué)放大鏡相結(jié)合的方法記錄熱裂紋的形成過(guò)程。

1.2 焊接熱裂紋判據(jù)

建立預(yù)測(cè)熱裂紋產(chǎn)生概率的量化評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即裂紋敏感性判據(jù)，有助于深入研究裂紋產(chǎn)生機(jī)理并提出有效抑制裂紋產(chǎn)生的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了幾種熱裂紋判據(jù)模型，包括基于應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率的力學(xué)模型和基于凝固行為的非力學(xué)模型。力學(xué)模型主要使用半固態(tài)金屬的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率等力學(xué)行為參數(shù)描述。非力學(xué)模型通常使用敏感溫度范圍、相圖以及熱循環(huán)曲線等參數(shù)描述?；趹?yīng)力的模型假定當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)半固態(tài)微區(qū)的應(yīng)力極限的強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)a(chǎn)生裂紋；基于應(yīng)變的模型認(rèn)為，當(dāng)拉伸應(yīng)變足以打破晶界液體薄膜時(shí)，對(duì)應(yīng)的半固態(tài)微區(qū)就會(huì)開裂。量化裂紋敏感性判據(jù)一般以對(duì)應(yīng)金屬材料的臨界應(yīng)變和應(yīng)變速率作為可焊性的指標(biāo)，數(shù)值越高，表明對(duì)應(yīng)母材的抗開裂性能越好。在凝固過(guò)程中，應(yīng)變速率參量對(duì)熱裂紋敏感性的影響程度顯著高于應(yīng)變參量。

表1[3-4,11-18]列出了包括應(yīng)力準(zhǔn)則、應(yīng)變準(zhǔn)則、應(yīng)變速率準(zhǔn)則和非力學(xué)準(zhǔn)則的幾類熱裂紋判據(jù)，體現(xiàn)出了熱裂紋的研究從20世紀(jì)60年代到現(xiàn)今的深入發(fā)展過(guò)程。

表1 熱裂紋判據(jù)Table 1 Criterion of hot cracking

Continued Table 1

Continued Table 1

Eskin等[19]提出基于應(yīng)力的解析模型，用于定量分析熱應(yīng)力與裂紋敏感性的關(guān)系。Rappaz等[16]提出了著名的RDG模型，其量化指標(biāo)的建立考慮了枝晶的生長(zhǎng)效應(yīng)、橫向的單軸拉伸變形和枝晶間隙的液相補(bǔ)充效應(yīng)，RDG模型也表明應(yīng)變速率與熱裂紋的形成有直接聯(lián)系[20]。Matsuda等[21]、Cross和Coniglio[22]采用RDG模型針對(duì)鋁合金電弧焊開展研究，提出了基于孔隙率的裂紋萌生模型，建立了裂紋擴(kuò)展速率與局部應(yīng)變速率的關(guān)系。研究表明，焊接過(guò)程中凝固前沿附近應(yīng)變和應(yīng)變速率高于臨界值是導(dǎo)致凝固開裂的誘因。Prokhorov[15]認(rèn)為溫度下降的應(yīng)變速率超過(guò)某一臨界值即可發(fā)生開裂。Prokhorov理論認(rèn)為，在固相線與液相線之間的“脆性溫度區(qū)間”(brittle temperature range, BTR)中，應(yīng)變超過(guò)臨界應(yīng)變會(huì)誘發(fā)凝固裂紋[15]。在脆性溫度區(qū)間內(nèi)材料延展性明顯降低。通過(guò)對(duì)比臨界應(yīng)變和臨界應(yīng)變速率可知，當(dāng)應(yīng)變速率(曲線的斜率)高于極限應(yīng)變速率會(huì)引發(fā)開裂。Feurer[17]模型主要關(guān)注收縮糊狀區(qū)域的液相填充效應(yīng)，以經(jīng)驗(yàn)公式為形式建立量化指標(biāo)，如果體積收縮超過(guò)體積填充則會(huì)發(fā)生開裂。Nasresfahani和Niroumand[23]將Feurer模型修正為另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，其中包含鑄造過(guò)程中測(cè)量的單軸收縮應(yīng)力。應(yīng)變速率對(duì)熱裂紋萌生和擴(kuò)展起著相對(duì)直接的作用[19]，以臨界應(yīng)變和應(yīng)變速率作為可焊性的指標(biāo)，數(shù)值越高表明其抗凝固開裂性能越好。

2 高強(qiáng)鋁合金焊接熱裂紋研究進(jìn)展

鋁合金具有高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而高強(qiáng)鋁合金的可焊性差，尤其是熱裂紋敏感性較高制約了其推廣應(yīng)用。熱處理強(qiáng)化型2XXX鋁合金和7XXX鋁合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多的鋁合金，溶質(zhì)元素含量較高，結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，因此糊狀凝固特征顯著。此外，鋁的熱膨脹系數(shù)高，約為鋼的兩倍，在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力。上述特征造成此類鋁合金在焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋。

2.1 鋁合金熱裂紋機(jī)理研究

鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)高，在凝固時(shí)溫度梯度與結(jié)晶速度的變化會(huì)影響結(jié)晶形態(tài)，進(jìn)而影響熱裂紋敏感性。Chen等[24]提出了一種相場(chǎng)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)耦合的二維集成模型，用于預(yù)測(cè)Al-3.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Li合金熱裂紋敏感性。該模型可以計(jì)算不同取向的柱狀晶、不同晶粒尺寸的等軸晶和柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，用于裂紋敏感性分析。與Kou提出的解析模型[3]相比，數(shù)值模型研究凝固時(shí)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition, CET)效應(yīng)對(duì)熱裂紋敏感性的影響。該模型預(yù)測(cè)了等軸晶和CET過(guò)程中凝固固相比例的變化，以及不同固相比例時(shí)液體壓力降(壓力降表示液體通過(guò)枝晶間通道的阻力)，如圖3所示[24]。從圖3(a)可以看出，由于初始柱狀晶的存在，受CET效應(yīng)影響的凝固過(guò)程前期的固相分?jǐn)?shù)高于純等軸晶凝固過(guò)程的固相分?jǐn)?shù)。圖3(b)體現(xiàn)了CET過(guò)程中液體壓力降隨時(shí)間的變化規(guī)律。在CET區(qū)間內(nèi)，壓力降增速變快，抑制了液相向枝晶間通道流入。

圖3 不同凝固路徑下的壓力降分布[24](a)CET效應(yīng)對(duì)凝固路徑的影響；(b)不同固相分?jǐn)?shù)條件下枝晶間壓力降的分布Fig.3 Solidification process simulation and the pressure distribution with different solid fraction and solidification path[24](a)effect of the CET on the solidification path;(b)distribution of the inter-dendritic pressure drop under different solid fractions

2.2 合金成分對(duì)鋁合金熱裂紋敏感性的影響研究

鋁鋰合金比傳統(tǒng)鋁合金密度更低，彈性模量更高，可滿足航空航天對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化的需求。鋁鋰合金具有較高的熱膨脹系數(shù)，并且在熔焊過(guò)程中容易產(chǎn)生偏析。鋁鋰合金晶界處的液膜凝固點(diǎn)較低，如果在晶界處施加足夠的應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致晶界分離，形成裂紋。鋁鋰合金激光焊的熱裂紋既有發(fā)生在焊縫區(qū)的凝固裂紋，也有發(fā)生在焊縫與部分熔化區(qū)交界處的液化裂紋[25]。對(duì)于Al-Li二元合金，鋰元素可以擴(kuò)大鋁液的脆性溫度區(qū)間，提高母材熱膨脹系數(shù)并且降低鋁液的表面張力。隨著基體Li含量的增加，熱裂紋敏感性會(huì)增加。低熔點(diǎn)共晶的總含量在評(píng)估鋁鋰合金熱裂紋敏感性方面起著重要作用[26]。

Scheil方程通常用于計(jì)算特定成分的鋁合金在凝固時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)致開裂的共晶液相比例。以富Mg的Al-Mg-Li合金1420和1424為例，此類Al-Li合金對(duì)凝固裂紋不敏感。相比之下，其他高強(qiáng)度Al-Li-Cu和Al-Li-Cu-Mg合金如8090，2091，1440和1441合金對(duì)凝固裂紋更為敏感，這與Mg與Cu元素對(duì)凝固枝晶生長(zhǎng)的影響差異相關(guān)[27-28]。Weldlite系列Al-Cu-Li合金是一種焊接性較好的Al-Li合金，主要原因?yàn)樵撓盗泻辖鹫{(diào)控了合適的Cu/Li比例，避開了裂紋敏感區(qū)間。此外，采用合適的填充金屬可以有效避免熱裂紋產(chǎn)生。在熔池凝固的最后階段，通常使用含有豐富合金元素如Cu，Mg或Si的填充金屬，來(lái)產(chǎn)生足夠多的剩余液相用于裂紋愈合[29]。Jan等[30]研究了焊絲合金成分對(duì)CO2激光焊接凝固裂紋敏感性影響，使用了Al-Si，Al-Mg和Al-Cu三種合金焊絲焊接2195合金。結(jié)果表明，含有豐富Si元素的焊絲能有效降低液化裂紋的敏感性。Montero等[31]在7075粉末中加入4%的純硅，通過(guò)改變凝固組織的微觀結(jié)構(gòu)，完全避免了激光焊過(guò)程中熱裂紋的產(chǎn)生。

2.3 降低鋁合金熱裂紋敏感性的工藝措施研究

晶粒細(xì)化導(dǎo)致的晶界體積比的增加使偏析元素的峰值濃度降低，并且起到緩解熱應(yīng)力的作用，從而降低了開裂傾向。此外，細(xì)化的晶粒尺寸可以促進(jìn)枝晶間的液相填充效應(yīng)，調(diào)節(jié)快速凝固過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變，從而有效地避免了熱裂紋產(chǎn)生[32-33]。因此，細(xì)化凝固組織是一種抑制熱裂紋產(chǎn)生的常用工藝措施。Ishchenko[27]發(fā)現(xiàn)，在A1460合金的激光焊接中使用Sw1217(Al-10%Cu)填充絲，其焊接熱裂紋敏感性會(huì)顯著降低。另一方面，將一些元素如Zr，Ce和Sc作為形核劑加入到焊絲中，在凝固時(shí)能提供更多的成核位點(diǎn)，形成細(xì)小的等軸晶，也可以降低熱裂紋敏感性[34]。Ram等[35]對(duì)比了是用Ti，Ti+B和Zr作為形核劑對(duì)7020鋁合金焊接熱裂紋敏感性的影響。Opprecht等[32]采用添加2%釔穩(wěn)定氧化鋯的方法，使凝固晶粒組織細(xì)化，避免了6061鋁合金焊接熱裂紋的產(chǎn)生。在7075鋁合金粉末中加入形核劑，通過(guò)熔絲增材制造方法也可制備出無(wú)裂紋的零件[36]。采用Sc和Zr改性的5XXX鋁合金Scalmalloy，凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生Al3Zr/Al3Sc形核相，抑制熱裂紋產(chǎn)生。Al3Sc顆粒與Al基體之間形成較低的界面能，成為晶粒結(jié)晶的非均相形核位點(diǎn)[33]。

通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)改變焊接區(qū)溫度場(chǎng)分布及熱循環(huán)參數(shù)，進(jìn)而改變凝固區(qū)結(jié)晶形態(tài)，也是一種常見(jiàn)的抑制熱裂紋產(chǎn)生的方法。Hagenlocher等[37]通過(guò)正弦變化的工藝參數(shù)曲線(包括焊接速度、焊接功率和光斑尺寸)調(diào)控凝固速率和溫度梯度，進(jìn)而調(diào)控凝固晶粒組織。在1.2 mm的AA6061薄板激光焊搭接焊縫中發(fā)現(xiàn)晶粒組織形態(tài)隨著工藝參數(shù)出現(xiàn)周期性變化。無(wú)參數(shù)變化時(shí)，焊縫中心處產(chǎn)生熱裂紋并貫穿整個(gè)焊縫。當(dāng)工藝參數(shù)呈周期性變化時(shí)，中心熱裂紋變?yōu)橹芷谛詳嗬m(xù)出現(xiàn)(熱裂紋在等軸晶區(qū)中斷)，長(zhǎng)度明顯減小。Moosavy等[38]通過(guò)預(yù)熱、提高激光功率和使用脈沖激光的方法降低了5456鋁合金的焊接熱裂紋敏感性。增加隨焊碾壓補(bǔ)焊工藝(利用機(jī)械法釋放焊接應(yīng)力)可以有效降低熱裂紋敏感性，該方法在美國(guó)航天領(lǐng)域已有所應(yīng)用[39]。周廣濤等[40]提出橫向超聲隨焊控制鋁合金焊接熱裂紋的方法，施加橫向超聲沖擊對(duì)BTR區(qū)金屬產(chǎn)生橫向壓縮塑性應(yīng)變，抵消收縮應(yīng)力以降低裂紋敏感性，并加以測(cè)試和模擬驗(yàn)證。

Hosseini等[41]研究了焊接速度和焊接功率對(duì)AA2024-T351電子束焊接熱裂紋敏感性的影響。研究表明，接頭處的凝固裂紋敏感性很低，但液化裂紋敏感性仍較高。在使用高熱輸入量和低焊接速度的參數(shù)匹配時(shí)，焊縫底部的柱狀樹枝晶比例較高，同時(shí)低熔點(diǎn)共晶相Al2CuMg造成部分熔化區(qū)的晶界液化。由于柱狀樹枝晶生長(zhǎng)及凝固收縮的方向性較強(qiáng)，部分熔化區(qū)的晶界液膜收到牽拉作用，產(chǎn)生液化裂紋。在使用低熱輸入量和高焊接速度的參數(shù)匹配時(shí)，焊縫底部的等軸晶比例增加，凝固收縮的方向性不顯著，提高了抗裂性，抑制了液化裂紋。

綜上所述，采用以下方法可以抑制航空航天用鋁合金在焊接過(guò)程產(chǎn)生熱裂紋：(1)調(diào)控熔池成分，使凝固區(qū)產(chǎn)生足量的剩余液相填充枝晶間隙；(2)加入形核劑以獲得細(xì)小等軸晶凝固組織；(3)通過(guò)調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)及熱循環(huán)改善凝固組織并分散熱應(yīng)力。

3 鎂合金焊接熱裂紋研究進(jìn)展

鎂合金具有密度低、導(dǎo)熱性好、減震性強(qiáng)、可回收利用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、電子產(chǎn)品等許多行業(yè)。ZK系列的鎂合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)到350 MPa級(jí)別，在導(dǎo)彈零件、衛(wèi)星支架、飛機(jī)機(jī)匣、座椅和儀表上有大量應(yīng)用[42]。但鎂合金與鋁合金相比，共晶溫度更低，凝固溫度區(qū)間更寬，熱膨脹系數(shù)更高。因此鎂合金的焊接熱裂紋敏感性遠(yuǎn)高于鋁合金。

AZ系鎂合金以Zn作為合金主元，熱裂紋敏感性較高。Zhang等[43]對(duì)AZ31進(jìn)行激光脈沖點(diǎn)焊，分析了焊縫成形系數(shù)(熔寬與熔深之比)對(duì)冷卻過(guò)程中的溫度梯度的影響，進(jìn)而分析該參數(shù)變化對(duì)初始凝固裂紋取向的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和Feurer[17]的HCS模型證明了熔池冷卻時(shí)溫度梯度最大的方向和初始凝固裂紋形成的方向一致。此外，Zhang等[43]在原焊接工藝上增加了緩冷電流脈沖工藝，焊接功率減少到原來(lái)功率的30%且焊接時(shí)間增加10 ms，有效降低了點(diǎn)焊熔池界面的凝固速率，防止焊接成形系數(shù)小于0.8時(shí)初始裂紋的形成，降低了凝固裂紋敏感性。俞照輝等[44]在激光焊接鎂合金研究發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金的脆性溫度區(qū)間寬且焊縫的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率和焊接速度成正比，因此較低的焊接速度能降低鎂合金的熱裂紋傾向。

Munitz等[45]使用鎢極氬弧焊對(duì)AZ91D板進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)了部分熔化區(qū)晶界上存在大量連續(xù)的β-Al12Mg17相，并導(dǎo)致接頭脆性斷裂。Zhu等[46]通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)研究了AZ91D部分熔化區(qū)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)共晶相會(huì)在較小的溫度區(qū)間(430～434 ℃)內(nèi)快速熔化。Chai等[47]發(fā)現(xiàn)焊接加熱過(guò)程中存在低共晶溫度的鎂合金，如Mg-Zn合金，容易發(fā)生液化開裂。在鎢極惰性氣體保護(hù)焊(gas tungsten arc welding, GTAW)過(guò)程中，鎂合金的液化裂紋敏感性隨鎂合金中Zn含量的增加而增大。Zn含量越高，產(chǎn)生共晶液膜越多。Yuan等[5]采用橫向拘束環(huán)形焊縫裂紋實(shí)驗(yàn)測(cè)試鎂合金液化裂紋敏感性，發(fā)現(xiàn)鎂合金GTAW焊縫產(chǎn)生了液化裂紋，并且裂紋的長(zhǎng)度與板材和填充絲的成分差異密切相關(guān)。該研究表明，通過(guò)比較工件和焊縫的溫度-固相分?jǐn)?shù)(T-fs)曲線，可以有效預(yù)測(cè)同種/異種鎂合金母材與焊材組合匹配條件下的液化裂紋敏感性。該預(yù)測(cè)方法可指導(dǎo)選擇合適的鎂合金焊接填充金屬，以避免液化裂紋產(chǎn)生。

4 先進(jìn)高強(qiáng)鋼焊接熱裂紋研究進(jìn)展

起落架是飛行器中的關(guān)鍵裝置，而高強(qiáng)鋼是制造起落架的最主要材料[48]。先進(jìn)高強(qiáng)鋼(advanced high strength steel, AHSS)是一種應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的輕量化結(jié)構(gòu)材料，第一代以TRIP鋼為代表的AHSS，合金元素含量較低，以鐵素體為基體組織；第二代AHSS以TWIP鋼為代表，含有更多的奧氏體組織，但合金元素含量也較高；第三代AHSS以Q&P鋼為代表。高強(qiáng)鋼中合金元素含量較高，這使其在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋。盡管高強(qiáng)度鋼焊縫區(qū)組織中的針狀鐵素體具有一定的抗冷裂紋效應(yīng)[49]，焊縫中心縱向熱裂紋仍會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)破壞失效[50]。由于焊縫中心部位最后冷凝，因此該處凝固枝晶組織受熱應(yīng)力牽拉發(fā)生縱向開裂形成熱裂紋[51]。焊接速度低、焊縫區(qū)高深寬比或焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，都可能引發(fā)熱裂紋。從微觀組織的角度來(lái)看，凝固時(shí)低熔點(diǎn)化合物和粗晶組織會(huì)明顯增加熱裂紋的敏感性[52]。

Saadati等[53]研究了G50和G80兩種HSLA鋼熔化極氣保護(hù)焊接頭的熱裂紋敏感性。G50焊縫因含較少合金元素，與G80焊縫相比，熱裂紋敏感性更低。Saha等[54]對(duì)TWIP鋼電阻點(diǎn)焊接頭的液化裂紋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液化裂紋中存在高含量Mn元素和C元素的偏析。隨著熱輸入量的增大，裂紋敏感性增大。

Agarwal等[55]研究了DP鋼和TRIP鋼的激光焊熱裂紋敏感性，發(fā)現(xiàn)TRIP鋼的熱裂紋敏感性高于DP鋼的原因主要是熔池凝固行為和磷元素的偏析差異。通過(guò)EBSD觀察到焊縫中心TRIP鋼晶粒徑直生長(zhǎng)而DP鋼晶粒彎曲生長(zhǎng)，TIRP鋼中磷元素偏析嚴(yán)重且集中于焊縫中心。通過(guò)有限元模擬得到TIRP鋼與DP鋼熔池形貌與糊狀區(qū)分布，TRIP鋼熔池呈較大的淚滴狀，DP鋼為橢圓狀且糊狀區(qū)較小。

此外，Agarwal等[55]還通過(guò)數(shù)值模擬研究了焊縫橫向施加拉應(yīng)力時(shí)焊縫的應(yīng)變分布，TRIP鋼淚滴狀熔池焊縫中心聚集了多個(gè)枝晶剩余液相形成的液膜，應(yīng)變集中于焊縫中心。DP鋼橢圓狀熔池中枝晶在焊縫中心彎曲生長(zhǎng)形成多個(gè)晶界，應(yīng)變分配到多個(gè)晶界上，開裂傾向低。

Kota等[56]在奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性的研究中發(fā)現(xiàn)，鈮、鈦、鋯等合金元素含量的增加會(huì)提高脆性溫度區(qū)間，增加熱裂紋敏感性。相比較而言，碳含量增加，尤其在含微量鈦元素時(shí)，奧氏體不銹鋼的熱裂紋敏感性會(huì)降低。

元素偏析、晶粒組織和形態(tài)對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼的熱裂紋敏感性具有重要影響。降低元素偏析程度、提高細(xì)小晶粒的比例以及控制枝晶生長(zhǎng)的取向，使應(yīng)力和應(yīng)變能夠更好地分散，是降低先進(jìn)高強(qiáng)鋼熱裂紋敏感性的主要工藝手段。

5 鎳基高溫合金焊接熱裂紋研究進(jìn)展

鎳基高溫合金是以鎳為主要基體成分的合金體系，按強(qiáng)化方式分為固溶強(qiáng)化型和析出強(qiáng)化型兩類。其中Inconel 718沉淀硬化型鎳基高溫合金具有室溫強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度高、高溫抗氧化、抗蠕變性能好的優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件、核工業(yè)和石化工業(yè)。鎳基高溫合金在焊縫凝固過(guò)程中表現(xiàn)出更大的熱裂敏感性。較寬的凝固溫度[57]和偏析導(dǎo)致晶界處的低熔點(diǎn)共晶，引發(fā)凝固開裂[58]。在凝固終止階段，焊縫金屬不足以承受冷卻時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力而開裂，具有裂紋沿晶界擴(kuò)展的特征[59]。

Inconel 718的焊接性問(wèn)題主要是由于焊后存在Laves脆性偏析相和液化裂紋導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能較差，而熱裂紋也受Laves相影響[60]。枝晶富集元素Ni，F(xiàn)e和Cr，而Laves相在枝晶中則富集Nb，Mo和Si以及Ti。在Inconel 718接頭熔化區(qū)中，由于較高的熱輸入和橫向速度，焊縫中心形成熱裂紋[61]。熔池呈淚滴狀，熔化區(qū)中柱狀晶粗大，共晶體積分?jǐn)?shù)高，沿中心線分布且為脆性相。在連續(xù)加熱過(guò)程中，易于在焊接時(shí)最先熔化并導(dǎo)致凝固開裂[62]。而奧氏體晶界上含有Nb，Mo，B等的析出相受焊接熱輸入影響而發(fā)生液化，從而導(dǎo)致液化裂紋產(chǎn)生[63]。

合金成分、晶粒尺寸、焊縫熱循環(huán)等因素也對(duì)Inconel 718合金的焊接熱裂紋有顯著影響。Ahn等[64]的研究表明Inconel 718的凝固裂紋與沿晶界形成的NbC和Laves相等共晶組分密切相關(guān)。Antonsson等[65]通過(guò)差熱分析研究了Inconel 718合金中元素的偏析，發(fā)現(xiàn)Nb的富集會(huì)形成NbC和Laves相，是引起熱裂的最重要的因素。Ojo等[66]發(fā)現(xiàn)對(duì)Inconel 738中Ni3(Al, Ti) γ′相的含量對(duì)熱影響區(qū)晶界液化和開裂敏感性有重要影響。

Radhakrishna等[67]研究了鎳基合金GTAW焊接中Laves相形成的機(jī)理。合金元素Nb，Ti和Mo的微觀偏析導(dǎo)致了Laves相的形成。通過(guò)調(diào)整焊接熱輸入量、冷卻速率和焊后熱處理工藝參數(shù)，可以有效減少Laves相的產(chǎn)生。Ye等[68]研究了Inconel 718鎢極氬弧焊接頭的熱裂紋，在焊縫上觀察到各種凝固裂紋和HAZ液化裂紋，HAZ液化開裂時(shí)有Laves相出現(xiàn)。當(dāng)熱輸入量較高時(shí)，焊件容易開裂。采用低熱輸入的熔坑磨削焊接工藝，并進(jìn)行焊前均質(zhì)化熱處理，可以有效避免Inconel 718的凝固裂紋及液化裂紋產(chǎn)生。

Manikandan等[69]研究了冷卻速率對(duì)Laves相形成的影響。通過(guò)Scheil非平衡凝固模型與CALPHAD結(jié)合計(jì)算出各組分凝固區(qū)間。使用脈沖TIG焊工藝提高冷卻速率，可以有效降低熱裂紋敏感性。這是由于減少凝固區(qū)處于敏感溫度區(qū)間的時(shí)間，使得Laves相的生成量顯著降低。

Ramkumar等[70]研究了Inconel 718 TIG焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)使用ErNiCu-7焊絲的試樣焊縫凝固組織不生成Laves相，因此接頭具有較高的延伸性。Thavamani等[71]對(duì)Inconel 718合金進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助的鎢極氣體保護(hù)焊熱裂紋敏感性的研究。超聲輔助工藝不能完全消除熱裂紋，但可以使裂紋的總長(zhǎng)度顯著降低。在超聲空化作用下產(chǎn)生的溶質(zhì)元素均質(zhì)化、枝晶破碎、均質(zhì)和非均質(zhì)形核效應(yīng)是熱裂紋受到抑制的主要原因。Bai等[72]通過(guò)高頻微振動(dòng)輔助激光焊接抑制了熱裂紋的形成。微振動(dòng)可以打破初生的枝晶臂而形成二次枝晶，從而細(xì)化晶粒，并且Laves相的生成量和在枝晶間的分布都明顯減少。

鎳基高溫合金焊縫熱裂紋是Laves相生成和元素偏析在焊接熱應(yīng)力作用下的結(jié)果。因此其相關(guān)研究熱點(diǎn)主要集中在通過(guò)均質(zhì)化處理、熱處理和超聲輔助焊等工藝降低Laves相和元素在晶界附近的富集，從而降低鎳基高溫合金的熱裂紋敏感性。

6 結(jié)束語(yǔ)

高焊接熱裂紋敏感性是制約新一代合金材料在航空航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。本文從熱裂紋產(chǎn)生機(jī)理，量化裂紋敏感性的判據(jù)模型，以及高強(qiáng)鋁合金、鎂合金、先進(jìn)高強(qiáng)鋼和鎳基高溫合金四種材料的相關(guān)研究對(duì)先進(jìn)航空材料熱裂紋敏感性的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并展望了量化判據(jù)建立及抑制方法的發(fā)展趨勢(shì)。

(1)熱裂紋敏感性的判據(jù)可以分為應(yīng)力準(zhǔn)則、應(yīng)變準(zhǔn)則、應(yīng)變速率準(zhǔn)則和非力學(xué)準(zhǔn)則。熱裂紋的形成過(guò)程受合金的成分、剩余液相的填充能力、晶粒的生長(zhǎng)行為和凝固行為等因素影響。

(2)合金成分及其凝固行為直接影響熱裂紋敏感性。高強(qiáng)鋁合金和鎂合金中的低熔點(diǎn)共晶體是引發(fā)熱裂紋的主要原因。先進(jìn)高強(qiáng)鋼和鎳基高溫合金材料的合金組元更為復(fù)雜，枝晶偏析和脆性析出相是導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生的主要原因。

(3)添加形核劑細(xì)化晶粒，促進(jìn)剩余液相進(jìn)入枝晶間隙補(bǔ)縮，并且分散應(yīng)力，有助于抑制焊接熱裂紋產(chǎn)生；改變工藝參數(shù)調(diào)控凝固組織的枝晶取向及晶粒度，有助于降低裂紋敏感性；此外，預(yù)熱、緩冷和超聲輔助等方法也有助于抑制熱裂紋。

(4)等軸晶和柱狀晶的熱裂紋敏感性差異很大，而目前已有的解析判據(jù)是多以某固定形態(tài)晶粒為假設(shè)，因此發(fā)展數(shù)值模型用于定量研究結(jié)晶形態(tài)變化對(duì)熱裂紋敏感性的影響十分必要。

(5)由于對(duì)熱裂紋形成過(guò)程的觀察較為困難，數(shù)值模擬是一種方便高效的研究方法。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)是研究焊接熱裂紋現(xiàn)象的重要手段。在此基礎(chǔ)上，建立熱裂紋敏感性量化判據(jù)，用于預(yù)測(cè)及抑制熱裂紋，有助于推進(jìn)新型合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。