鋁合金制造業(yè)中常的裂紋缺陷

摘要：

隨著焊接技術(shù)的飛速發(fā)展，鋁合金的焊接也得到了廣泛的應(yīng)用，由于材料本身的特殊性，也給焊接工人帶來了較大的困難，除了要掌握鋁合金的焊接技術(shù)，還要注意避免在焊接過程中出現(xiàn)的焊接缺陷。如：裂紋、氣孔、未融合、咬邊等等。他們的存在不僅影響了焊接強度，更是為應(yīng)用安全埋下了隱患。

關(guān)鍵詞：鋁合金、裂紋

鋁合金是一類重要的合金結(jié)構(gòu)材料，被廣泛的應(yīng)用在鐵路、航空、船舶及化學(xué)工業(yè)中。鋁合金的廣泛應(yīng)用不僅促使了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，鋁合金的焊接技術(shù)也成為研究的熱點之一，而焊接缺陷在施工過程中做到完全避免是不可能的。焊接缺陷分為工藝缺陷和設(shè)計缺陷兩部分。工藝缺陷主要受生產(chǎn)中的人、機、料、法、環(huán)、測六大因素影響，如裂紋、氣孔、未融合、尺寸偏差等；設(shè)計缺陷是指結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺陷，如由于焊縫過密、交叉過多、材料匹配不良導(dǎo)致的裂紋、未融合等。在這里我們重點介紹裂紋缺陷。

裂紋通常分為焊縫裂紋和母材裂紋。

焊縫裂紋也叫熱裂紋，通常發(fā)生在焊接完成后，在焊縫縱向中間部位開裂。目前關(guān)于焊接裂紋的理論，國內(nèi)外普遍認(rèn)為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括的講，該理論認(rèn)為結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與否主要取決于以下方面：脆性溫度區(qū)間的大小以及在此溫度區(qū)間內(nèi)合金所具有的延性和金屬變形率的大小。

通常人們將脆性溫度區(qū)間的大小及在此溫度區(qū)間內(nèi)具有的延性值稱之為產(chǎn)生焊接裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區(qū)間內(nèi)金屬的變形率大小稱之為力學(xué)因素。在焊接過程中，焊接接頭的冶金因素和力學(xué)因素有著較為密切的聯(lián)系，其作用歸結(jié)為強化金屬聯(lián)系與弱化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時，焊接接頭金屬中正在建立強度聯(lián)系，在一定剛性約束條件下能夠順從的應(yīng)變，當(dāng)焊縫余近焊縫區(qū)金屬能夠承受外加約束應(yīng)力與內(nèi)在的殘余應(yīng)力的作用時，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，裂紋就不容易產(chǎn)生，反之，當(dāng)承受不住應(yīng)力作用時，金屬中的強度連接容易中斷，就容易產(chǎn)生裂紋。其次，在焊接過程中，隨著溫度的降低與冷卻速度的變化，冶金因素和力學(xué)因素也都隨之變化，在不同的溫度區(qū)間對焊接接頭金屬的強度聯(lián)系作用各不相同，如果結(jié)晶溫度區(qū)間大，固相線溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態(tài)金屬處更容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致固相金屬產(chǎn)生裂紋；同樣，隨著溫度降低，如果收縮量大，特別是在快速冷卻條件下，當(dāng)收縮應(yīng)變速率高，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)比較苛刻時也容易產(chǎn)生裂紋。

為了研究鋁合金焊接時那個時候最容易產(chǎn)生裂紋，我們把鋁合金焊接時熔池的結(jié)晶分為三個階段。

第一階段是液固態(tài)階段，當(dāng)焊接熔池從高溫冷卻開始結(jié)晶時，只有很少數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時間的延長，晶核逐漸長大，并出現(xiàn)新的晶核，但在這個過程中晶核始終數(shù)量較少，相鄰晶粒間不會發(fā)生接觸，對還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動形不成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，拉開縫隙也會及時的被流動中的液態(tài)鋁合金填滿，故在此階段產(chǎn)生裂紋的可能性較小。

第二階段是固液階段，當(dāng)焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進行時，熔池結(jié)晶不斷增多，同時結(jié)晶的晶核不斷增大，當(dāng)溫度降低到一定數(shù)值時，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋在一起，這時液態(tài)鋁合金的流動受到阻礙，在這種情況下，只要稍有拉伸應(yīng)力的存在就有可能產(chǎn)生裂紋。這個階段也稱之為“脆性溫度區(qū)”。

第三階段是完全凝固階段，熔池金屬完全凝固之后所形成焊縫，當(dāng)受到拉力時，就會表現(xiàn)出較好的強度和塑性，這時產(chǎn)生裂紋的幾率較小。

因此，當(dāng)溫度高于或低于脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向，而當(dāng)溫度處于脆性溫度區(qū)時，就容易產(chǎn)生裂紋。

母材裂紋也叫液化裂紋（HAZ）。

該裂紋的產(chǎn)生的原因和預(yù)防主要有以下幾點：

1.母材材料的因素 當(dāng)材料的化學(xué)成分存在問題，在材料的晶間存在過多的低熔點物質(zhì)，在焊接熱作用下，材料晶間先行熔化，在應(yīng)力作用下沿晶間開裂，因此，出現(xiàn)此問題的首要解決步驟是檢查材料是否有不合格的化學(xué)成分。

2.拘束度的因素 該裂紋的產(chǎn)生是應(yīng)力和熱的共同作用，因此，降低拘束應(yīng)力的措施均可降低裂紋傾向，如改變焊接順序、卡緊位置可緩解拘束應(yīng)力的大小。

3.熱輸入的因素 過多的熱量輸入，會對金屬層間產(chǎn)生熔化作用，使金屬晶間產(chǎn)生熔化導(dǎo)致裂紋，因此控制熱輸入是解決該類裂紋的一項措施，如提高焊接速度、降低焊角均可有效解決該類問題。

4.焊縫冷卻速度因素 焊縫冷卻速度也是導(dǎo)致HAZ裂紋的一個主要原因。

綜上所述，降低鋁合金裂紋產(chǎn)生的幾率，我們可以從工藝因素和母材因素兩方面來改進。

在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應(yīng)力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變增長速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時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。通過預(yù)熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力相應(yīng)降低，減小了在脆性溫度區(qū)的應(yīng)力；盡量采用開破口和留小間隙的對接焊，正確設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)，避免十字型接頭及不適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓负秃附禹樞颍缓附咏Y(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移除熱源，否則易引起弧坑裂紋，也可加入引弧板。對于多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產(chǎn)生顯微裂紋，因此必須控制后層焊的熱輸入量。對焊縫表面進行焊前清理，以減少夾雜在焊縫中的雜質(zhì)及材料表面的氧化膜，也可降低裂紋出現(xiàn)的幾率。

母材因素上，嚴(yán)格控制母材合金元素含量，降低原材料雜質(zhì)含量，所選焊絲的成分要與母材匹配。

總結(jié)：

裂紋容易導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成焊接結(jié)構(gòu)在較低的應(yīng)力作用下即發(fā)生斷裂，是鋁合金應(yīng)用中比較嚴(yán)重的缺陷。一個細(xì)微的裂紋就有可能造成嚴(yán)重的后果，而造成不可挽回的損失。在這里，希望借助于本文的介紹，我們能更好的應(yīng)用鋁合金，使它更好的為我們服務(wù)。

參考文獻：

《鋁合金焊接工藝》 中國勞動出版社

《中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會焊接手冊》 機械工業(yè)出版社

阿榮.鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝研究[A] 蘭州理工大學(xué)碩士論文.2004

作者簡介：

第一作者：陳偉濤，公司：南車青島四方機車車輛股份有限公司 民族：漢 生辰：1980、06、04 性別：男

第二作者：茍貝書，公司：南車青島四方機車車輛股份有限公司 民族：漢 生辰：1980、12、16 性別：男