铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理分析

1、铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理分析摘要：本文主要对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产生机理进行了分析，提 出了几点防范措施。关键词：铝合金；焊接接头；裂纹；机理一、铝合金的焊接的特点由于铝合金所具有独特的物理化学性能，在焊接过程中会产生一系列的困难 和特点，具体表现有以下几点：强的氧化能力:铝与氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合生成致密结实 的A1203薄膜，厚度约0.1pm。A1203的熔点高达2050T，远远超过 铝合金的熔点，而且密度大，约为铝的1.4倍。在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻 碍金属之间的良好结合。因此，为保证焊接质量，焊接前必须严格清理焊件表面 的氧化物，并防止在焊接过程

2、中再氧化。热导系数和比热容等都很大，在焊接过程中大量的热量能被迅速传导到基 本金属内部，因此焊接铝合金比钢要消耗更多的热量。为获得高质量的焊接接头， 必须采用能量集中、功率大的热源，有时需采用预热等工艺措施。热裂纹倾向性大:铝合金的线膨胀系数约为钢的两倍，凝固时的体积收缩率 达6.5%左右。因此焊接某些铝合金时，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间 内产生热裂纹，这是铝合金尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。生 产中常采用调整焊丝成分的方法防止裂纹的产生，如焊丝SAlSi5。采用合理的焊 接工艺对于防止热裂纹的产生也是有利的和必要的。容易形成气孔:焊接接头中的气孔是合金焊接时易产生的另

3、一个常见的缺陷， 氢是熔焊时产生气孔的主要原因。铝合金时的液体熔池很容易吸收气体，高温下 溶入的大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。 弧柱气氛中的水分，焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是焊缝气体中氢的 主要来源，因此焊接前必须严格清理，并合理选择焊接工艺防止气孔的产生。焊接热对基体金属有影响:焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影 响，会使基体金属近缝区某些部位的力学性能变坏，对于冷作硬化的合金也是如 此，使接头性能弱化，并且焊接热输入越大，性能降低的程度也愈严重。(6)无色泽变化:铝合金从固态变成液态时，无明显的色泽变化。因此在焊接过 程中给操作者带来不

4、少困难。二、铝合金焊接接头中的裂纹及其特征在铝合金焊接过程中，根据裂纹产生的部位可分为以下两种裂纹形式：焊缝金属中的裂纹：纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、发状或弧状裂纹、 焊根裂纹和显微裂纹。热影响区的裂纹：焊趾裂纹、层状裂纹和熔合线附近的显微热裂纹。按 裂纹产生的温度区间分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接时高温下产生的，它 主要由晶界上的合金元素偏析或低熔点物质的存在所引起。根据所焊金属材料不 同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，热裂纹又可分为结晶 裂纹、液化裂纹和多边化裂纹3类。热裂纹中主要产生结晶裂纹，它是在焊缝结 晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不

5、足不能及时填 充，在凝固收缩应力或外力的作用下发生沿晶开裂，这种裂纹主要产生在含杂质 较多的碳钢、低合金钢焊缝和某些铝合金；液化裂纹是在热影响区中被加热到高 温的晶界凝固时的收缩应力作用下产生的。从试验中发现，当填充材料表面清理不够充分时，焊接后焊缝中仍存在较多 的夹杂和少量的气孔。在试验中，由于焊接填充材料为铸造组织，其中夹杂为高 熔点物质，焊接后在焊缝中仍将存在；又铸造组织比较稀疏，孔洞较多，易于吸 附含结晶水的成分和油质，它们将成为焊接过程中产生气孔的因素。当焊缝在拉 伸应力作用下时，这些夹杂和气孔往往成为诱发微裂纹的关键部位。通过显微镜 进一步观察发现，这些夹杂和气孔诱发的微观裂纹之间

6、有明显的相互交汇的趋势。三、热裂纹产生的机理为研究铝合金焊接时个哪个时候最容易产生热裂纹，把铝合金焊接时焊接熔 池的结晶分3个阶段。第一个阶段是液固阶段，焊接熔池从高温冷却开始结晶时，只有很少数量的 晶核存在。随着温度的降低和冷却时间延长，晶核逐渐长大，并且出现新的晶核， 但在这个过程中液相始终占较多的数量，相邻晶粒之间不发生接触，对还未凝固 的液态铝合金的自由流动不形成阻碍。这种情况下，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铝合金液态金属所填满，因此在液固阶段产生裂 纹的可能性很小。第二阶段是固液阶段，在焊接熔池结晶继续进行时，熔池中固相不断增多， 同时先前结晶的晶核不断长大

7、，当温度降低到某一数值时，已经凝固的铝合金金 属晶体相互彼此发生接触，并不断倾轧在一起，这时液态铝合金的流动受到阻碍， 就是说熔池结晶进入了固液阶段。在这种情况下，由于液态铝合金金属较少，晶 体本身变形可以强烈发展，晶体间残存的液相则不容易流动，在拉伸应力作用下 产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力的存在就有产生裂纹的可能性。第三阶段是完全凝固阶段，熔池金属完全凝固之后所形成的焊缝，受到拉应 力时，就会表现出较好的强度和塑性，在这一阶段产生裂纹的可能性相对来说较 小。因此，当温度高于或者低于a-b之间的脆性温度区时，焊缝金属都有较大抵 抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向。在一般情况下，

8、杂质较少的金属，由 于脆性温度区间较窄，拉应力在这个区间作用的时间比较短，使得焊缝的总应变 量比较小，因此焊接时产生的裂纹倾向较小。四、铝合金焊接裂纹的防止措施根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理，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。在冶金因素方面，为了防止焊接时产生晶间热裂纹，主要通过调整焊缝合金 系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点，从抗裂角度考虑， 在于控制适量的易熔共晶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，少量易熔共晶的存 在总是增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合

9、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。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、 Zr、V和B等微量元素，企图通过细化晶粒来改善塑性、韧性，并达到防止焊接 热裂纹的目的尝试，在很早以前已取得了效果。在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法是 从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝 固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。热能 集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶， 因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流，减慢焊接速度，可减少熔池过热，也 有利于改善抗裂性。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。在铝结构 装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性，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；尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊， 并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时 填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。对于5000系合金多层焊的 焊接接头，往往