铝合金制造业中常的裂纹缺陷

铝合金制造业中常的裂纹缺陷

摘要：随着焊接技术的飞速发展，铝合金的焊接也得到了广泛的应用，由于材料本身的特殊性，也给焊接工人带来了较大的困难，除了要掌握铝合金的焊接技术，还要注意避免在焊接过程中出现的焊接缺陷。如：裂纹、气孔、未融合、咬边等等。他们的存在不仅影响了焊接强度，更是为应用安全埋下了隐患。

关键词：铝合金、裂纹

铝合金是一类重要的合金结构材料，被广泛的应用在铁路、航空、船舶及化学工业中。铝合金的广泛应用不仅促使了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此，铝合金的焊接技术也成为研究的热点之一，而焊接缺陷在施工过程中做到完全避免是不可能的。焊接缺陷分为工艺缺陷和设计缺陷两部分。工艺缺陷主要受生产中的人、机、料、法、环、测六大因素影响，如裂纹、气孔、未融合、尺寸偏差等；设计缺陷是指结构产生的缺陷，如由于焊缝过密、交叉过多、材料匹配不良导致的裂纹、未融合等。在这里我们重点介绍裂纹缺陷。

裂纹通常分为焊缝裂纹和母材裂纹。

焊缝裂纹也叫热裂纹，通常发生在焊接完成后，在焊缝纵向中间部位开裂。目前关于焊接裂纹的理论，国内外普遍认为较完善的是普洛霍洛夫理论。概括的讲，该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下方面：脆性温度区间的大小以及在此温度区间内合金所具有的延性和金属变形率的大小。

通常人们将脆性温度区间的大小及在此温度区间内具有的延性值称之为产生焊接裂纹的冶金因素，而把脆性温度区间内金属的变形率大小称之为力学因素。在焊接过程中，焊接接头的冶金因素和力学因素有着较为密切的联系，其作用归结为强化金属联系与弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性约束条件下能够顺从的应变，当焊缝余近焊缝区金属能够承受外加约束应力与内在的残余应力的作用时，焊接接头的金属裂纹敏感性低，裂纹就不容易产生，反之，当承受不住应力作用时，金属中的强度连接容易中断，就容易产生裂纹。其次，在焊接过程中，随着温度的降低与冷却速度的变化，冶金因素和力学因素也都随之变化，在不同的温度区间对焊接接头金属的强度联系作用各不相同，如果结晶温度区间大，固相线温度低，在晶粒间残存的低熔液态金属处更容易引起应力集中，导致固相金属产生裂纹；同样，随着温度降低，如果收缩量大，特别是在快速冷却条件下，当收缩应变速率高，应力应变状态比较苛刻时也容易产生裂纹。

为了研究铝合金焊接时那个时候最容易产生裂纹，我们把铝合金焊接时熔池的结晶分为三个阶段。

第一阶段是液固态阶段，当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的延长，晶核逐渐长大，并出现新的晶核，但在这个过程中晶核始终数量较少，相邻晶粒间不会发生接触，对还未凝固的液态铝合金的自由流动形不成阻碍。在这种情况下，即使有拉伸应力存在，拉开缝隙也会及时的被流动中的液态铝合金填满，故在此阶段产生裂纹的可能性较小。

第二阶段是固液阶段，当焊接熔池结晶继续进行时，熔池结晶不断增多，同时结晶的晶核不断增大，当温度降低到一定数值时，已经凝固的铝合金金属晶体彼此发生接触，并且不断倾轧在一起，这时液态铝合金的流动受到阻碍，在这种情况下，只要稍有拉伸应力的存在就有可能产生裂纹。这个阶段也称之为“脆性温度区”。

第三阶段是完全凝固阶段，熔池金属完全凝固之后所形成焊缝，当受到拉力时，就会表现出较好的强度和塑性，这时产生裂纹的几率较小。

因此，当温度高于或低于脆性温度区时，焊缝金属都有较大的抵抗结晶裂纹的能力，具有较小的裂纹倾向，而当温度处于脆性温度区时，就容易产生裂纹。

母材裂纹也叫液化裂纹（HAZ）。

该裂纹的产生的原因和预防主要有以下几点：

1.母材材料的因素当材料的化学成分存在问题，在材料的晶间存在过多的低熔点物质，在焊接热作用下，材料晶间先行熔化，在应力作用下沿晶间开裂，因此，出现此问题的首要解决步骤是检查材料是否有不合格的化学成分。

2.拘束度的因素该裂纹的产生是应力和热的共同作用，因此，降低拘束应力的措施均可降低裂纹倾向，如改变焊接顺序、卡紧位置可缓解拘束应力的大小。

3.热输入的因素过多的热量输入，会对金属层间产生熔化作用，使金属晶间产生熔化导致裂纹，因此控制热输入是解决该类裂纹的一项措施，如提高焊接速度、降低焊角均可有效解决该类问题。

4.焊缝冷却速度因素焊缝冷却速度也是导致HAZ裂纹的一个主要原因。

综上所述，降低铝合金裂纹产生的几率，我们可以从工艺因素和母材因素两方面来改进。

在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法都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。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的刚性，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的应力；尽量采用开破口和留小间隙的对接焊，正确设计焊接结构，避免十字型接头及不适当的定位焊和焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移除热源，否则易引起弧坑裂纹，也可加入引弧板。对于多层焊的焊接接头，往往由于晶间局部熔化而产生显微裂纹，因此必须控制后层焊的热输入量。对焊缝表面进行焊前清理，以减少夹杂在焊缝中的杂质及材料表面的氧化膜，也可降低裂纹出现的几率。

母材因素上，严格控制母材合金元素含量，降低原材料杂质含量，所选焊丝的成分要与母材匹配。

总结：

裂纹容易导致严重的应力集中，造成焊接结构在较低的应力作用下即发生断裂，是铝合金应用中比较严重的缺陷。一个细微的裂纹就有可能造成严重的后果，而造成不可挽回的损失。在这里，希望借助于本文的介绍，我们能更好的应用铝合金，使它更好的为我们服务。

参考文献：

《铝合金焊接工艺》中国劳动出版社

《中国机械工程学会焊接学会焊接手册》机械工业出版社

阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究[A] 兰州理工大学硕士论文.2004

作者简介：

第一作者：陈伟涛，公司：南车青岛四方机车车辆股份有限公司民族：汉生辰：1980、06、04 性别：男

第二作者：苟贝书，公司：南车青岛四方机车车辆股份有限公司民族：汉生辰：1980、12、16 性别：男