热影响区连续孔隙状裂纹的表征及产生机理
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收稿日期：2018 − 11 − 13 基金项目：国家重大科技专项资助项目 (2018ZX06002006)；国家自然科
学基金资助项目 (51274092)
低熔点相的组分液化及残余应力强烈相关[7-8]. 迄今为止，液化开裂理论仍在完善当中. 为了
进一步理解液化开裂行为，选择凝固温度区间极宽， 第二相粒子熔点更低的 ZK60 镁合金为研究对象. 初步的结果发现，该合金存在一种不同于以往报道 的液化开裂机制—连续孔隙状裂纹. 文中将采用激 光对该合金进行焊接，并对该类型裂纹进行详细表 征，分析其产生机理. 研究结果旨在为焊接接头液 化开裂理论的发展和液化裂纹的控制提供参考.
2 试验结果与分析
2.1 热影响区的液化特征 图 1 所示为 ZK60 镁合金母材显微组织形貌及
成分分析图谱. 从图 1a 中可以看出，母材的晶粒上 分布着密集的孪晶，其周围被许多细小的再结晶晶 核所包围，呈现典型的轧制态塑性变形组织. 通过 扫描电镜还可以观察到呈条带状分布的残余第二 相颗粒，如图 1b 所示. 通过能谱和 X 射线衍射分 析发现，这种白色的第二相颗粒主要为 MgZn 相， 如图 1c，1d 所示. ZK60 镁合金是一种凝固温度范 围极宽的金属材料，该合金的平衡凝固液相线和固 相线温度分别为 640，420 ℃，当母材中残留有 MgZn 相，其固相线温度仅为 341 ℃，凝固范围宽至 299 ℃ (341 ~ 640 ℃)[9]. 因此，该合金在焊接过程中，其 HAZ 将会发生显著的液化现象.
成连接热影响区和焊接熔池的液相பைடு நூலகம்道；冷却过程中，由于熔池区熔体体积收缩促使热影响区中的液相流向熔池；
凝固末期，通道因胞状晶生长而被堵塞，导致液相无法从熔池回填，从而在热影响区形成连续孔隙状裂纹.
关键词： 焊接缺陷；热影响区；液化裂纹；部分熔化区；热裂纹
中图分类号：TG 401
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400132
能谱分析区
相对强度 I (cps) 衍射峰相对强度 I (a.u.)
(a) 金相组织
50 μm
(b) 背散射形貌
30 μm
2 000
1 600 1 200
元素 质量分数 w (%) 原子分数 a (%)
Zn
Zn
24.69
46.85
Mg
75.31
53.15
Mg MgZn
800
400 Mg
Zn
0 02
4 6 8 10 12 14 能量 E/keV
第 40 卷 第 5 期 2019 年 5 月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.40(5):084 − 088 May 2019
热影响区连续孔隙状裂纹的表征及产生机理
俞照辉1， 严红革2， 严军辉1， 文 忠1， 李 玮1
(1. 国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233；2. 湖南大学，长沙 410082)
与结晶裂纹相比，液化裂纹尺寸通常更小，更 难被控制和发现，易遗漏在焊缝中成为裂纹源，严 重影响焊接结构和产品的服役性能和安全[5]. 在早 期的钢铁焊接中，学者将液化裂纹产生的原因简单 归结为杂质元素和低熔点共晶成分的熔化所引起[5]. 随着铝合金、稀有金属、高合金材料的大规模应用， 人们发现液化裂纹的产生机理非常复杂，原有的理 论已不能很好地对其进行解释，这引起了焊接冶金 研究工作者浓厚兴趣[6]. 一些学者对铝合金焊接接 头液化问题进行了深入的研究，总结了多达 6 种的 液化机制，并将靠近熔合线附近，焊接过程中有部 分液相产生的狭窄区域独立定义为部分熔化区 (partially melted zone, PMZ). 他们还提出，焊接接 头的液化裂纹倾向与材料的凝固温度区间、残余的
0 序 言
新材料的应用在焊接生产中带来了许多新的 问题，其中较为普遍而又十分严重的问题就是焊接 热裂纹问题，主要包括：焊缝区 (fusion zone, FZ) 结 晶裂纹和热影响区 (heat-affected zone, HAZ) 液化 裂纹[1]. 自焊接技术应用以来，热裂纹造成了一系 列重大事故和损失，因此，它一直以来都是相关工 作者的关注重点[2-4].
焊接时，试样采用对接形式进行自熔焊接，不 添加任何填充材料，且采用高纯氩气进行双面 保护.
焊接工艺参数设置如下：离焦量固定为 0 mm； 激光功率分别为 800，1 000，1 200 和 1 400 W；焊接 速度分别为 2.0，2.5，3.0 和 3.5 m/min.
第5期
俞照辉，等：热影响区连续孔隙状裂纹的表征及产生机理
摘 要： 以凝固温度范围极宽的合金为对象，研究焊接热影响区的液化现象，表征该区域中出现的连续孔隙状裂
纹，并分析其产生机理. 结果表明，连续孔隙状裂纹的产生与母材中残余第二相颗粒的连续分布、热影响区中出现
的严重液化现象及液相的流失密切相关. 其产生机理在于：焊接加热时，第二相颗粒加剧了晶界液化的程度，并形
(c) 能谱分析图谱
30 40 50 60 70 80 衍射角 2θ/(°)
(d) X 射线衍射图谱
图 1 轧制态母材的显微组织形貌 Fig. 1 Microstructures and compositions analysis of the as-rolled based metal
85
焊后，金相腐蚀剂分别采用 5% 酒石酸溶液和 3% 柠檬酸溶液，侵蚀时间为 5 s. 采用背散射电子 观察焊缝的第二相颗粒，并通过能谱和 X 射线衍射 分析颗粒的成分. 通过室温拉伸试验筛选断口试 样，选取拉伸性能相对较低，断裂发生熔合线附近 或者热影响区的试样，在扫描电镜上观察断口形 貌，并搜寻连续孔隙状裂纹和空穴.
1 试验方法
试验采用规格为 120 mm × 50 mm × 2 mm 的 轧制态 ZK60 镁合金板材试样，其名义化学成分为 6.0%Zn， 0.45%Zr(质 量 分 数 )， 其 余 主 要 为 Mg. 为了研究残留第二相颗粒对热影响区液化的影响， 板材轧制成形后不做任何热处理. 焊前采用化学与 机械联合清理的方式去除板材上残余的油脂和氧 化膜. 为增大拘束力，试样两端采用夹具进行刚性 固定. 焊接设备采用 GS−TFL−6000W 高功率横流 CO2 激光器.
学基金资助项目 (51274092)
低熔点相的组分液化及残余应力强烈相关[7-8]. 迄今为止，液化开裂理论仍在完善当中. 为了
进一步理解液化开裂行为，选择凝固温度区间极宽， 第二相粒子熔点更低的 ZK60 镁合金为研究对象. 初步的结果发现，该合金存在一种不同于以往报道 的液化开裂机制—连续孔隙状裂纹. 文中将采用激 光对该合金进行焊接，并对该类型裂纹进行详细表 征，分析其产生机理. 研究结果旨在为焊接接头液 化开裂理论的发展和液化裂纹的控制提供参考.
2 试验结果与分析
2.1 热影响区的液化特征 图 1 所示为 ZK60 镁合金母材显微组织形貌及
成分分析图谱. 从图 1a 中可以看出，母材的晶粒上 分布着密集的孪晶，其周围被许多细小的再结晶晶 核所包围，呈现典型的轧制态塑性变形组织. 通过 扫描电镜还可以观察到呈条带状分布的残余第二 相颗粒，如图 1b 所示. 通过能谱和 X 射线衍射分 析发现，这种白色的第二相颗粒主要为 MgZn 相， 如图 1c，1d 所示. ZK60 镁合金是一种凝固温度范 围极宽的金属材料，该合金的平衡凝固液相线和固 相线温度分别为 640，420 ℃，当母材中残留有 MgZn 相，其固相线温度仅为 341 ℃，凝固范围宽至 299 ℃ (341 ~ 640 ℃)[9]. 因此，该合金在焊接过程中，其 HAZ 将会发生显著的液化现象.
成连接热影响区和焊接熔池的液相பைடு நூலகம்道；冷却过程中，由于熔池区熔体体积收缩促使热影响区中的液相流向熔池；
凝固末期，通道因胞状晶生长而被堵塞，导致液相无法从熔池回填，从而在热影响区形成连续孔隙状裂纹.
关键词： 焊接缺陷；热影响区；液化裂纹；部分熔化区；热裂纹
中图分类号：TG 401
文献标识码：A
doi：10.12073/j.hjxb.2019400132
能谱分析区
相对强度 I (cps) 衍射峰相对强度 I (a.u.)
(a) 金相组织
50 μm
(b) 背散射形貌
30 μm
2 000
1 600 1 200
元素 质量分数 w (%) 原子分数 a (%)
Zn
Zn
24.69
46.85
Mg
75.31
53.15
Mg MgZn
800
400 Mg
Zn
0 02
4 6 8 10 12 14 能量 E/keV
第 40 卷 第 5 期 2019 年 5 月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.40(5):084 − 088 May 2019
热影响区连续孔隙状裂纹的表征及产生机理
俞照辉1， 严红革2， 严军辉1， 文 忠1， 李 玮1
(1. 国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233；2. 湖南大学，长沙 410082)
与结晶裂纹相比，液化裂纹尺寸通常更小，更 难被控制和发现，易遗漏在焊缝中成为裂纹源，严 重影响焊接结构和产品的服役性能和安全[5]. 在早 期的钢铁焊接中，学者将液化裂纹产生的原因简单 归结为杂质元素和低熔点共晶成分的熔化所引起[5]. 随着铝合金、稀有金属、高合金材料的大规模应用， 人们发现液化裂纹的产生机理非常复杂，原有的理 论已不能很好地对其进行解释，这引起了焊接冶金 研究工作者浓厚兴趣[6]. 一些学者对铝合金焊接接 头液化问题进行了深入的研究，总结了多达 6 种的 液化机制，并将靠近熔合线附近，焊接过程中有部 分液相产生的狭窄区域独立定义为部分熔化区 (partially melted zone, PMZ). 他们还提出，焊接接 头的液化裂纹倾向与材料的凝固温度区间、残余的
0 序 言
新材料的应用在焊接生产中带来了许多新的 问题，其中较为普遍而又十分严重的问题就是焊接 热裂纹问题，主要包括：焊缝区 (fusion zone, FZ) 结 晶裂纹和热影响区 (heat-affected zone, HAZ) 液化 裂纹[1]. 自焊接技术应用以来，热裂纹造成了一系 列重大事故和损失，因此，它一直以来都是相关工 作者的关注重点[2-4].
焊接时，试样采用对接形式进行自熔焊接，不 添加任何填充材料，且采用高纯氩气进行双面 保护.
焊接工艺参数设置如下：离焦量固定为 0 mm； 激光功率分别为 800，1 000，1 200 和 1 400 W；焊接 速度分别为 2.0，2.5，3.0 和 3.5 m/min.
第5期
俞照辉，等：热影响区连续孔隙状裂纹的表征及产生机理
摘 要： 以凝固温度范围极宽的合金为对象，研究焊接热影响区的液化现象，表征该区域中出现的连续孔隙状裂
纹，并分析其产生机理. 结果表明，连续孔隙状裂纹的产生与母材中残余第二相颗粒的连续分布、热影响区中出现
的严重液化现象及液相的流失密切相关. 其产生机理在于：焊接加热时，第二相颗粒加剧了晶界液化的程度，并形
(c) 能谱分析图谱
30 40 50 60 70 80 衍射角 2θ/(°)
(d) X 射线衍射图谱
图 1 轧制态母材的显微组织形貌 Fig. 1 Microstructures and compositions analysis of the as-rolled based metal
85
焊后，金相腐蚀剂分别采用 5% 酒石酸溶液和 3% 柠檬酸溶液，侵蚀时间为 5 s. 采用背散射电子 观察焊缝的第二相颗粒，并通过能谱和 X 射线衍射 分析颗粒的成分. 通过室温拉伸试验筛选断口试 样，选取拉伸性能相对较低，断裂发生熔合线附近 或者热影响区的试样，在扫描电镜上观察断口形 貌，并搜寻连续孔隙状裂纹和空穴.
1 试验方法
试验采用规格为 120 mm × 50 mm × 2 mm 的 轧制态 ZK60 镁合金板材试样，其名义化学成分为 6.0%Zn， 0.45%Zr(质 量 分 数 )， 其 余 主 要 为 Mg. 为了研究残留第二相颗粒对热影响区液化的影响， 板材轧制成形后不做任何热处理. 焊前采用化学与 机械联合清理的方式去除板材上残余的油脂和氧 化膜. 为增大拘束力，试样两端采用夹具进行刚性 固定. 焊接设备采用 GS−TFL−6000W 高功率横流 CO2 激光器.