摘要：近40年來，由于焊接技術(shù)的進(jìn)步，高效率和高性能的焊接方法得到推廣，鋁及鋁合金在車輛、船舶、建筑、橋梁、化工機(jī)械、低溫工程和宇航工業(yè)等各種結(jié)構(gòu)方面被廣泛應(yīng)用，由于材料本身的特珠性，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(qiáng)度，更是為應(yīng)用安全埋下了隱患。

焊接缺陷分為工藝缺陷和設(shè)計(jì)缺陷兩部分。工藝缺陷主要受生產(chǎn)中的人、機(jī)、料、法，環(huán)、測(cè)六大因素影響，如裂紋、氣孔、未融合尺寸偏差等;設(shè)計(jì)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(diǎn)介紹裂紋缺陷。

1、裂紋缺陷

裂紋通常分為焊縫裂紋和母材裂紋。

1.1焊縫裂紋

1.1.1焊縫裂紋產(chǎn)生的過程

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)于焊接熱裂紋理論，國(guó)內(nèi)外認(rèn)為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認(rèn)為結(jié)品裂紋的產(chǎn)生與否主要取決于以下3方面：脆性溫度區(qū)間的大小;在此溫度區(qū)間內(nèi)合金所具有的延性以及在脆性溫度區(qū)間金屬的變形率大小。

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索，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，其作川歸結(jié)為強(qiáng)化金屬聯(lián)系與化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時(shí)，焊接接頭金屬中正在建立強(qiáng)度聯(lián)系，在一定剛性約朿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(shí)，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)水受不住應(yīng)力作用時(shí)，金屬中的強(qiáng)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，治金因素和力學(xué)因素也都隨之變化，在不同的溫度區(qū)間對(duì)焊接接頭金屬的強(qiáng)度聯(lián)系作用各不相同，如果結(jié)晶溫度區(qū)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(shí)也容易產(chǎn)生裂紋。

1.2焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

為了研究鋁合金焊接時(shí)那個(gè)時(shí)候最容易產(chǎn)生熱裂紋，把鋁合金焊接時(shí)焊接熔池的結(jié)晶分為3個(gè)階段。

第一個(gè)階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開始結(jié)晶時(shí)，只有很少數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，晶核逐漸長(zhǎng)大，并且出現(xiàn)新的晶核，但是在這個(gè)過程中液相始終占有較多的數(shù)量，相鄰晶粒之間不發(fā)生接觸，對(duì)還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動(dòng)不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應(yīng)力存在，但被拉開的縫隙能及時(shí)地被流動(dòng)著的鋁合金液態(tài)金屬所填滿，因此在液固階段產(chǎn)生裂紋的可能性很小。

第二階段是固液階段，在焊接熔池結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，熔池中固相不斷增多，同時(shí)先前結(jié)晶的晶核不斷長(zhǎng)大，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時(shí)，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋?jiān)谝黄穑@時(shí)候液態(tài)鋁合金的流動(dòng)受到阻礙，也就是說熔池結(jié)晶進(jìn)入了固液階段。在這種情況下，由于液態(tài)鋁合金金屬較少，晶體本身的變形可以強(qiáng)烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則不容易流動(dòng)，在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應(yīng)力的存在就有產(chǎn)生裂紋的可能性。因此，這個(gè)階段叫做“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的焊縫，受到拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對(duì)來說較小。因此，當(dāng)溫度高于或者低于a-b之間的脆性溫度區(qū)時(shí)，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。在一般情況下，雜質(zhì)較少的金屬，由于脆性溫度區(qū)間較窄，拉應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間作用的時(shí)間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質(zhì)比較多，則脆性溫度區(qū)間范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個(gè)區(qū)間的作用時(shí)間比較長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。

1.3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(diǎn)：

a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(diǎn)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。

b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)力的大小使金屬熱輸入的因素過多的熱量輸入，會(huì)對(duì)金屬層間產(chǎn)生熔化作用晶間產(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(xiàng)措施，如提高焊接速度、降低焊角均可有效解決該類問題。

d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(gè)主要原因。

2、裂紋的預(yù)防措施

2.1防止結(jié)晶裂紋的措施：a減小硫、磷等有害元素的含量，用含碳量較低的材料焊接。b加入一定的合金元素，減小柱狀晶和偏析。如鋁、銳、鐵、鏡等可以細(xì)化晶粒。c采用熔深較淺的焊縫，改善散熱條件使低熔點(diǎn)物質(zhì)上浮在焊縫表面而不存在于焊縫中。d合理選用焊接規(guī)范，并采用預(yù)熱和后熱，減小冷卻速度。e采用合理的裝配次序，減小焊接應(yīng)力。

2.2再熱裂紋的防止：a注意冶金元素的強(qiáng)化作用及其對(duì)再熱裂紋的影響。b合理預(yù)熱或采用后熱，挖制冷卻速度。c降低殘余應(yīng)力避免應(yīng)力集中。d回火處理時(shí)盡量避開再熱裂紋的敏感溫度區(qū)或縮短在此溫度區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。

2.3防止冷裂紋的措施：a采用低氫型堿性焊條，嚴(yán)格烘干，在100-150℃下保存，隨取隨用。b提高預(yù)熱溫度，采用后熱措施，并保證層間溫度不小于預(yù)熱溫度，選擇合理的焊接規(guī)范，避免焊縫中出現(xiàn)洋硬組織。c選用合理的焊接順序，減少焊接變形和焊接應(yīng)力。d焊后及時(shí)進(jìn)行消氫熱處理。

3、針對(duì)鋁合金棒制造產(chǎn)生表面裂紋的解決辦法

解決這一問題的關(guān)鍵要考慮三個(gè)主要環(huán)節(jié):1是合金品種化學(xué)成分的控制。2是合金品種的鑄造工藝。3是操作技能以及自然條件。

鋁合金的結(jié)晶器又稱冷凝槽，對(duì)于鑄造起到?jīng)Q定性的作用。鋁合金結(jié)晶器的錐度的變化對(duì)于鑄造來說不可忽視。結(jié)晶器的錐度過大鑄造時(shí)扁錠的表面的偏析瘤會(huì)增大，一旦操作不好就會(huì)產(chǎn)生夾渣造成表面裂紋的產(chǎn)生，結(jié)晶器過窄鑄造合金棒時(shí)又會(huì)產(chǎn)生表面拉裂。一個(gè)好的熔鑄師傅會(huì)隨時(shí)調(diào)整結(jié)晶器的尺寸，以預(yù)防合金棒在鑄造產(chǎn)生的表面裂紋。

合金棒表面裂紋對(duì)于冷卻水來說又是至關(guān)重要的。冷卻水是否分布均勻，大面和小面強(qiáng)弱問題，水壓大小，水溫都對(duì)固液區(qū)域產(chǎn)生非常大的影響。案例1：有一家鋁業(yè)剛做合金棒時(shí)經(jīng)常發(fā)生表面裂紋，也沒有分析出原因，造成很大的浪費(fèi)，我的一位同事去這廠參觀才發(fā)現(xiàn)了問題，由于水溫太高，所以采用化學(xué)和物理的作用方法解決了表面裂紋問題。

(黃有廣 廣西廣銀鋁業(yè)有限公司百色分公司) 

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