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摘要：本文对铝合金车体焊接裂纹的产生过程和机理进行了分析，并从冶金、工艺角度提出了积极的预防意见。
关键词：铝合金；焊接；裂纹；机理；预防
引 言
近年来，铝合金材料在车辆、船舶、航空、化工、机械等领域得到了广泛应用。随着我国铁路运输的快速发展特别是高速列车的兴起，铝合金以其独特的轻量化、高强度、耐腐蚀等优势和焊接技术的不断完善，在铁路列车制造行业中一枝独秀，受到铁路运输部门及用户的青睐。
尽管如此，铝合金车体在焊接过程中同时也存在诸多问题，如裂纹、气孔、接头等强性、易氧化等，但最主要的还是裂纹问题，它的危害性最大，裂纹不只是因为它的危害性大，还因为它有时极具隐蔽性，不易被发现，比如微观裂纹和内部裂纹。因此，裂纹是一种让企业很头疼的焊接缺陷。
裂纹如此猖狂，企业是否束手无策呢？ 答案当然不是，在工艺方法得当的情况下，裂纹是可以得到有效预防的。
1 铝合金焊接裂纹分类
铝合金焊接裂纹通常为热裂纹，其形成原因：在凝固过程中高温金属的性能、形态和收缩应变随温度的降低而改变，金属在凝固过程中收缩受到周围金属的阻碍，在晶界受到拉伸应力的作用导致晶间不连续。热裂纹类型有两大类：结晶裂纹，液化裂纹。结晶裂纹包含焊缝区纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹，液化裂纹包括热影响区的焊趾裂纹、层状撕裂和熔合线附近的显微裂纹。
2 铝合金焊接裂纹产生的过程及机理
铝合金焊接时焊接熔池的结晶分为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的延长，晶核逐渐长大，并且出现新的晶核，但是在这个过程中液相始终占有较多的数量，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。在这种情况下，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，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，并且不断倾轧在一起，这时候液态铝合金的流动受到阻碍，也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，晶体本身的变形可以强烈发展，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。因此，这个阶段叫做“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。在一般情况下，杂质较少的金属（包括母材和焊接材料），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。如果焊缝中杂质比较多，则脆性温度区间范围比较宽，拉伸应力在这个区间的作用时间比较长，产生裂纹的倾向较大。
3 铝合金焊接裂纹的预防
根据普洛霍洛夫理论，结晶裂纹的产生与否主要取决于以下3方面：脆性温度区间的大小；在此温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。
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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为产生焊接热裂纹的冶金因素，而把脆性温度区内金属的变形率大小称为力学因素。
在焊接过程中，冶金因素和力学因素的综合作用将归结为两个方面，即是强化金属联系还是弱化金属联系。如果在冷却时，焊接接头金属中正在建立强度联系，在一定刚性拘束条件下能够顺从地应变，焊缝与近缝区金属能够承受外加拘束应力与内在残余应力的作用时，裂纹就不容易产生，焊接接头的金属裂纹敏感性低，反之，当承受不住应力作用时，金属中强度联系容易中断，就会产生裂纹。在这种情况下，焊接接头金属的裂纹敏感性较高。焊接接头金属从结晶凝固的温度开始，以一定的速度冷却到室温，其裂纹敏感性决定于变形能力和外加应变的对比以及变形抗力与外加应力的对比。然而在冷却过程中，在不同的温度阶段，由于晶间强度与晶粒强度增长的情况不同、变形在晶粒间和晶粒内部的情况分布不同、由应变所诱导的扩散行为不同、应力集中的条件以及导致金属脆化的因素不同，焊接接头具体的薄弱环节以及它弱化的因素和程度也是不同的。
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充金属中添加变质剂。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。而作为变质剂向填充金属中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素，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。这种细小的难熔质点，可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核，从而可以产生细化晶粒作用。
在工艺因素上，为了减小铝合金裂纹发生几率，可以从以下几方面进行控制：
（1）合理搭配焊接参数，控制焊接线能量：控制好了焊接线能量，金属不会发生过热问题，其高温韧性能够得到很好的改善。但是为了保证熔合良好，焊接线能量也不能过低。
（2）控制预热和层间温度：当环境温度低于5℃时，需进行预热，目的在于弥补焊接热输入以防止未熔合导致的开裂。层间温度按照有关要求保持，不宜过高，否则容易发生过热，造成晶粒粗大。
（3）减小刚性拘束：很多时候为了控制焊接变形，人为施加过强的刚性拘束，在焊缝凝固时由于收缩需求得不到满足，会增加拉应力，从而增加裂纹倾向。
（4）选择热能集中的热源：可快速进行焊接，缩短受热时间，减小金属变形，从而达到减小内应力的目的。
（5）操作方面：焊缝中断或结束位置，一般都是焊接缺陷多发区，在填满弧坑后，收弧时将焊枪往回返回一段在熄弧，熄弧后对焊缝进行打磨。
（6）焊接顺序和点固顺序：减小变形
（7）采用收弧板：将裂纹等焊接缺陷赶出去。
（8）合理选用焊接材料：选择抗裂性好的焊接材料
（9）焊前清洁：焊前母材及焊接材料上得氧化膜或油污等，在焊后可能会成为裂纹发源地。
（10）焊接设备：选择的焊接电源能够在起弧时提供相对较大的电流，在正常焊接后电流维持正常，这样可以很好的防止焊缝开始时由于热量不够而出现熔合不良问题，某种程度上对裂纹起到预防作用。
参考文献
[1] 陈玉喜，材料成型原理，中国铁道出版社，2002
[2] 宫博，铝及铝合金中常见的焊接裂纹及其防止措施，中国学术期刊电子杂志出版社 2012年第9期
[3] 周万盛，铝、镁及其合金的焊接，焊接手册
论文作者:周武生,王立国,任海涛,艾启文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/28
标签：裂纹论文; 铝合金论文; 金属论文; 温度论文; 应力论文; 脆性论文; 熔池论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;