根據(jù)鋁合金焊接時產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)理，可以從冶金因素和工藝因素兩個方面進(jìn)行改進(jìn)，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。
 

　　在冶金因素方面，為了防止焊接時產(chǎn)生晶間熱裂紋，主要通過調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)或向填加金屬中添加變質(zhì)劑。調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點(diǎn)，從抗裂角度考慮，在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區(qū)間相對應(yīng)，少量易熔共晶的存在總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時的合金組元，以便能產(chǎn)生“愈合”作用。而作為變質(zhì)劑向填加金屬中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素，企圖通過細(xì)化晶粒來改善塑性、韌性，并達(dá)到防止焊接熱裂紋的目的嘗試，在很早以前就開始了，并且取得了效果。圖3給出剛性搭接角焊縫的條件下 Al-4.5%Mg 焊絲中加入變質(zhì)劑的抗裂試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)中加入的 Zr 為 0.15%，Ti+B 為 0.1%。可見，同時加入 Ti 和 B 可以顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B 及 Ta 等元素的共同特點(diǎn)，是都能同鋁形成一系列包晶反應(yīng)生成難熔金屬化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta 等）。這種細(xì)小的難熔質(zhì)點(diǎn)，可成為液體金屬凝固時的非自發(fā)凝固的晶核，從而可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒作用。 
 

　　在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應(yīng)力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變增長速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接過程，可防止形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向?？梢?，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當(dāng)降低焊接速度等措施。通過預(yù)熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力相應(yīng)降低，減小了在脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當(dāng)?shù)亩ㄎ?、焊接順序；焊接結(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。對于 5000 系合金多層焊的焊接接頭，往往由于晶間局部熔化而產(chǎn)生顯微裂紋，因此必須控制后一層焊道焊接熱輸入量。
 

圖2　不同焊絲裂紋開裂度

圖3　XH01為填充焊絲時的魚骨狀試樣焊縫形態(tài)

3.2　焊縫金相組織
用母材、S331和XH01為焊絲，焊縫的金相照片如圖4。焊縫的金相組織主要由α(Al)+η(MgZ n₂)+T(Mg₃Zn₃Al₂)+S(CuMgAl₂)等相組成。白色基體為α相，黑色組織為α+T、 α+S組成的二元共晶、α+η+T組成的三元共晶及夾雜相。從圖4可以看出，以母材為焊絲， 焊縫晶粒最粗大，樹枝特征明顯，晶間共晶體呈網(wǎng)狀傾向最嚴(yán)重，共晶體中還存在灰色相， 這可能是前述的母材中的銅、錳與雜質(zhì)元素鐵、硅形成的有利于裂紋擴(kuò)展的金屬間化合物： Cu₂FeAl₇ 、(FeMn)₃Cu₂Al₁₂、(FeMn)Al₆和(FeMn)Al^［1］，在焊縫凝固過程存在比較嚴(yán)重的晶界偏析，凝固過程中的低熔共晶薄膜和其它夾雜相也存在于晶界，這對于已較薄弱的晶界有催化作用，因而這種條件下最易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。填充S331焊絲，一定程度上細(xì)化了晶粒，減少了共晶體數(shù)量和網(wǎng)狀傾向，共晶體形狀為枝晶狀和蠕蟲狀的混合狀，且彌散化。填充XH01焊絲，晶粒最細(xì)小，共晶體形態(tài)呈較小蠕蟲狀并進(jìn)一步彌散化，數(shù)量上也有所減少。Ti、Zr、RE、B等元素能強(qiáng)烈地提高鋁合金再結(jié)晶溫度^［3］，因而，焊絲中含這些元素，這些元素的金屬間化合物呈彌散質(zhì)點(diǎn)存在時，能有效阻止晶粒長大，起到了增加形核，細(xì)化晶粒的作用。而二元、三元共晶熔點(diǎn)低，故共晶體數(shù)量的增多，使焊縫金屬的凝固區(qū)間寬和沿晶界的共晶連續(xù)程度增大及晶間有利于裂紋擴(kuò)展的金屬間化合物增多，均使晶粒彼此分離的程度增大，使焊縫產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大。可見，LC₉CS超硬鋁熱裂紋傾向的大小，與焊縫的成分和組織有著極大的關(guān)系，而填充金屬的成分正是起到關(guān)鍵的作用 。
3.3　裂紋表面掃描電鏡形貌
圖5是采用上述三種焊絲的魚骨狀試樣裂紋起始端表面形貌掃描電鏡照片。從圖5a可見，采 用母材為填充焊絲，裂紋起始端表面有呈“液化球狀”的共晶物和液膜皺褶，說明裂紋在焊縫液態(tài)金屬較多時產(chǎn)生，表面還存在少量二次裂紋，有少量枝晶 被拉斷的痕跡。從圖5b、c可見，采用S331焊絲，裂紋表面有枝晶特征的熱裂紋晶界和一部分由已凝固金屬所形成的撕裂嶺，主要為沿晶液膜斷裂；采用XH01焊絲，枝晶特征的熱裂紋晶界不明顯，分離晶界表面呈等軸化，有大面積的連接晶粒被拉斷的痕跡，這表明裂紋在焊縫金屬基本凝固時產(chǎn)生，呈沿晶液膜斷裂與穿晶斷裂的混合斷口，焊縫抗裂性能好。

圖4　焊縫金相組織(a-母材為焊絲； b-S331焊絲； c-XH01焊絲，混 合酸侵蝕)　200×

圖5　魚骨狀試樣裂紋表面形貌掃描電鏡照片(a-母 材為焊絲；b-S331焊絲；c-XH01焊絲)　500×

　　(1)在含Mg、Mn、Zn的基礎(chǔ)上，焊絲中添加適量的Ti、B、Zr、RE等元素，能有效地提高LC9CS超硬鋁焊縫的抗熱裂性能，其魚骨狀熱裂試樣開裂度比采用母材為填充焊絲和采用S 331焊絲分別降低1100%和350%。
(2)采用母材為填充焊絲時，魚骨狀試樣裂紋表面有較多的液化球狀共晶物，裂紋在焊縫金屬液態(tài)較多時產(chǎn)生，枝晶被強(qiáng)行拉斷的痕跡少；采用S331焊絲，裂紋主要為沿晶液膜開裂；采用XH01焊絲，裂紋表面有較大面積的枝晶被強(qiáng)行拉斷的痕跡，呈沿晶液膜開裂與穿晶斷裂的混合斷口。
(3)焊絲中適量的Ti、B、Zr、RE等細(xì)化了焊縫晶粒，改善了低熔點(diǎn)共晶形態(tài)(呈較短小的蠕 蟲狀并彌散化)和晶界特性，提高了焊縫的抗裂性。
(4)通過采用成分合適的焊絲和合適的焊接工藝，可較大程度地提高LC₉CS超硬鋁的可焊性 。


　中圖分類號：TG422.3；TG457.14　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A　　　文章編號：1001-3814(2000) 03-0013-03