铝合金焊接接头产生裂纹特征及产生机理

铝是银白色的轻金属,具有良好的塑性、较高的导电性和导热性,同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝焊接时极易在焊缝中产生夹杂物,从而破坏金属的连续性和均匀性,降低其机械性能和耐腐蚀性能。铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中， 纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。
（8）焊接接头的耐腐蚀性能低于母材
热处理强化铝合金(如硬铝)接头的耐腐蚀性的降低很明显，接头组织越不均匀，耐蚀性越易降低。焊缝金属的纯度或致密性也影响接头耐蚀性能。杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性就会明显下降，不仅产生局部表面腐蚀而且经常出现晶间腐蚀，此外对于铝合金，焊接应力的存在也是影响耐蚀性的一个重要因素。 为了提高焊接接头的耐蚀性，主要采取以下几个措施[5]：1、改善接头组织成分的不均匀性。主要是通过焊接材料使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时调整焊接工艺以减小热影响区，并防止过热，焊后热处理。2、消除焊接应力，如局部表面拉应力可以采用局部锤击办法来消除。3、采取保护措施，如采取阳极氧化处理或涂层等。
（6）合金元素蒸发ห้องสมุดไป่ตู้烧损
某些铝合金含有低沸点的合金元素，这些元素在高温下容易蒸发烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，降低了焊接接头的性能。为了弥补这些烧损，在调整工艺的同时，常常采用含有这些沸点元素含量比母材高的焊丝或其他焊接材料。
（7）铝在高温时的强度和塑性低
铝在370℃时强度仅为10Mpa，焊接时会因为不能支撑住液体金属而使焊缝成形不良，甚至形成塌陷或烧穿，为了解决这个问题，焊接铝及铝合金时常常要采用垫板。
（2）铝的热导率和比热大，导热快
尽管铝及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝合金的导热系数、比热容都很大，比钢大一倍多，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，有时需采用预热等工艺措施，才能实现熔焊过程。
（3）线膨胀系数大
铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时体积收缩率达6．5%－6．6%，因此易产生焊接变形。防止变形的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺序外，采用适宜的焊接工装也是非常重要的，焊接薄板时尤其如此。另外，某些铝及铝合金焊接时，在焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和在热影响区形成液化裂纹的倾向性均较大，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。这是铝合金，尤其是高强铝合金焊接时最常见的严重缺陷之一。在实际焊接现场中防止这类裂纹的措施主要是改进接头设计，选择合理的焊接工艺参数和焊接顺序，采用适应母材特点的
（9）无色泽变化，给焊接操作带来困难
铝及铝合金焊接时由固态转变为液态时，没有明显的颜色变化，因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。因此，要求焊工掌握好焊接时的加热温度，尽量采用平焊，在引(熄)弧板上引(熄)弧等[1]。
1.4铝合金焊接方法
几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便[8]。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法[10]。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）[3]。
（5）焊接接头容易软化
焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影响，焊接接头中热影响区会出现软化，即强度降低，使基体金属近缝区部位的一些力学性能变坏。对于冷作硬化的合金也是如此，使接头性能弱化，并且焊接线能量越大，性能降低的程序也愈严重。针对此类问题，采取的措施主要是制定符合特定材料焊接的工艺，如限制焊接条件，采取适当的焊接顺序，控制预热温度和层间温度，焊后热处理等。对于焊后软化不能恢复的铝合金，最好采用退火或在固溶状态下焊接，焊后再进行热处理，若不允许进行焊后热处理，则应采用能量集中的焊接方法和小线能量焊接，以减小接头强度降低。
1.3铝合金的焊接特点
（1）强的氧化能力
铝与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生成致密而结实的AL2O3薄膜，厚度约为0．1μm，熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点，而且密度很大，约为铝的1．4倍。在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。这些缺陷，都会降低焊接接头的性能。为了保证焊接质量，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护，这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。具体的保护措施是[4]：1、焊前用机械或化学方法清除工件坡口及周围部分和焊丝表面的氧化物；2、焊接过程中要采用合格的保护气体进行保护；3、在气焊时，采用熔剂，在焊接过程中不断用焊丝挑破熔池表面的氧化膜。
焊接填充材料等。
（4）容易形成气孔
焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷，尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因，这已为实践所证明。氢的来源，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分，以焊缝气孔的产生，常常占有突出的地位。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，在高温下溶入的大量气体，在由液态凝固时，溶解度急剧下降，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，而聚集在焊缝中形成气孔。为了防止气孔的产生，以获得良好的焊接接头，对氢的来源要加以严格控制，焊前必须严格限制所使用焊接材料(包括焊丝、焊条、熔剂、保护气体)的含水量，使用前要进行干燥处理。清理后的母材及焊丝最好在2－3小时内焊接完毕，最多不超过24小时。TIG焊时，选用大的焊接电流配合较高的焊接速度。MIG焊时，选用大的焊接电流慢的焊接速度，以提高熔池的存在时间。Al－Li合金焊接时，加强正、背面保护，配合坡口刮削，清除概况氧化膜，可有效地防止气孔。
1.2铝合金的概述
铝合金是以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进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正成为研究的热点之一。
摘要
近几十年来，随着科学技术的不断进步，焊接技术也在不断进步，许多高效率和高性能的焊接方法得到了推广。铝及铝合金材料密度低，强度高，热电导率高，耐腐蚀能力强，无磁性，成形性好及低温性能好，具有良好的物理特性和力学性能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。但国产化的铝合金和铝合金焊接材料均与国外还存在着一定的差距。虽然已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但铝及铝合金由于具有独特的理化性能，因此在焊接过程中会产生一系列的困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”等。本文对铝合金焊接接头产生裂纹的特征及产生机理进行了分析，提出了几点防范措施。
KeyWords:aluminum alloy; Welding joint; Crack; Mechanism; measures
1绪论
1.1引言
铝及铝合金材料密度低,强度高,热电导率高,耐腐蚀能力强,具有良好的物理特性和力学性能,因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。随着焊接技术的广泛应用，目前已经应用铝及其合金焊成许多重要产品，但实际焊接生产中并不是没有困难，主要的问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、接头“等强性”等。由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如 Al2O3的熔点为 2050℃，MgO 熔点为 2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属中夹杂物。同时，氧化膜（特别是有 MgO 存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收较多水分而常常成为焊缝气孔的重要原因之一[1]。此外，铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。这些也都是焊接生产中颇感困难的问题。
关键词：铝合金；焊接接头；裂纹；机理；措施
Abstract
In recent decades, with the improvement of science and technology, the welding technology also continued to make progress, many high efficiency and high performance welding method for promotion. Aluminum and aluminum alloy material low density, high strength, and thermal conductivity high, corrosion resistance, and a strong ability without magnetic, forming the gender is good and low temperature performance is good, have good physical properties and mechanical properties, and widely used in industrial products of welding structure. But the aluminum alloy and aluminum alloy localization of welding materials are abroad and a big gap between the still exist. Although has been used aluminum alloys welding into many important products, but aluminum and aluminum alloy with their unique physical and chemical properties, so the welding process of will produce a series of difficulties, the main problem: the porosity, welding seam hot cracking, joint "aggressive", etc. In this paper, the aluminum alloy welding joint crack characteristics and produce mechanism are analyzed, and puts forward some preventive measures.