機械制造類的論文范文-鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機理探

1、機械制造類的論文范文-鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋特征及產(chǎn)生機理探討    智識期刊網(wǎng)（）專業(yè)提供職稱論文發(fā)表、各類畢業(yè)論文寫作指導服務！咨詢電話#160;    QQ:972865352摘要：近 40 年來，由于焊接技術(shù)的進步，高效率和高性能的焊接方法得到了推廣，鋁及鋁合金在車輛、船舶、建筑、橋梁、化工機械、低溫工程和宇航工業(yè)等各種結(jié)構(gòu)方面的應用在不斷擴大，但國產(chǎn)化的鋁合金和鋁合金焊接材料均還存在著一定的差距。對鋁合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋的特征及產(chǎn)生機理進行了分析，提出了幾點防范措施。 關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接

2、接頭；裂紋；機理 雖然已經(jīng)應用鋁及其合金焊成許多重要產(chǎn)品，但實際焊接生產(chǎn)中并不是沒有困難，主要的問題有：焊縫中的氣孔、焊接熱裂紋、接頭“等強性”等。由于鋁及其合金的化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)（如 Al2O3的熔點為 2050，MgO 熔點為 2500），加之鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度同鋁的密度極其接近，所以也容易成為焊縫金屬中夾雜物。同時，氧化膜（特別是有 MgO 存在的，不很致密的氧化膜）可以吸收較多水分而常常成為焊縫氣孔的重要原因之一。此外，鋁及其合金的線脹系數(shù)大，導熱性又強，焊接時容易產(chǎn)生翹曲變形。這些也都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的

3、問題。下面，對在試驗過程中產(chǎn)生比較嚴重的裂紋進行深入的分析。 1鋁合金焊接接頭中的裂紋及其特征 在鋁合金焊接過程中，由于材料的種類、性質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)的不同，焊接接頭中可以出現(xiàn)各種裂紋，裂紋的形態(tài)和分布特征都很復雜，根據(jù)其產(chǎn)生的部位可分為以下兩種裂紋形式： （1）焊縫金屬中的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、弧坑裂紋、發(fā)狀或弧狀裂紋、焊根裂紋和顯微裂紋（尤其在多層焊時）。 （2）熱影響區(qū)的裂紋：焊趾裂紋、層狀裂紋和熔合線附近的顯微熱裂紋。按裂紋產(chǎn)生的溫度區(qū)間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產(chǎn)生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點物質(zhì)的存在所引起的。根據(jù)所焊金屬的材料不同，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、

4、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它是在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時填充，在凝固收縮應力或外力的作用下發(fā)生沿晶開裂，這種裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區(qū)中被加熱到高溫的晶界凝固時的收縮應力作用下產(chǎn)生的。 在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當填充材料表面清理不夠充分時，焊接后焊縫中仍存在較多的夾雜和少量的氣孔。在三組號試驗中，由于焊接填充材料為鑄造組織，其中夾雜為高熔點物質(zhì)，焊接后在焊縫中仍將存在；又，鑄造組織比較稀疏，孔洞較多，易于吸附含結(jié)晶水的成

5、分和油質(zhì)，它們將成為焊接過程中產(chǎn)生氣孔的因素。當焊縫在拉伸應力作用下時，這些夾雜和氣孔往往成為誘發(fā)微裂紋的關(guān)鍵部位。通過顯微鏡進一步觀察發(fā)現(xiàn)，這些夾雜和氣孔誘發(fā)的微觀裂紋之間有明顯的相互交匯的趨勢。然而，對于夾雜物在此的有害作用究竟是主要表現(xiàn)為應力集中源從而誘發(fā)裂紋，還是主要表現(xiàn)為脆性相從而誘發(fā)裂紋，尚難以判斷。此外，一般認為，鋁鎂合金焊縫中的氣孔不會對焊縫金屬的拉伸強度產(chǎn)生重大影響，而本研究試驗中卻發(fā)現(xiàn)焊縫拉伸試樣中同時存在著由夾雜和氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象。氣孔誘發(fā)微裂紋的現(xiàn)象是否只是一種居次要地位的伴生現(xiàn)象，還是引起焊縫拉伸強度大幅度下降的主要因素之一，亦還有待進一步的研究。 2熱裂紋產(chǎn)生的

6、過程 目前關(guān)于焊接熱裂紋理論，國內(nèi)外認為較完善的是普洛霍洛夫理論。概括地講，該理論認為結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與否主要取決于以下3方面：脆性溫度區(qū)間的大?。辉诖藴囟葏^(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)具有的延性值稱為產(chǎn)生焊接熱裂紋的冶金因素，而把脆性溫度區(qū)內(nèi)金屬的變形率大小稱為力學因素。焊接過程是一系列不平衡的工藝過程的綜合，這種特征從本質(zhì)上與焊接接頭金屬斷裂的冶金因素和力學因素發(fā)生重要的聯(lián)系，如焊接工藝過程與冶金過程的產(chǎn)物即物理的、化學的與組織上的不均勻性、熔渣與夾雜物、氣體元素與處于過飽和濃度的空位等。所有這些，都是與裂紋的萌生與發(fā)

7、展有密切聯(lián)系的冶金因素。從力學因素方面看，焊接熱循環(huán)特定的溫度梯度與冷卻速度，在一定的拘束條件下，將使焊接接頭處于復雜的應力-應變狀態(tài)，從而為裂紋的萌生與發(fā)展提供必要的條件。 在焊接過程中，冶金因素和力學因素的綜合作用將歸結(jié)為兩個方面，即是強化金屬聯(lián)系還是弱化金屬聯(lián)系。如果在冷卻時，焊接接頭金屬中正在建立強度聯(lián)系，在一定剛性拘束條件下能夠順從地應變，焊縫與近縫區(qū)金屬能夠承受外加拘束應力與內(nèi)在殘余應力的作用時，裂紋就不容易產(chǎn)生，焊接接頭的金屬裂紋敏感性低，反之，當承受不住應力作用時，金屬中強度聯(lián)系容易中斷，就會產(chǎn)生裂紋。在這種情況下，焊接接頭金屬的裂紋敏感性較高。焊接接頭金屬從結(jié)晶凝固的溫度開始

8、，以一定的速度冷卻到室溫，其裂紋敏感性決定于變形能力和外加應變的對比以及變形抗力與外加應力的對比。然而在冷卻過程中，在不同的溫度階段，由于晶間強度與晶粒強度增長的情況不同、變形在晶粒間和晶粒內(nèi)部的情況分布不同、由應變所誘導的擴散行為不同、應力集中的條件以及導致金屬脆化的因素不同，焊接接頭具體的薄弱環(huán)節(jié)以及它弱化的因素和程度也是不同的。 導致焊接接頭金屬產(chǎn)生裂紋的冶金因素和力學因素有著較為密切的聯(lián)系，力學因素中的應力梯度和熱循環(huán)特征所確定的溫度梯度有關(guān)，而后者與金屬的導熱性密切相關(guān)，如金屬的熱塑性變化特征、熱膨脹性以及組織轉(zhuǎn)變等構(gòu)成的冶金因素，在很大程度上對焊接接頭金屬所處的應力-應變狀態(tài)起到重

9、要作用，此外，隨著溫度的降低與冷卻速度的變化，冶金因素和力學因素也都是在變化著的，在不同的溫度區(qū)間對焊接接頭金屬的強度聯(lián)系作用各不相同，如結(jié)晶溫度區(qū)間大，固相線溫度低，在晶粒間殘存的低熔液態(tài)金屬處，更容易引起應力集中，導致固相金屬產(chǎn)生裂紋；同樣，隨著溫度降低，如果收縮量較大，特別是在快速冷卻條件下，當收縮應變速率高，應力-應變狀態(tài)比較苛刻時也容易產(chǎn)生裂紋等等。 在鋁合金焊接時焊縫金屬凝固結(jié)晶的后期，低熔共晶體被排擠在晶體交遇的中心部位，形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，此時由于在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮產(chǎn)生較大的拉伸應力，這時候液態(tài)薄膜就形成了較為薄弱的環(huán)節(jié)，在拉伸應力的作用下就可能在薄弱地

10、帶開裂而形成裂紋。 3熱裂紋產(chǎn)生的機理 為了研究鋁合金焊接時那個時候最容易產(chǎn)生熱裂紋，把鋁合金焊接時焊接熔池的結(jié)晶分為3個階段。 第一個階段是液固階段，焊接熔池從高溫冷卻開始結(jié)晶時，只有很少數(shù)量的晶核存在。隨著溫度的降低和冷卻時間的延長，晶核逐漸長大，并且出現(xiàn)新的晶核，但是在這個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，對還未凝固的液態(tài)鋁合金的自由流動不形成阻礙。在這種情況下，即使有拉伸應力存在，但被拉開的縫隙能及時地被流動著的鋁合金液態(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)進行時，熔池中固相不斷增多，同時先前結(jié)晶的晶核不斷長大，當

11、溫度降低到某一數(shù)值時，已經(jīng)凝固的鋁合金金屬晶體相互彼此發(fā)生接觸，并且不斷傾軋在一起，這時候液態(tài)鋁合金的流動受到阻礙，也就是說熔池結(jié)晶進入了固液階段。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烈發(fā)展，晶體間殘存的液相則不容易流動，在拉伸應力作用下產(chǎn)生的微小縫隙都無法填充，只要稍有拉伸應力的存在就有產(chǎn)生裂紋的可能性。因此，這個階段叫做“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，受到拉應力時，就會表現(xiàn)出較好的強度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對來說較小。因此，當溫度高于或者低于 a-b 之間的脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，具有

12、較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質(zhì)較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區(qū)間較窄，拉應力在這個區(qū)間作用的時間比較短，使得焊縫的總應變量比較小，因此焊接時產(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，拉伸應力在這個區(qū)間的作用時間比較長，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。 4鋁合金焊接裂紋的防止措施 根據(jù)鋁合金焊接時產(chǎn)生熱裂紋的機理，可以從冶金因素和工藝因素兩個方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機率。 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，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)

13、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，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，企圖通過細化晶粒來改善塑性、韌性，并達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)劑的抗裂試驗結(jié)果。試驗中加入的 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

14、Ta 等元素的共同特點，是都能同鋁形成一系列包晶反應生成難熔金屬化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta 等）。這種細小的難熔質(zhì)點，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)生細化晶粒作用。 在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應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，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，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

15、的提高，促使增大焊接接頭的應變速度，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、預熱或適當降低焊接速度等措施。通過預熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應力相應降低，減小了在脆性溫度區(qū)間的應力；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?shù)亩ㄎ?、焊接順序；焊接結(jié)束或中斷時，應及時填滿弧坑，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。 而根據(jù)本文試驗所證明，對于鋁合金的焊接，母材和填充材料的表面清理工作也相當重要。材料的夾雜在焊縫中將成為裂紋產(chǎn)生的源頭，并成為引起焊縫性能下降的最主要原因。 參考文獻 1 阿榮. 鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝研究A. 蘭州理工大學碩士論文. 2004