铝挤压材焊接裂纹形成机理与预防措施

程仁策|文

本文针对铝挤压材焊接过程中出现的焊接裂纹，研究并总结了铝挤压材焊接裂纹形成机理，并结合生产经验提出了铝挤压材的控制因素和焊接裂纹防止措施。

铝挤压材由于重量轻、导电性好、耐蚀性优异等特点广泛应用于轨道交通、汽车行业、电力行业、航空航天等领域。但由于受挤压机能力的限制，铝挤压材的最大宽度受到一定限制。因此用于制作车体、压力容器、集装箱、桥梁等方面的铝挤压材多采用机加工、焊接、铆接等方式工装，而焊接是应用最为广泛的铝挤压材连接技术。但铝合金由于具有导热系数高、凝固收缩量大、易氧化、液态吸氢等特点，使其焊接难度同钢材相比更大，出现裂纹等缺陷的几率也相应提高。

南山工业铝挤压材在轨道交通车体、集装箱、电力组合容器方面的应用较为广泛，目前给多家大型企业供货。在焊接应用中反馈个别挤压材会出现裂纹问题，但铝合金焊接裂纹的形成机理涉及焊接工艺、材料、焊接环境等多方面因素。作为焊接母材供应方，我们首先应明确导致焊接裂纹的母材原因并加强控制，同时了解焊接裂纹形成机理，便于同客户共同分析解决问题。通过相关文献资料和实际生产经验，笔者总结了铝挤压材焊接裂纹形成机理，提出了针对焊接裂纹缺陷铝挤压材应重点控制的几个方面，为有效降低焊接裂纹出现几率提供了方向。

铝合金焊接裂纹

焊接裂纹是指焊接完后在焊接接头区域形成的裂纹，不同区域裂纹类型不同，焊缝区多为纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹、显微裂纹和焊根裂纹，熔合线附近多为显微裂纹，热影响区中多为焊趾裂纹、层状裂纹。由于铝合金塑性好，尤其是焊接后热影响区附近会淬火软化，因此焊接接头出现冷裂纹几率较小。铝合金焊接基本为热裂纹，即在固相线温度上下一定范围内形成的，最主要的为结晶裂纹和液化裂纹。

在铝挤压材焊接过程中，出现的典型裂纹如图1所示。图1a所示为6系挤压管材和5系挤压管材焊缝，在进行气体打压试验后，出现微小气孔漏气。经分析基本确认为焊接工艺存在问题，补焊后漏气问题解决。图1b～d为6系挤压铝型材焊接后出现的焊接裂纹，经细致分析与探讨，裂纹形成是因焊接工艺、型材断面装配公差不合理所致。

铝合金焊接裂纹形成机理

裂纹的形成有两个必备条件，一是有利于形成裂纹源的应力集中位置，二是要有足够的应力促使应力集中位置形成裂纹源。对于铝合金焊接，能满足这两个条件并形成裂纹的区域包括焊缝区、熔合区、热影响区。对于焊缝区热裂纹，可以认为是结晶裂纹，最为成熟的裂纹形成机理是Prokhorov理论：金属在凝固过程中存在一个固、液相共存的脆性温度区间，其上限温度是晶体开始交织长合的温度，下限温度是固相温度或稍低于固相线温度。在此温度区间内，金属的延展性较差。当金属在此温度区间收缩变形量超过此时的延性值时，就会产生结晶裂纹。合金在脆性温度区间内的变形量最为显著，而在此温度区间内延性值又很低，因此裂纹一般产生于该温度区间。当焊缝金属的结晶过程发展到一定程度后，晶粒间发生了“楔住”的现象，即产生了晶间固相连接，从而开始形成骨架，而在未产生固相连接的液相处，由于其抗变形阻力很小，故变形集中于液相面，而此时的液相数量已较少，不能靠液相流动来产生变形，故容易在这些液相面开裂，形成凝固裂纹。

对于熔合区和热影响区内形成的热裂纹，可认为是液化裂纹。由于母材晶界或晶内第二相析出位置富含低熔点共晶相，在焊接热量影响下，温度达到共晶相的熔融温度，导致晶界或晶内第二相附近液化。而此时若有焊接约束、焊接应力或收缩应力影响，必将在液化部位形成裂纹源和微裂纹，若拉应力过大会在塑性整体下降的焊接接头继续扩展，形成宏观裂纹。

铝合金焊接裂纹防止措施

对于焊接裂纹的防止，必须综合考虑母材材质和状态、焊接工艺、焊接环境等因素。常见的控制方式如下：

（1）优化焊缝区合金成分：焊缝区属于冶金结合状态，而且在高热量输入条件下某些合金元素会烧损，因此必须通过焊接填充材料补充，但如果填充材料与母材成分匹配性差，也会降低焊缝区塑性。通常会将Ti、Zr、V、B等微量元素作为变质剂加入到填充材料中，以此来细化焊缝区晶粒，改善其塑性和韧性。同时还要降低Fe、Si、Na元素含量，消除其不利影响。

（2）合理设计焊接坡口形式、坡口角度、成形系数，避免焊接过程中引入较大焊接应力。

（3）焊前预处理：焊接前进行有效的预处理，包括焊缝附近母材的化学清洗和表面清洗；焊丝或焊条的干燥存放和焊前清洗；必要时进行预热或热处理来提高材料焊接性；合理布置垫板位置来控制传热速率。

（4）焊接次序：根据待焊材料材质和结构类型等因素合理安排焊接次序，否则将有可能导致前后两道焊缝的应力集中。

（5）焊接工艺参数：焊接电流、焊接电压、焊接速度不但影响焊接熔池内金属结晶方式和速率，进而影响焊缝区组织结构和晶粒大小，而且也决定熔合区和热影响区晶界是否会液化。所以，焊接工艺参数要通过不断试验和摸索，确定最佳值。

对于铝型材加工企业，必须加强质量控制。可从以下几点考虑：

（1）挤压材缺陷

对于铝合金挤压材，常常会因铸棒质量或挤压工艺控制不当出现一系列缺陷，如挤压裂纹、夹渣、气孔、焊合不良、成层、缩尾、过烧。这六种缺陷如果出现在焊缝区附近，有可能导致微裂纹或宏观裂纹的出现。因此对于焊接用挤压材，必须保证挤压材补焊以上缺陷。

（2）氢含量

挤压材中氢含量要求一般为≤0.16ml/100gAl，用于焊接的挤压材中的氢含量应控制在更低范围内。这是由于如果氢含量过高，焊接融化时氢固溶到液态中，但凝固时又重新析出为氢气，形成应力集中的微小气孔，成为潜在的裂纹源形成点。

（3）晶粒度和脆性相

挤压材中晶粒度越大或表面存在一定厚度的粗晶层，将大大提升低熔点共晶相的富集程度，增大焊接液化裂纹的出现几率，而且会降低焊接接头的力学性能，这一点已经被相关试验证实。对易出现粗晶的6061、6082和2系合金，在挤压生产过程中必须尽量减小型材晶粒度。

此外，由Al和Fe、Mn、Cr等元素形成的脆性相在铸造时容易在晶界形成，如果未经有效均匀化热处理，这些脆性相仍会在晶界呈长条状分布，而且在挤压过程中也无法得到改善。脆性相不但增加挤压难度，还会弱化挤压材晶界。

（4）力学性能

挤压材力学性能主要通过合金状态体现，通常对抗拉强度、屈服强度、断后伸长率有要求。对于不同规格和形状的挤压材，考虑到挤压生产难度、运输要求或后续加工要求，对这三个指标要求会有所不同。比如我公司某客户采购的管材要求高断后伸长率，以满足大变形冷加工后再焊接的要求。

图1 铝挤压材焊接时出现的典型焊接裂纹

结束语

铝合金因其众多独特性，焊接难度本身大于钢材焊接，铝挤压材焊接裂纹缺陷的形成更是涉及焊接工艺、焊丝质量、母材质量、焊接环境等多方面因素，任何一个环节出现问题都会导致裂纹的出现和产品的报废。在全面深入了解焊接裂纹起因和防止措施前提下，焊接实施方必须要制定并实施合理的焊接工艺，挑选优质焊接填充材料；铝挤压材生产方必须严格控制影响焊接裂纹的各因素，保证挤压材质量。而且双方还要及时沟通工艺和材料用途变更，以免因控制措施更改不及时，造成不必要的经济损失。中