不锈钢薄板焊接裂纹成因分析

万萍

中煤第九十二工程有限公司 河北邯郸 056106

近年来，对钢铁、石油化工、舰船、电力方面冷裂纹研究较多，但对汽车工业方面冷裂纹研究较少[1]。随着汽车工业的发展，焊接工艺在齿轮组件等汽车零部件上的运用日益广泛，裂纹产生的危害日益增多，从降低扩散氢含量、改善组织等方面提出多种解决方法。

1 焊接裂纹成因

低延性的不锈钢薄板合金塑性较差，焊接时极易发生开裂，不同加工状态的不锈钢薄板合金，裂纹形成位置也有所差别。轧制态的不锈钢薄板合金，焊接裂纹与焊接方向及板材轧制方向密切相关，当焊接方向垂直于轧制方向时会在焊缝内部形成平行于焊接方向的裂纹；而当焊接方向平行于轧制方向时则会在母材中形成焊接裂纹，焊缝内部几乎没有裂纹。关于不锈钢薄板合金焊接裂纹的成因，目前被人们广为接受的主要原因有：焊后残余应力大、接头冷却速度快和焊缝组织转变不充分。不锈钢薄板合金的塑性较差，焊接时难以通过塑性变形释放应力，当热致应力的幅值超出接头承载极限时便会发生开裂。采用有限元方法对不锈钢薄板合金电子束焊接应力场进行模拟，模拟结果显示焊后接头沿焊接方向存在较大的残余拉应力，且应力峰值出现在焊缝中心区域，与试验结果十分吻合。结果表明，接头冷却速度较大时，焊缝中的α相有序化转变为脆性α2-Ti3Al相，使接头发生开裂；随着冷却速度的降低，残余α相逐渐转变为块状γ-不锈钢薄板相α2/γ层片组织，使接头的裂纹敏感性降低。对于Ti-45Al-2Nb-2Mn合金，当冷却速度降低至240℃/s时，残余α相全部转变为块状γ相和α2/γ层片组织，焊接裂纹消失。综上可知，不锈钢薄板合金焊接时会产生较大的残余应力，过快的冷却速度会抑制接头残余α相的转变，而使脆性相保留至室温，增大接头的裂纹敏感性，并且不锈钢薄板合金的焊接裂纹的产生往往是多个因素共同作用的结果。

2 焊接裂纹控制措施

2.1 钎料成分设计

钎焊是采用熔点比母材低的金属作为钎料，在一定条件下实现材料连接的方法，其中钎料成分是影响钎焊连接最重要的影响因素。与熔焊相比，钎焊温度低于母材熔点，并且通常采用整体加热、缓慢冷却，因此该方法对母材组织和性能影响小，焊接残余应力小。不锈钢薄板合金钎焊裂纹通常是因为钎料的选择不当，导致钎缝中生成大量脆性相而使接头发生开裂。因此，钎料成分的设计成为抑制不锈钢薄板合金钎焊裂纹的关键。目前应用较多的钎料包括Ag基和Ti基钎料。Ag基钎料的延展性较好，能提高钎缝的室温塑性，使部分焊接残余应力得到释放。采用Ag基钎料B-Ag72Cu-780对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金进行钎焊连接。研究发现，钎料中的Cu易向母材扩散，与Ti、Al发生反应，钎焊温度过高或保温时间过长时易生成大量的脆性AlCu2Ti金属间化合物使接头发生开裂，当钎焊温度为900℃，保温时间为1min时，既可以保证扩散反应的充分进行又能避免大量脆性金属间化合物的生成，实现不锈钢薄板合金的无裂纹焊接，接头最高剪切强度可达149MPa。作为一种高温材料，不锈钢薄板合金常用于汽车发动机、涡轮叶片等高温部件，为保证不锈钢薄板合金的高温性能，通常采用Ti基钎料对其进行焊接。S采用Ti基共晶钎料Ti-28Ni（质量分数，%）连接高铌不锈钢薄板合金。研究表明，在1100℃的钎焊温度下保温时间过长时，合金中会形成较厚的α2-Ti3Al脆性金属间化合物反应层，使钎缝发生开裂。合理控制保温时间能够避免连续α2脆性相的生成，而使其与Ti2Ni相形成网状混合组织，使接头的室温和高温（500℃）剪切强度分别达到248.6MPa和166.4MPa。

2.2 大电流焊接弧焊连接方法

因其高度的灵活性和适应性被广泛应用于各种材料的连接。但是，不锈钢薄板合金弧焊连接时由于冷却速度快，焊缝金属相转变受到抑制，易生成脆性的α2相，使接头在焊接残余应力的作用下发生开裂。为抑制焊接裂纹，通常采用大电流焊接方法以增加焊接热输入、降低接头冷却速度、延长接头的高温停留时间[2]。

2.3 中间层金属设计

自蔓延连接是一种利用中间层自蔓延高温合成反应释放的能量作为焊接热源，以中间层反应产物作为焊料来连接被焊母材的技术。中间层金属在该连接方法中起着至关重要的作用，设计合理的中间层材料，避免大量脆性相的生成是实现不锈钢薄板合金可靠连接的关键。高温自蔓延的焊接热作用范围仅限于中间层金属及其邻近区域，焊接残余应力小，能够快速实现不锈钢薄板合金的无裂纹焊接。但是，第三种合金元素的引入会导致脆性相的生成，接头性能无法满足应用需求，中间层材料的成分还需进一步探索。

2.4 焊前预热及焊后热处理

焊前预热及焊后热处理是不锈钢薄板合金高能束焊接常用的防裂措施。高能束焊接具有加热冷却速度快的特点，采用这种热补偿方法能够降低焊接冷却速度，并使焊接残余应力得到一定程度的释放。通过改变焊前预热温度及焊接参数来控制接头的冷却速度，并且系统地研究了不锈钢薄板电子束焊接时焊缝冷却速度对焊接裂纹的影响，指出当焊接冷却速度低于250℃/s时焊缝中脆硬的α2相转变为块状γ相和层片组织，接头中无焊接裂纹出现。为确定预热温度对不锈钢薄板合金电子束焊接接头组织的影响，对不同预热温度下的不锈钢薄板合金进行焊接。结果表明，焊前预热虽能够降低接头的冷却速度，得到无裂纹的焊接接头，但是较高的预热温度会造成元素偏析，在焊缝中形成树枝晶。为解决焊前预热导致的元素偏析和晶粒粗大的问题，使用合金电子束复合控制焊接的新方法[3]。

3 结语

不锈钢薄板合金焊接裂纹问题的解决对于不锈钢薄板合金结构件在高温条件下的大规模应用有着十分重要的意义。现有裂纹控制措施虽能抑制焊接裂纹的产生，但获得的焊缝组织并不理想，仍需进行焊后退火处理，使得焊接成本提高。因此，可考虑向焊缝中引入合金元素，在改善焊缝组织的同时降低焊接成本。