铝焊丝成分对LC9CS超硬铝合金焊接抗热裂纹的影响

根据铝合金焊接时产生热裂纹的机理，可以从冶金因素和工艺因素两个方面进行改进，降低铝合金焊接热裂纹产生的机率。
 

　　在冶金因素方面，为了防止焊接时产生晶间热裂纹，主要通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂。调整焊缝合金系统的着眼点，从抗裂角度考虑，在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金属于典型的共晶型合金，最大裂纹倾向正好同合金的“最大”凝固温度区间相对应，少量易熔共晶的存在总是增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金组元，以便能产生“愈合”作用。而作为变质剂向填加金属中加入Ti、Zr、V 和 B 等微量元素，企图通过细化晶粒来改善塑性、韧性，并达到防止焊接热裂纹的目的尝试，在很早以前就开始了，并且取得了效果。图3给出刚性搭接角焊缝的条件下 Al-4.5%Mg 焊丝中加入变质剂的抗裂试验结果。试验中加入的 Zr 为 0.15%，Ti+B 为 0.1%。可见，同时加入 Ti 和 B 可以显著提高抗裂性能。Ti、Zr、V、B 及 Ta 等元素的共同特点，是都能同铝形成一系列包晶反应生成难熔金属化合物（Al3Ti、Al3Zr、Al7V、AlB2、Al3Ta 等）。这种细小的难熔质点，可成为液体金属凝固时的非自发凝固的晶核，从而可以产生细化晶粒作用。 
 

　　在工艺因素上，主要是焊接规范、预热、接头形式和焊接顺序，这些方法都是从焊接应力上着手来解决焊接裂纹。焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程中的应变增长速度，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，有利于快速进行焊接过程，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接电流，减慢焊接速度，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应变速度，而增大热裂的倾向。可见，增大焊接速度和焊接电流，都促使增大裂纹倾向。在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的钢性，在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施。通过预热，可以使得试件相对膨胀量较小，产生焊接应力相应降低，减小了在脆性温度区间的应力；尽量采用开坡口和留小间隙的对接焊，并避免采用十字形接头及不适当的定位、焊接顺序；焊接结束或中断时，应及时填满弧坑，然后再移去热源，否则易引起弧坑裂纹。对于 5000 系合金多层焊的焊接接头，往往由于晶间局部熔化而产生显微裂纹，因此必须控制后一层焊道焊接热输入量。
 

图2　不同焊丝裂纹开裂度

图3　XH01为填充焊丝时的鱼骨状试样焊缝形态

3.2　焊缝金相组织
用母材、S331和XH01为焊丝，焊缝的金相照片如图4。焊缝的金相组织主要由α(Al)+η(MgZ n₂)+T(Mg₃Zn₃Al₂)+S(CuMgAl₂)等相组成。白色基体为α相，黑色组织为α+T、 α+S组成的二元共晶、α+η+T组成的三元共晶及夹杂相。从图4可以看出，以母材为焊丝， 焊缝晶粒最粗大，树枝特征明显，晶间共晶体呈网状倾向最严重，共晶体中还存在灰色相， 这可能是前述的母材中的铜、锰与杂质元素铁、硅形成的有利于裂纹扩展的金属间化合物： Cu₂FeAl₇ 、(FeMn)₃Cu₂Al₁₂、(FeMn)Al₆和(FeMn)Al^［1］，在焊缝凝固过程存在比较严重的晶界偏析，凝固过程中的低熔共晶薄膜和其它夹杂相也存在于晶界，这对于已较薄弱的晶界有催化作用，因而这种条件下最易产生结晶裂纹。填充S331焊丝，一定程度上细化了晶粒，减少了共晶体数量和网状倾向，共晶体形状为枝晶状和蠕虫状的混合状，且弥散化。填充XH01焊丝，晶粒最细小，共晶体形态呈较小蠕虫状并进一步弥散化，数量上也有所减少。Ti、Zr、RE、B等元素能强烈地提高铝合金再结晶温度^［3］，因而，焊丝中含这些元素，这些元素的金属间化合物呈弥散质点存在时，能有效阻止晶粒长大，起到了增加形核，细化晶粒的作用。而二元、三元共晶熔点低，故共晶体数量的增多，使焊缝金属的凝固区间宽和沿晶界的共晶连续程度增大及晶间有利于裂纹扩展的金属间化合物增多，均使晶粒彼此分离的程度增大，使焊缝产生热裂纹的倾向增大。可见，LC₉CS超硬铝热裂纹倾向的大小，与焊缝的成分和组织有着极大的关系，而填充金属的成分正是起到关键的作用 。
3.3　裂纹表面扫描电镜形貌
图5是采用上述三种焊丝的鱼骨状试样裂纹起始端表面形貌扫描电镜照片。从图5a可见，采 用母材为填充焊丝，裂纹起始端表面有呈“液化球状”的共晶物和液膜皱褶，说明裂纹在焊缝液态金属较多时产生，表面还存在少量二次裂纹，有少量枝晶 被拉断的痕迹。从图5b、c可见，采用S331焊丝，裂纹表面有枝晶特征的热裂纹晶界和一部分由已凝固金属所形成的撕裂岭，主要为沿晶液膜断裂；采用XH01焊丝，枝晶特征的热裂纹晶界不明显，分离晶界表面呈等轴化，有大面积的连接晶粒被拉断的痕迹，这表明裂纹在焊缝金属基本凝固时产生，呈沿晶液膜断裂与穿晶断裂的混合断口，焊缝抗裂性能好。

图4　焊缝金相组织(a-母材为焊丝； b-S331焊丝； c-XH01焊丝，混 合酸侵蚀)　200×

图5　鱼骨状试样裂纹表面形貌扫描电镜照片(a-母 材为焊丝；b-S331焊丝；c-XH01焊丝)　500×

　　(1)在含Mg、Mn、Zn的基础上，焊丝中添加适量的Ti、B、Zr、RE等元素，能有效地提高LC9CS超硬铝焊缝的抗热裂性能，其鱼骨状热裂试样开裂度比采用母材为填充焊丝和采用S 331焊丝分别降低1100%和350%。
(2)采用母材为填充焊丝时，鱼骨状试样裂纹表面有较多的液化球状共晶物，裂纹在焊缝金属液态较多时产生，枝晶被强行拉断的痕迹少；采用S331焊丝，裂纹主要为沿晶液膜开裂；采用XH01焊丝，裂纹表面有较大面积的枝晶被强行拉断的痕迹，呈沿晶液膜开裂与穿晶断裂的混合断口。
(3)焊丝中适量的Ti、B、Zr、RE等细化了焊缝晶粒，改善了低熔点共晶形态(呈较短小的蠕 虫状并弥散化)和晶界特性，提高了焊缝的抗裂性。
(4)通过采用成分合适的焊丝和合适的焊接工艺，可较大程度地提高LC₉CS超硬铝的可焊性 。


　中图分类号：TG422.3；TG457.14　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3814(2000) 03-0013-03