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問題
有人和我說在使用5356焊絲焊接6061-T6母材時，焊接接頭的坡口設計焊縫的裂紋敏感性有較大影響。這是真的嗎？如果是的話，坡口形式是如何影響裂紋敏感性的？
回答
大多數的鋁合金都可以成功的實現電弧焊接，並且不會出現焊接裂紋問題，但是所有成功的焊縫均基於選擇合適的焊接材料，並在操作過程中採用經過驗證測試合格的焊接程序和工藝。
熱裂紋是鋁焊接件中最容易出現的裂紋，它是一種高溫裂紋，其形成機制主要與金屬合金體系的凝固過程有關係。
那麼，焊縫的坡口設計真的能影響熱裂紋敏感性嗎?實際上在鋁焊接結構中，有三個方面可以顯著影響熱裂紋發生的概率的概率，下面將我們將一一介紹。
1.母材化學成分
母材中含有易受影響的化學元素成分往往會具有較高的裂紋敏感性，由於6061母材中硅化鎂(Mg2Si)成分在1.5%左右，因此該母材的裂紋敏感性非常接近峰值。所以我們通常不建議對6xxx系列母材進行自熔焊接(不添加焊接材料)。即使在添加焊接材料時，也要考慮使用那些能夠有效改善焊縫金屬化學成分並且可以避免裂紋發生的焊接材料。
2.合適焊接材料的選擇和使用
為了防止裂紋敏感的焊縫金屬化學成分的形成，6xxx系列母材通常使用4xxx(5%硅)或5xxx(5%鎂)的焊接材料進行焊接，兩者的化學成分均與母材金屬有顯著差異。使用這些焊接材料有助於改變焊縫金屬化學成分(即填充金屬和基體金屬的混合)和降低焊縫金屬的裂紋敏感性。當用5356 (5% Mg)焊接這種母材時，必須添加足夠的焊接材料，確保焊縫中有足夠的Mg含量，這樣才有利於降低焊縫的裂紋敏感性。而這通常可以通過坡口設計，進而對這種5% Mg的焊接材料填充量進行控制來實現。
3.選擇最合適的接頭設計形式
焊縫設計對母材和填充材化學成分的稀釋率有較大影響。
進而會影響焊縫金屬的化學成分，並對熱裂紋的敏感性產生影響。
當我被問及鋁合金的焊接問題時，我給他們的解釋通常是“焊縫的化學成分控制是焊接成功的關鍵。”
那麼焊接接頭的結構設計到底是如何影響焊接裂紋敏感性的呢？
圖1所示是焊接接頭結構設計對裂紋敏感性產生影響的最好解釋。這裡我們可以看到兩種焊接接頭均由6061母材製成，但是兩者的接頭形式不一樣，一種是直邊無坡口，另外一種是單邊V型坡口。證實兩者的坡口形式決定了焊縫金屬的化學成分，從而對裂紋的敏感性產生了影響。從圖中我們可以看出倆種焊接接頭選用的焊接材料均為5356（Mg含量5%，是焊接6061母材的常用焊接材料）。但是從每個焊縫的近似稀釋率來計算可以看出，直邊無坡口接頭的焊縫金屬Mg含量約為1.8%，而單v型坡口焊縫由於添加5% Mg的焊接材料比例較大，因此焊縫金屬中的Mg含量約為3.4%。那麼正如圖1所提出的問題，這兩種接頭形式哪一種的熱裂紋敏感性更高?
圖1-焊接接頭結構設計對焊縫金屬化學成分的影響
這個問題可以由圖2來解答。
圖2-鋁合金中Mg含量對裂紋敏感性的影響
圖2所示為鋁合金的裂紋敏感性圖表之一。這張圖表說明了鎂元素對鋁合金裂紋敏感性的影響規律。圖中x軸表示的是鋁合金中鎂元素的百分比，y軸表示與鎂含量有關的相對裂紋敏感性水平。經過圖1已經計算出直邊焊縫和單邊v型焊縫的Mg含量分別為1.8%和3.4%，這兩種化學成分在裂紋敏感性曲線上的相對位置如圖2所示。從圖2中可以看出，由於稀釋比的不同，單邊v形坡口焊縫的裂紋敏感性要低於直邊無坡口焊縫。
如前所述，6061母材也可用4xxx系列焊接材料進行焊接。當採用4043或4943焊接材料時，接頭設計仍然很重要。此時我們關注的不再是鋁鎂元素的裂紋敏感性曲線，這個時候鎂硅化物(Mg2Si)的裂紋敏感性曲線最為重要。採用含5%硅的焊接材料，可以降低Mg2Si的裂紋敏感性。此外，使用含有5%硅的焊接材料還有其他好處，因為硅元素的添加，能夠降低熔點溫度，提高流動性，降低凝固溫度，減小焊接收縮。
結論：
焊接接頭的結構設計在一定條件下會對鋁合金的焊接接頭裂紋敏感性產生影響。通常，這在焊接具有裂紋敏感性化學成分的鋁合金時表現得最為明顯，這種化學成分需要通過焊接稀釋進行改性，從而降低裂紋敏感性。
作者簡介：
TONY ANDERSON 是北美ITW公司鋁合金焊接的技術總監。他是英國焊接學會(TWI)會員，英國工程委員會註冊特許工程師，並在AWS技術委員會擔任多個職位。他是鋁合金協會焊接技術諮詢委員會主席，著有《AWS鋁合金焊接問答》一書。如果你有此方面的問題可以通過向[email protected]發電子郵件進行諮詢。
本文摘自：Welding Journal《焊接雜誌》 2019年6月刊
作者：TONY ANDERSON
譯者：鄭州機械研究所 秦建
