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摘要：针对焊接时薄板构件产生焊接热裂纹倾向大的缺点，从力学角度出发，采用随焊锤击的焊接新工艺，并利用试验和测试技术，来达到防止薄板焊接热裂纹的目的，开辟一条解决焊接热裂纹的新途径。讨论了随焊锤击防止热裂纹的基本原理，对比了常规焊条件下和随焊锤击工艺条件下，试件的裂纹率情况，试验结果表明：随焊锤击能够有效地防止焊接热裂纹的产生。
关键词：随焊锤击 焊接热裂纹 脆性温度区间 裂纹率
0 前 言
热裂纹是在焊接时高温下产生的。根据所焊金属材料的不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同。关于焊接热裂纹理论，国外在20世纪50年代就已经开始研究，目前公认较完善的是Прохоров理论。该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下三个方面：脆性温度区间的大小，在脆性温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。
焊接热裂纹是冶金因素和力学因素共同作用的结果，在焊接热裂纹的控制方面，以往主要是从冶金角度出发，设法改善焊接金属的抗裂性。但是从冶金角度防止热裂纹有其局限性。一方面不易防止近缝区的液化裂纹，因为这种热裂纹主要与母材成分有关。另一方面由于引入与母材异质的焊丝可能会牺牲部分接头使用性能。因此，对于薄板来说，单从冶金角度来控制焊接热裂纹是非常困难的。而从力学角度防止焊接热裂纹的实质就是调整和改善焊接时的应力和应变情况，即采取适当措施使处于脆性温度区间的焊缝或热影响区金属承受一种外加压缩应变，以抵消焊接凝固过程中凝固收缩和热收缩及外部应力造成的致裂拉伸应变。力学角度防止焊接热裂纹的主要方法有：碾压法随焊锤击方法是一种新的控制焊接热裂纹的力学方法，这种方法的基本原理与碾压法相似。但随焊锤击与碾压法相比又具有自己的独特优点：实验设备简单、质量轻，并且可以广泛适用于具有直焊缝和封闭环焊缝的焊接工件，对于控制焊接热裂纹和焊缝横向及纵向变形都非常有效。因此，随焊锤击工艺在控制焊接热裂纹和焊接变形方面的研究具有光明的前景。
1 随焊锤击法防止焊接热裂纹的基本原理
1.1 热裂纹产生的基本机理
为了更好地说明随焊锤击防止焊接热裂纹的基本原理，首先讨论一下，常规焊条件下热裂纹产生的基本机理。从力学角度来讲，焊接热裂纹的产生是由于在脆性温度区间焊缝或热影响区金属所承受的拉伸应变率大于它们的临界应变率（CST），如图1所示。
式中，ε为焊缝或热影响区冷却时受到的内部应变或真实应变，T为温度。设εe为表观应变值，T为热应变，α为金属的热膨胀系数，则
时，即可防止焊接热裂纹的产生。
1.2 随焊锤击防止焊接热裂纹的基本原理
在焊接过程中，热裂纹常产生于脆性温度区间（BTR）内，满足dε/dT＞CST条件时，则会产生焊接热裂纹。当焊缝或热影响区金属处于脆性温度区间时，在熔池后方一定距离内放置一气锤，跟随焊枪后方同步锤击BTR两侧金属，如图2所示。由于锤头距离熔池较近，锤头下方的金属处于较高温度。因此，锤头锤击焊缝两侧 金属时，在锤头锤击力的作用下，会对处于BTR的焊缝或热影响区金属产生横向压应变εc，以满足dε/dT-dεc/dT < CST，抵消焊接时不均匀加热产生的致裂拉应变，从而起到防止焊接热裂纹的目的。
2 实验结果与分析
本文在焊接热裂纹的工艺实验中，焊接方法选用交流自动钨极氩弧焊，试件为焊接热裂纹倾向大的2A12铝合金，采用不填丝的表面熔敷方式焊接，并利用梯度拘束度夹具，通过调节夹紧力Fr和夹持距离Lr灵活地改变拘束度，从而能够反映实际生产条件下的真实裂纹行为。
在实际焊接生产过程中，工件不一定产生焊接热裂纹，而本实验中，采用这种梯度拘束度夹具来产生比较苛刻的拘束度，主要目的是使实验试件在焊接过程中产生焊接热裂纹，以便验证随焊锤击控制焊接热裂纹的有效性。实验中以裂纹率Lcr%作为热裂纹倾向评定指标，其表达式如下：
Lcr%=Lcr/Ltotal
式中 Lcr-裂纹总长度
Ltotal-焊道长度
2.1 实验试件
在随焊锤击工艺实验中，为了更好地对焊接热裂纹进行研究，采用了如图3所示的150 mm×100 mm×2 mm的试件。
2.2 常规焊条件下拘束度对裂纹率的影响
2.2.1 拘束力对焊接热裂纹的影响
图4给出了夹持距离Lr=20 mm、收弧端拘束力F收=120 N.m时，改变起弧端拘束力F起时焊接热裂纹试验结果。由图可知，当起弧端拘束力F起=0时，裂纹从起焊端引发，裂纹率最高，随焊随裂，裂纹贯穿整个焊道。适当加以拘束（F起=20 Nom），裂纹率显著降低。继续增加拘束力，裂纹率下降变缓，焊件只留有一定的弧坑裂纹。
图5给出了夹持距离Lr=20mm、起弧端拘束力F起=20 Nom时，改变收弧端拘束力F收时焊接热裂纹试验结果。由图可以看出，随着收弧端拘束力的增加，裂纹率逐渐增加并最终趋于稳定。
2.2.2 夹持距离对焊接热裂纹率的影响
图6给出了当拘束力为F起=20 Nom、F收=120 Nom时夹持距离对焊接热裂纹率的影响。由图中可以看出，随着夹持距离的增加，裂纹率逐渐降低。当夹持距离大于60 mm时，试件在焊接过程中上拱严重，已不能保证正常焊接。当F起=20 Nom、F收=120 Nom、Lr=20 mm时，产生明显的收弧端裂纹。
2.3 随焊锤击条件下参数对裂纹率的影响
在本实验中，为了验证随焊锤击对控制焊接热裂纹的有效性，采用了出现焊接热裂纹倾向比较大的实验参数：夹持距离Lr=20 mm、起弧端拘束力F起=40 Nom、收弧端拘束力F收=120 Nom。这里起弧端拘束力为40 Nom，没有采用较小的拘束力，因为当起弧端拘束力较小的时候，裂纹一般在起弧端开裂，不利于进行随焊锤击的工艺实验，因此，采用了以上实验参数。
随焊锤击对焊接热裂纹的控制作用，其影响参数较多，如：锤击力、锤击距离（锤头与焊枪的距离）、锤击位置、锤击频率、锤头形状等。本文中主要讨论两个参数：锤击力P和锤击距离R锤。
2.3.1 锤击力对焊接热裂纹的影响
图7给出了锤击力对焊接热裂纹的影响，锤击距离R锤=20 mm。从图中可以看出，锤击力在小于2 MPa和大于5 MPa时焊件的裂纹率均比较大，锤击力2~5 MPa之间时裂纹率较低，基本上属于弧坑裂纹。因此，锤击力在此范围内时，可有效地控制焊接热裂纹的产生。因为当锤击力较小时，锤击作用形成的应变量不足于抵消焊接过程中不均匀加热形成的致裂拉应变，控制热裂纹的效果不明显。当锤击力较大时，锤击会导致焊接熔池产生较大的振荡，反而会促进热裂纹的进一步产生。因此，在本实验条件下，锤击力为2~5 MPa范围内时，锤击工艺效果较好。
2.3.2 锤击距离对焊接热裂纹的影响
在实验中，锤击距离对焊接热裂纹的影响也比较明显，如图8所示，实验的锤击力为P=4 MPa。
结果表明：锤击距离R锤=17 mm时裂纹率较大，锤击距离R锤=20 mm时裂纹率较小，且随锤击距离的增大，裂纹率增大。因为当锤击距离较小时，锤击位置离焊接电弧太近，锤击对焊接熔池产生严重振荡，会促进热裂纹的产生。当锤击距离较大时，锤击的部位离产生热裂纹的敏感位置太远，对于减少热裂纹的效果也不明显。因此，在本实验条件下，锤击距离应控制在20~23 mm左右，锤击工艺控制热裂纹的效果较好。
3 结 论
针对薄板构件产生焊接热裂纹倾向大的缺点，本文对随焊锤击工艺控制焊接热裂纹的有效性试验进行了研究，研究成果表明：
(1) 对于本实验所采用的150 mm×100 mm×2 mm的试件，在一定的拘束力和拘束距离条件下，锤击力为2~5 MPa范围内，锤击距离控制在20~23 mm左右时，随焊锤击工艺控制焊接热裂纹的效果较好，而对于不同的试件和焊接条件，应采用不同的焊接锤击参数。
(2) 随焊锤击工艺实验是在较苛刻的拘束度条件下进行的，但焊接热裂纹率却明显比常规焊条件下的小，而实际焊接生产中的拘束条件并没有这么苛刻。因此，随焊锤击工艺在实际生产中定能够有效地控制焊接热裂纹的产生。
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