退火態(tài)5083鋁合金焊接接頭組織與性能分析

羅 健，蹇海根，徐國(guó)新，申向旭，覃凱陽(yáng)，陳芷婷，丁智輝,

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 冶金與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南德潤(rùn)有色焊材科技有限公司，湖南 株洲 412000）

退火態(tài)5083鋁合金焊接接頭組織與性能分析

羅 健1，蹇海根1，徐國(guó)新1，申向旭1，覃凱陽(yáng)1，陳芷婷1，丁智輝1,2

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 冶金與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南德潤(rùn)有色焊材科技有限公司，湖南 株洲 412000）

采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化技術(shù)制備的ER5356鋁合金焊絲對(duì)退火態(tài)5083鋁合金板材進(jìn)行MIG焊接，并通過(guò)金相、掃描、硬度、拉伸等觀察與測(cè)試手段對(duì)其焊接接頭進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：該技術(shù)制備的焊絲焊接效果良好，焊縫無(wú)裂紋、夾雜等缺陷；焊接接頭各區(qū)域組織分布均勻，焊縫中心硬度最低，為68 HV，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為277 MPa，強(qiáng)度系數(shù)為92.3%，力學(xué)性能較好，完全達(dá)到了實(shí)際焊接要求和船舶使用需求。

ER5356鋁合金焊絲；連續(xù)擠壓；焊接接頭；力學(xué)性能

1 研究背景

5083鋁合金屬于典型的鋁鎂合金，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、塑性好且抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其焊接結(jié)構(gòu)件在船舶等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛[1-2]。在焊接基材確定的情況下，焊接工藝和焊絲質(zhì)量決定著焊接結(jié)構(gòu)件的性能[3]。焊絲質(zhì)量影響著焊縫的組分、焊縫裂紋的形成、接頭的耐蝕性、微觀組織及力學(xué)性能等[4]，而不斷發(fā)展的焊接技術(shù)則直接影響耐蝕5083鋁合金在船舶上的應(yīng)用程度。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)5083鋁合金焊接接頭進(jìn)行了深入的探索與研究。Cai D. T.等[5]對(duì)采用等離子體-MIG（metal inert-gas）復(fù)合焊和MIG焊焊接的船用5083鋁合金焊接接頭的微觀組織、拉伸以及彎曲性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)等離子體-MIG復(fù)合焊相比等離子體焊和MIG焊有更高的焊接效率，焊接速度、電流對(duì)焊縫滲透以及焊縫形貌有著積極的影響，接頭的延展性以及強(qiáng)度都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)；Wang C. G.等[6]研究了環(huán)境溫度對(duì)A5083-H111合金焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高，焊縫中析出相的晶粒尺寸減小，但是析出相的晶粒體積分?jǐn)?shù)增大。遠(yuǎn)離焊縫中心，硬度增大，焊接溫度大于0 ℃時(shí)強(qiáng)度和韌性比焊接溫度小于0 ℃時(shí)要高；K. Shankar等[7]研究了焊縫修復(fù)對(duì)5083鋁合金焊接接頭裂紋擴(kuò)展行為的影響，通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力影響焊縫裂紋長(zhǎng)大速率，焊縫修復(fù)增大了熱影響區(qū)的晶粒尺寸，但對(duì)合金接頭的剩余壽命并沒(méi)有太大的改善；P. Schempp等[8]向5083鋁合金GTAW焊（鎢極氬弧焊）焊縫金屬添加晶粒細(xì)化劑AlTi5B1以細(xì)化晶粒，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化使得焊縫金屬韌性提高，但強(qiáng)度提高較小，抵抗疲勞裂紋萌生的能力增大；孟憲偉等[9]對(duì)A5083P-O鋁合金MIG焊接接頭組織及疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其焊縫組織為細(xì)小樹(shù)枝晶，靠基材一側(cè)為細(xì)長(zhǎng)柱狀晶粒，接頭硬度值為70～80 HV，極限疲勞強(qiáng)度為95 MPa。

課題組采用連續(xù)擠壓[10]—拉拔—刮削光亮化制備技術(shù)生產(chǎn)出一種新型ER5356鋁合金焊絲，采用該工藝生產(chǎn)的焊絲產(chǎn)品質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。用制得的焊絲產(chǎn)品對(duì)耐蝕船用5083鋁合金板材進(jìn)行MIG配對(duì)焊接，通過(guò)其焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的分析研究，評(píng)價(jià)使用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)焊絲的焊接效果，并為耐蝕5083鋁合金板材在船舶上的應(yīng)用提供試驗(yàn)參考。

2 試驗(yàn)材料、方法及儀器設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基材為厚8 mm的退火態(tài)5083鋁鎂合金板材，退火溫度為250 ℃，保溫1 h。填充材料為經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備工藝生產(chǎn)的Φ1.6 mm ER5356配用焊絲。ER5356鋁合金焊絲制備工藝流程：Φ10 mm ER5356鋁合金坯桿料—連續(xù)擠壓至直徑為Φ3.2 mm—退火與拉拔—刮削光亮化處理（至直徑為Φ1.6 mm）?；暮秃附z的具體化學(xué)成分及含量見(jiàn)表1。

表1 基材和配用焊絲的化學(xué)成分及含量Table 1 Chemical composition of base metal and wires %

2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

焊機(jī)，YD-400GE，日本松下公司生產(chǎn)；

電火花線切割機(jī)，DK7720，泰州市江洲數(shù)控機(jī)床制造有限公司生產(chǎn)；

金相顯微鏡，POLYVER-MET，德國(guó)卡爾蔡司公司生產(chǎn)；

掃描電子顯微鏡，日立S-3400N，天美（中國(guó)）科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；

維氏顯微硬度計(jì)，HVA-10A，濟(jì)南恒思盛大儀器公司生產(chǎn)；

電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能測(cè)量試驗(yàn)機(jī)，PWS-E100，濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)。

2.3 試驗(yàn)方法

圖1為焊接及試驗(yàn)取樣示意圖。

圖1 焊接及試驗(yàn)取樣示意圖（單位：mm）Fig. 1 Schematic diagram of welding and test sampling (unit: mm)

焊接前需清除金屬表面的氧化膜等雜質(zhì)，且進(jìn)行預(yù)熱。采用焊機(jī)進(jìn)行MIG自動(dòng)化焊接，保護(hù)氣體為高純氬氣（體積分?jǐn)?shù)不低于99.99%），焊接電流為200 A，噴嘴直徑為16 mm，氬氣流量為19 L/min，焊接速度為600 mm/min。焊后采用線切割方法截取接頭試樣進(jìn)行顯微組織分析和性能測(cè)試。試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察需先機(jī)械預(yù)磨，清水拋光，再陽(yáng)極覆膜，溶液配比為1 000 mL H2O+30 mL HF+11 g H3BO3，試驗(yàn)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整電壓，使電流保持在0.1～0.2 mA，覆膜時(shí)間約為90 s。試樣經(jīng)過(guò)預(yù)磨、清水拋光后，在掃描電子顯微鏡上進(jìn)行形貌觀察。顯微硬度測(cè)試在低負(fù)荷維氏硬度計(jì)上進(jìn)行，加載力為2.94 N，加載時(shí)間為10 s。采用電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能測(cè)量試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速度為2 mm/min，焊接接頭取2個(gè)樣，標(biāo)識(shí)為1#，2#。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 焊絲及焊縫表面形貌

圖2為焊絲外觀質(zhì)量觀察形貌和焊接宏觀效果。

圖2 焊絲及焊縫表面形貌Fig. 2 Surface morphology of welding wires and welding seams

由圖2a可知，采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備的ER5356焊絲外觀質(zhì)量較好，無(wú)毛刺、劃痕及微裂紋等加工缺陷。圖2b為自制ER5356焊絲焊接5083鋁合金板材焊縫宏觀形貌，由圖可知焊縫平整致密，無(wú)明顯的裂紋、夾雜以及未熔合、未焊透等顯著缺陷。

焊絲外觀質(zhì)量與焊絲成分配比、雜質(zhì)含量、冶金質(zhì)量以及焊絲制備工藝方法等有很大的關(guān)系。焊絲前期生產(chǎn)嚴(yán)格控制熔體中氣體和各種非金屬夾雜物（氧化物、碳化物等），避免鑄錠產(chǎn)生疏松、氣孔、夾雜等缺陷。嚴(yán)格控制Mn、Cr等微合金化元素以及Fe、Si等雜質(zhì)元素的含量，采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化相結(jié)合的制備技術(shù)，降低了焊絲表面毛刺、微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，有效地改善了焊絲外觀質(zhì)量。本次焊接效果顯著（焊縫成型較好），其因素主要有3個(gè)：焊接工藝，試驗(yàn)采用MIG自動(dòng)化焊接，嚴(yán)格控制焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)；焊絲質(zhì)量，由于焊絲優(yōu)異的外觀質(zhì)量，焊接過(guò)程中未出現(xiàn)堵絲、斷絲等焊接問(wèn)題，填充焊絲與基材經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應(yīng)后，冷卻結(jié)晶形成成型較好的鑄態(tài)焊縫形貌；化學(xué)成分，合金成分偏析或低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在易引起接頭裂紋產(chǎn)生，焊絲和基材中加入微量Zr、Ti形成的ZrAl3、TiAl3能細(xì)化焊縫鑄態(tài)組織及抗焊縫裂紋。

3.2 焊接接頭微觀組織

焊接接頭一般由焊縫區(qū)（weld zone，WZ）、熔合區(qū)（fusion zone，F(xiàn)Z）、熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）和基材區(qū)（base metal，BM）組成。5083鋁合金焊接接頭不同部位區(qū)域的金相顯微組織如圖3所示。

圖3 焊接接頭各區(qū)域金相組織Fig. 3 Metallurgical structure of welded joints in different regions

圖3a中，焊縫中心為致密細(xì)小等軸枝晶鑄態(tài)組織，形成的原因是焊接熔池快速結(jié)晶，溶質(zhì)濃度的差異以及溶質(zhì)擴(kuò)散、均勻化的速度較慢，形成了典型的鑄態(tài)組織[11]。圖3b中，熔合線清晰可見(jiàn)，靠近焊縫區(qū)的組織為半熔合區(qū)，該區(qū)為大量細(xì)小的等軸晶?？拷肴酆蠀^(qū)的熱影響區(qū)的組織特征為長(zhǎng)大的再結(jié)晶組織和軋制加工纖維組織（圖3c中，軋制加工方向?yàn)榘咨^所指）。熱影響區(qū)晶粒組織較粗大，主要是焊接時(shí)焊縫區(qū)向熱影響區(qū)傳熱較快，而該區(qū)域過(guò)冷度較小，受高溫時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致該區(qū)域晶粒明顯長(zhǎng)大。受焊接散熱梯度的影響，熱影響區(qū)晶粒粗大程度不一致?？拷牡臒嵊绊憛^(qū)為典型的軋制加工纖維組織（圖3d中），形成原因是軋制加工使得晶粒及晶間物質(zhì)沿變形方向拉長(zhǎng)，形成纖維組織。

3.3 焊接接頭掃描形貌

退火態(tài)5083鋁合金焊接接頭掃描形貌及能譜分析結(jié)果如圖4所示。由圖4a、4b可知，焊接接頭表面形貌較好，未發(fā)現(xiàn)較多微裂紋、氣孔等缺陷，與前面焊縫宏觀形貌以及金相顯微組織分析結(jié)果相一致。焊接接頭除了極少淺灰色相析出，未發(fā)現(xiàn)其它第二相粒子，文獻(xiàn)[12-13]表明圖4c的析出相為β(Al8Mg5)。β(Al8Mg5)相呈骨骼狀，具有面心立方晶格，在室溫下很脆，如果合金中該相含量過(guò)多將導(dǎo)致塑性及耐蝕性降低。圖4d的能譜分析結(jié)果表明，Zr在焊接接頭中形成ZrAl3，成為α固溶體外來(lái)異質(zhì)結(jié)晶核心，使晶粒細(xì)化。Zr還能與焊縫熔池的氫反應(yīng)生成ZrH，在熔池中起到除氣作用，減少焊縫氣孔、疏松等缺陷，而微量Ti形成的TiAl3能進(jìn)一步細(xì)化焊縫鑄態(tài)組織及抗裂紋。同時(shí)，焊接接頭未見(jiàn)(FeMn)Al6、FeAl3等難溶金屬間化合物，對(duì)其各項(xiàng)性能的提高也具有積極的意義。

圖4 焊接接頭掃描形貌Fig. 4 Scanning morphology of welded joints

3.4 硬度測(cè)試結(jié)果分析

從一側(cè)基材（BM）開(kāi)始，沿與焊接垂直方向每隔0.5 mm間距進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，其顯微硬度分布曲線如圖5所示。

圖5 焊接接頭硬度分布曲線Fig. 5 Hardness distribution curves of welded joints

焊接過(guò)程中，焊接熱循環(huán)的作用使得焊接接頭不同區(qū)域的硬度值有明顯的區(qū)別。從圖5可以看出，焊縫中心硬度（68 HV）最低，以焊縫為中心兩側(cè)硬度大致對(duì)稱，遠(yuǎn)離焊縫中心硬度不斷增大，到達(dá)基材后硬度（88 HV）趨于平穩(wěn)。焊接加熱時(shí)，焊縫處的熔融溫度高達(dá)1 500 ℃左右，ER5356焊絲中的強(qiáng)化元素Mg會(huì)產(chǎn)生一定的燃燒損失，導(dǎo)致合金主元素含量降低，從而導(dǎo)致焊縫硬度降低。同時(shí)，焊縫屬于典型的急冷鑄態(tài)組織，其組織較為疏松且不均勻。通過(guò)金相、掃描觀察可知，在焊縫附近區(qū)域分布極少量微小氣孔，在維氏硬度測(cè)量過(guò)程中對(duì)氣孔較軟區(qū)域的壓痕打擊也有可能導(dǎo)致硬度較低。熔合區(qū)金屬由于溶解了焊絲及基材大量Mg、Mn等合金強(qiáng)化元素，使得固溶強(qiáng)化提高，同時(shí)通過(guò)金相組織觀察該區(qū)的晶粒組織為等軸細(xì)晶，細(xì)晶強(qiáng)化使得顯微硬度相比焊縫急劇增加[8]。在焊接接頭熱影響區(qū)，受焊接熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生再結(jié)晶，合并長(zhǎng)大形成粗晶區(qū)，粗晶組織的形成使得該區(qū)的顯微硬度升高緩慢。基材區(qū)組織沒(méi)有變化，其硬度最高且相對(duì)較穩(wěn)定。

3.5 拉伸力學(xué)性能分析

表2為焊接接頭的室溫力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

表2 接頭力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile test results of welded joints

由表2可知，5083鋁合金板材MIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為277 MPa，屈服強(qiáng)度為180 MPa，延伸率為11.05%，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)（接頭抗拉強(qiáng)度與基材抗拉強(qiáng)度的比值）為0.923。該結(jié)果符合美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping）、中國(guó)船級(jí)社（China Classi fi cation Society）對(duì)ER5356 焊絲認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求：焊接接頭抗拉強(qiáng)度在275 MPa 以上。

焊縫區(qū)中急冷鑄態(tài)組織、極少焊接氣孔的存在以及較少析出強(qiáng)化相使得該區(qū)與熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)相比強(qiáng)度較低，塑性較差，成為焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)，力學(xué)拉伸斷裂位置也處于該區(qū)域。

3.6 斷口分析

焊接接頭力學(xué)拉伸斷口形貌如圖6所示。圖6a中，1#、2#焊接接頭試樣斷裂部位在焊縫區(qū)，斷口呈45°剪切斷裂。為了進(jìn)一步分析斷口的微觀形貌及斷裂性質(zhì)等特征，截取拉伸試樣的斷口，經(jīng)過(guò)超聲波清洗后，在掃描電鏡下進(jìn)行微觀分析，如圖6b、6c所示。

圖6 接頭力學(xué)拉伸斷口形貌Fig. 6 Tensile fracture morphology of welded joints

拉伸加載過(guò)程中，應(yīng)力導(dǎo)致試樣內(nèi)部位錯(cuò)在晶界、相界和其它缺陷處形成位錯(cuò)塞積群，在應(yīng)力集中處易誘發(fā)微孔洞萌生和長(zhǎng)大，導(dǎo)致頸縮和斷裂[14]。由圖6可知，焊縫的拉伸斷口呈纖維狀，表面存在大量形狀圓整、較淺的韌窩且分布相對(duì)均勻。焊接接頭斷口形貌中只發(fā)現(xiàn)極少量氣孔，且無(wú)夾雜，這表明此試驗(yàn)下合金焊接接頭的強(qiáng)度和塑性較為優(yōu)異，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

1）用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備工藝生產(chǎn)的RE5356焊絲質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。試驗(yàn)焊接5083鋁合金板材過(guò)程中未出現(xiàn)堵絲、斷絲等問(wèn)題，且焊接接頭無(wú)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，焊縫表面成型良好。

2）焊接接頭各區(qū)域顯微組織分布較為明顯，焊縫中心為典型的急冷鑄態(tài)組織，熔合線附近為細(xì)晶區(qū)，熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)一定程度的粗化長(zhǎng)大現(xiàn)象。

3）焊接接頭的硬度以焊縫為中心對(duì)稱分布，中心硬度（68 HV）最低，遠(yuǎn)離焊縫中心硬度不斷增大，到達(dá)基材后基本處于穩(wěn)定（88 HV）。接頭力學(xué)性能較好，強(qiáng)度系數(shù)達(dá)92%，完全可以滿足實(shí)際焊接要求和船舶使用需求。

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（責(zé)任編輯：申 劍）

An Analysis of Micro-Structure and Properties of Welded Joints of Annealed 5083 Aluminum Alloy

LUO Jian1，JIAN Haigen1，XU Guoxin1，SHEN Xiangxu1，QIN Kaiyang1，CHEN Zhiting1，DING Zhihui1，2
（1. School of Metallurgical and Materials Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Hunan Derun Nonferrous Welding Technology Co., Ltd.，Zhuzhou Hunan 412000，China）

ER5356 aluminum alloy welding wire, prepared by adopting continuous extrusion drawing, scraping,and brightening technology, is to be used for MIG welding of annealed 5083 aluminum alloy, followed by a series of tests and analyses of the welding joints by means of metallographic examination, scanning, hardness and tensile tests. The experimental results show that the welding effects of the wires thus prepared are satisfactory, without such defects as cracks, inclusions, etc. The micro-structure of the welded joints is well distributed, with 68 HV the minimum hardness of welding seam center, with 277 MPa the tensile strength of welded joints , and 92.3% its strength coef fi cient,thus exhibiting such an excellent mechanical performance that it fully meets the actual welding requirement and ship usage requirement.

ER5356 aluminum alloy wire；continuous extrusion；welded joint；mechanical property

V229+.8

A

1673-9833(2017)04-0059-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.04.011

2017-03-15

湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2017B696），株洲市國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（20160105），湖南工業(yè)大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（湖工大教字[2016]69）

羅 ?。?991-），男，湖南湘西人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾滦弯X合金焊絲，E-mail：2209737785@qq.com

蹇海根（1980-），男，湖南衡陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事鋁合金焊絲及其微合金化方面的研究，E-mail：jianhaigen2001@163.com