焊接材料對(duì)7075鋁合金焊接性及焊縫組織的影響*

劉政軍， 何偲倬， 蘇允海， 張 琨

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

由于具有比強(qiáng)度高、硬度大、斷裂韌性好，以及抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金逐漸在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1].近年來(lái)，環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題日益突出.在充分滿足使用要求的前提下，如果能夠大量采用鋁合金代替鋼鐵等密度較大的金屬材料，可以使構(gòu)件輕量化[2]，從而大幅降低工業(yè)能耗，減少環(huán)境污染，提高資源利用率[3-4]，進(jìn)而使得某些方面性能突出的新型鋁合金(例如超硬鋁合金)應(yīng)運(yùn)而生[5].超硬鋁合金主要以Al-Zn-Mg-Cu系為主，屬于可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，該合金在航空航天、汽車(chē)船艦及軍工等工藝制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其典型代表為7075鋁合金[6].

目前，航空用超硬鋁合金連接方式通常采用鉚接方式，因而構(gòu)件的整體質(zhì)量較大.采用焊接手段可以減輕構(gòu)件的整體質(zhì)量.由于鋁合金自身還具有導(dǎo)熱性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)大的特性[7]，故焊后可能會(huì)出現(xiàn)因焊縫冷卻速度快，氣體未能及時(shí)溢出而產(chǎn)生的氣孔[8].同時(shí)，金屬的快速凝固容易引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生熱裂紋等焊接性問(wèn)題[9].合適的焊接工藝和焊接填充材料可以提高焊接接頭的強(qiáng)度[10-11]，降低焊接缺陷，改善合金的焊接性[12].本文采用ER4043和ER5356兩種焊絲對(duì)7075超硬鋁合金進(jìn)行了TIG焊焊接.針對(duì)焊后焊接接頭的焊接性及顯微組織進(jìn)行了研究，探討了焊接材料對(duì)焊接接頭組織和性能的影響.

1 材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用Al-Zn-Mg-Cu系7075超硬鋁合金，供貨狀態(tài)為T(mén)6(固溶處理+人工時(shí)效)態(tài).焊接材料分別選用Al-Si系ER4043焊絲和Al-Mg系ER5356焊絲，焊絲直徑均為1.2 mm，試驗(yàn)?zāi)覆呐c兩種焊絲的化學(xué)成分如表1所示.

表1 母材和兩種焊絲的化學(xué)成分(w)Tab.1 Chemical compositions of base metal and two welding wires (w) %

焊接試驗(yàn)采用半自動(dòng)TIG焊焊接方式，焊接接頭呈對(duì)接接頭形式.在焊接電流為130 A、氬氣流量為12 L/min的焊接工藝條件下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊后進(jìn)行取樣和檢測(cè)分析.分別采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)和小型維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和硬度進(jìn)行測(cè)試.隨后利用砂紙打磨金相試樣，再對(duì)其進(jìn)行機(jī)械拋光，金相腐蝕劑為Keller試劑(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O).同時(shí)，采用掃描電子顯微鏡、能譜儀和X射線衍射儀對(duì)焊接接頭的斷口及焊縫組織進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌是判定合金焊接質(zhì)量的重要標(biāo)志之一，通過(guò)直觀觀察焊接接頭的宏觀形貌可以初步判定合金的成型性及焊接性是否良好.在鋁合金的焊接過(guò)程中，除了要獲得連續(xù)、無(wú)燒穿且焊接變形較小的焊接接頭外，還需關(guān)注焊接接頭中是否存在熱裂紋、氣孔、接頭軟化等焊接性問(wèn)題.

圖1為在相同焊接工藝參數(shù)下分別采用兩種不同焊接材料施焊后，焊接接頭的宏觀形貌.由圖1可見(jiàn)，選用兩種焊絲進(jìn)行焊接后，焊接接頭成形連續(xù)，紋理均勻、規(guī)整，焊接接頭無(wú)變形且表面光亮，呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，表面整體成型性良好.若焊縫呈現(xiàn)灰色，則是因?yàn)闅怏w保護(hù)作用差，焊接接頭因被氧化而變色.觀察圖1還可以發(fā)現(xiàn)，在兩種焊接接頭的宏觀表面均未發(fā)現(xiàn)熱裂紋和氣孔等焊接性缺陷，且采用ER5356焊絲獲得的焊接接頭宏觀形貌優(yōu)于采用ER4043焊絲的形貌.由于兩種焊接材料均具有良好的流動(dòng)性，因而均可焊接7075鋁合金，但從焊接接頭成形角度考慮，當(dāng)焊接電流為130 A時(shí)，ER5356焊絲更適合用于7075鋁合金的TIG焊焊接.

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1 焊接接頭的拉伸性能

將兩種焊絲獲得的焊接接頭分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.由表2可見(jiàn)，在相同工藝參數(shù)下，ER4043和ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為267.21和309.97 MPa，均高于焊材本身的抗拉強(qiáng)度，且ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于ER4043焊絲焊接接頭.

在焊接過(guò)程中合金元素Si和Mg分別通過(guò)兩種不同焊絲過(guò)渡到焊縫金屬中，Si產(chǎn)生的低熔點(diǎn)共晶物和共晶體可以降低焊接接頭的裂紋敏感性并減少焊接缺陷，而Mg有助于形成強(qiáng)化相并提高焊接接頭強(qiáng)度.同時(shí)，母材中部分其他元素也會(huì)在一定程度上過(guò)渡到焊縫金屬中，從而降低焊接缺陷，改善焊接接頭的組織和力學(xué)性能.

圖1 焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macro morphologies of welded joint表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of tensile test

焊材抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%斷裂位置ER4043267.213.17焊縫中心ER5356309.974.44焊縫中心

2.2.2 焊接接頭的斷口形貌

兩種焊絲的拉伸試樣斷裂位置均位于焊縫部位，表明焊縫處強(qiáng)度較低，即焊縫是焊接接頭性能薄弱的位置，這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合.圖2為ER4043和ER5356焊絲焊接接頭的拉伸斷口形貌.由圖2a可見(jiàn)，ER4043焊絲焊接接頭的拉伸斷口存在解理面和少量韌窩，表明焊接接頭的塑性較差，這是因?yàn)榻饫韰^(qū)域的存在增大了焊接接頭的脆性，使得焊接接頭的塑性降低.當(dāng)選用Al-Si焊絲時(shí)，合金焊縫中Si元素含量得到提高，在焊縫金屬中形成了共晶Si，雖然共晶Si可以加強(qiáng)焊接接頭的連接作用，但共晶Si形成的脆性相也降低了焊接接頭的塑性，這與拉伸試驗(yàn)中的伸長(zhǎng)率結(jié)果相吻合.由圖2b可見(jiàn)，ER5356焊絲焊接接頭的拉伸斷口組織主要以細(xì)小、均勻的韌窩為主，斷口存在大量的韌窩結(jié)構(gòu)，表明焊接接頭的塑性較好，這是因?yàn)榫Ы绾途?nèi)產(chǎn)生了較多顆粒狀共晶組織.若晶界產(chǎn)生較多網(wǎng)狀分布的共晶組織時(shí)，則斷口將發(fā)生沿晶斷裂.

2.2.3 焊接接頭的硬度

通過(guò)對(duì)焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)分別進(jìn)行測(cè)試，將兩種焊接材料焊接接頭不同區(qū)域的平均硬度進(jìn)行分析比較，具體結(jié)果如圖3所示.由圖3所示，ER4043焊絲焊縫區(qū)硬度均值為107.2 HV，熱影響區(qū)硬度均值為116.3 HV，而ER5356焊絲焊縫區(qū)硬度均值為113.7 HV，熱影響區(qū)硬度均值為120.5 HV.由圖3還可以觀察到，兩種焊材焊縫區(qū)硬度最低，其次是熱影響區(qū)，而母材區(qū)硬度最高.這是因?yàn)?075鋁合金的熔點(diǎn)較低，且鋁合金具有高導(dǎo)熱率的特性，在焊接過(guò)程中由于熔池的快速散熱而發(fā)生冷卻凝固，使得焊縫中有些強(qiáng)化相顆粒來(lái)不及形成，且強(qiáng)化相分散不均勻，因此，受熱的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度較低.此外，觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，ER5356焊絲焊接接頭的硬度始終高于ER4043焊絲焊接接頭，表明Al-Mg系焊絲對(duì)焊接接頭軟化現(xiàn)象的改善作用優(yōu)于Al-Si系焊絲，即ER5356焊絲更有利于改善接頭的軟化問(wèn)題，因而ER5356焊絲焊接接頭的宏觀力學(xué)性能高于ER4043焊絲焊接接頭.

圖2 焊接接頭的斷口形貌Fig.2 Fracture surface morphologies of welded joint

圖3 焊接接頭硬度對(duì)比Fig.3 Comparison in hardness of welded joint

2.3 焊縫組織

2.3.1 焊縫的顯微組織

圖4為ER4043和ER5356焊絲焊縫的顯微組織.結(jié)合圖4a與Al-Si二元相圖可知，ER4043焊絲焊縫中白色基體組織為α固溶體，晶粒大小不均勻，少量晶粒較為粗大，晶界處黑色組織為低熔點(diǎn)共晶組織.ER4043屬于Al-Si焊絲，焊絲中Si含量約為5%，且在焊接過(guò)程中會(huì)形成一定數(shù)量的低熔點(diǎn)共晶物和共晶體.當(dāng)熔池冷卻時(shí)，液態(tài)金屬發(fā)生凝固收縮，低熔點(diǎn)共晶物和共晶體可以起到填充作用，并產(chǎn)生“自愈合”效應(yīng)，從而降低裂紋敏感性.結(jié)合圖4b和Al-Mg二元相圖可知，ER5356焊絲焊縫中的基體組織也為α固溶體，與ER4043焊絲焊縫組織相比，其晶粒較為細(xì)小、均勻.這是因?yàn)镋R5356焊絲中含有微量元素Ti，Ti可使晶粒細(xì)化，同時(shí)ER5356焊絲中Mg元素在焊接過(guò)程中可以形成析出相，析出相也起到了提高焊接接頭強(qiáng)度的作用.

圖4 焊縫顯微組織Fig.4 Microstructures of weld bead

2.3.2 焊縫的SEM圖像與EDS分析

圖5為ER4043和ER5356焊絲焊縫的SEM圖像和能譜，具體EDS試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.根據(jù)SEM圖像和能譜可以清楚地觀察到析出相的形態(tài)與成分含量，從而推測(cè)其物相組成.由圖5b、d和表3可見(jiàn)，兩種焊絲焊縫金屬中所含主要元素種類(lèi)與母材相同，且母材與焊材在焊接熔合過(guò)程中存在元素過(guò)渡現(xiàn)象.此外，觀察圖5a可以發(fā)現(xiàn)，ER4043焊絲焊縫中析出相形態(tài)差別較大，既有細(xì)小分布的小顆粒狀組織，也存在粗大且呈鏈狀分布的析出相，結(jié)合表3可知，該析出相為Mg2Si相，故焊縫金屬主要由基體α-Al和Mg2Si析出相組成.由圖5c可知，ER5356焊絲焊縫中的析出相呈顆粒狀和鏈狀分布于晶界和晶內(nèi)，結(jié)合表3可知，該析出相為Al3Mg2和Mg32Al47Cu7相，故焊縫金屬主要由基體α-Al以及Al3Mg2和Mg32Al47Cu7析出相組成.

圖5 焊縫SEM和EDS分析Fig.5 SEM and EDS analysis for weld bead

表3 EDS試驗(yàn)結(jié)果(w)Tab.3 Results of EDS analysis (w) %

對(duì)比兩種焊絲焊縫的金屬間成分可知，ER5356焊絲焊縫中Mg元素含量高于ER4043焊絲焊縫.ER4043焊絲焊縫中的Si元素主要來(lái)自焊絲，Si元素可在晶界形成低熔點(diǎn)共晶物和共晶體，并起到“自愈合”作用.ER5356焊絲焊縫中的大部分Mg元素來(lái)自焊絲，在焊接過(guò)程中Mg元素會(huì)發(fā)生蒸發(fā)燒損，而焊絲中的Mg元素起到了很好的補(bǔ)充作用，從而促進(jìn)析出相的形成，并提高了焊接接頭的性能.

2.3.3 焊縫的XRD圖譜

圖6為ER4043和ER5356焊絲焊縫的XRD圖譜，通過(guò)XRD圖譜分析可以確定焊縫金屬的物相組成.由圖6a可見(jiàn)，ER4043焊絲焊縫由α-Al和Mg2Si相組成.由圖6b可見(jiàn)，ER5356焊絲焊縫由α-Al和Al3Mg2、Mg32Al47Cu7相組成.析出相具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，且析出相數(shù)量越多，分布越均勻，焊接接頭的性能越高.ER5356焊絲焊縫組織的晶粒較小，析出相分布較為均勻，因此，ER5356焊絲焊接接頭的性能優(yōu)于ER4043焊絲焊接接頭.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)由不同焊接材料獲得的7075鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能及焊縫組織進(jìn)行對(duì)比分析，可以獲得以下結(jié)論：

1) 當(dāng)利用ER4043和ER5356兩種焊絲作為填充材料焊接7075超硬鋁合金時(shí)，在焊接接頭中均未發(fā)現(xiàn)熱裂紋和氣孔，表明在合適的焊接工藝條件下兩種焊接材料的焊接性良好.

2) ER5356焊絲焊接接頭的拉伸性能和硬度高于ER4043焊絲焊接接頭，從提高力學(xué)性能以及改善接頭軟化方面考慮，ER5356焊絲更適合作為7075超硬鋁合金的焊接填充材料.

3) ER4043焊絲能夠很好地降低焊接接頭的裂紋敏感性，焊縫中Si元素形成的低熔點(diǎn)共晶物和共晶體能夠發(fā)揮“自愈合”作用，從而改善合金的焊接性，而ER5356焊絲既能滿足合金的焊接性要求，同時(shí)又能改善焊縫組織，并起到提高焊接接頭強(qiáng)度的作用.

圖6 焊縫XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of weld bead

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