電流對ZL114A補(bǔ)焊工藝孔組織及力學(xué)性能的影響

康福偉 侯兆敏 宿露 劉洪匯 喬昕

摘要：利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉伸實驗機(jī)等設(shè)備分別對200A、240A和280A 3種不同焊接電流補(bǔ)焊ZL114A合金工藝孔的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，在熱影響區(qū)隨著電流強(qiáng)度的增加，其寬度增加，但晶粒尺寸基本不變，而在熔凝區(qū)隨著電流強(qiáng)度的增加晶粒尺寸明顯增加；在240A時，熔凝區(qū)形成的氣孔數(shù)量最少，并且熱影響區(qū)中共晶相分布均勻，硬度最高。拉伸實驗表明，不同電流強(qiáng)度補(bǔ)焊的ZL114A工藝孔拉伸試樣斷裂位置均發(fā)生在熱影響區(qū)，但在電流強(qiáng)度為240A時，補(bǔ)焊后的力學(xué)性能最接近母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度的950%，所以240A為ZL114A工藝孔最佳補(bǔ)焊電流。

關(guān)鍵詞：ZL114A合金；補(bǔ)焊；電流；組織；力學(xué)性能

DOI：1015938/jjhust201705021

中圖分類號： TG445

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0116-05

Effect of Welding Current on Microstructure and Mechanical

Properties of ZL114A Repair Welding Process Holes

KANG Fuwei1，HOU Zhaomin1，SU Lu1，LIU Honghui2，QIAO Xin2

（1School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China； 2Aviation Industry of China Harbin DongAn Engine （Group） Corporation LTD， Harbin 150066， China）

Abstract：The effects of welding currents of 200A， 240A and 280A on microstructure and mechanical properties of ZL114A alloy repair welding process holes were investigated using optical and scanning electronic microscope （SEM）， tensile testing machine， respectively With the increase of current intensity， the heat affected zones widen and grain size almost unchanges， but the grain size increases apparently in fusion zone At 240A， the amount of pore is the least at fusion zone， and the eutectic phases distribute uniformly in heat affected zone， the hardness reaches the maximum value The results of tensile test show that the fracture of tensile samples all locate in heat affected zone At 240A， the sample tensile strength is closest to that of the base metal， and reaches ninetyfive percent of the base metal tensile strength So the optimized repair welding current is 240A

Keywords：ZL114A aluminum alloy； repair welding； current； microstructure； mechanical properties

收稿日期： 2015-10-12

作者簡介：

侯兆敏（1988—），女，碩士研究生；

劉洪匯（1972—），男，研究員

通信作者：

康福偉（1970—），男，教授Email：fuwei_kang@163com

0引言

ZL114A合金是一種典型的高強(qiáng)高韌鑄造AlSi合金，該合金是在ZL101A的基礎(chǔ)上通過增加Mg元素含量發(fā)展起來的AlSiMg系合金，國外與之相似的合金為A357（美國軍標(biāo)，Al7Si06Mg）[1-2]。該合金通過固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化，可獲得良好的綜合性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)和導(dǎo)彈上承受高負(fù)荷的零部件或蒙皮[3-6]。利用ZL114A鑄造復(fù)雜零部件時經(jīng)常要在鑄型上設(shè)計工藝孔，一是保證砂型定位精準(zhǔn)，二是便于除砂，這些工藝孔在鑄件成型后不再有使用價值，常采用補(bǔ)焊工藝予以消除；另一方面，鋁合金航空航天零部件，如導(dǎo)彈殼體，是質(zhì)量要求非常嚴(yán)格的產(chǎn)品，不允許存在直徑大于1mm以上的缺陷，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，也常采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修復(fù)[7-8]。目前，ZL114A的研究主要集中在性能改善方面[9-13]，關(guān)于其補(bǔ)焊方面的研究還未見報道。若補(bǔ)焊工藝不恰當(dāng)，則補(bǔ)焊區(qū)性能與母材性能差異較大，影響工件的使用，甚至使工件報廢，因此優(yōu)化補(bǔ)焊工藝對于保證這類零件的質(zhì)量尤為重要。

鋁合金常見的焊接工藝有摩擦攪拌焊（FSW） [14]、激光焊（LW）和激光-電弧復(fù)合焊[15-16]、惰性氣體保護(hù)焊（TIG或MIG）等[17-19]，每種焊接方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但TIG法對鋁合金薄壁件焊接非常適用。根據(jù)實際鑄件特點(diǎn)，本文采用TIG法補(bǔ)焊ZL114A合金工藝孔，主要研究不同焊接電流下補(bǔ)焊接頭處的顯微組織、硬度、抗拉強(qiáng)度等變化規(guī)律，從而優(yōu)化出最佳焊接電流。endprint

1實驗材料及方法

實驗所用材料為ZL114A合金鑄造的某零部件，成分如表1所示。補(bǔ)焊孔為上部Φ14mm×5mm、

下部Φ8mm×5mm、高10mm的階梯孔。采用YC500WX4型焊機(jī)補(bǔ)焊，將Φ12mm×5mm的ZL114A圓柱體置于階梯孔中，兩者之間形成間隙配合，便于補(bǔ)焊。焊條直徑為Φ6mm，成分與母材相同；焊接電流強(qiáng)度分別為200A、240A和280A。焊后切取焊區(qū)位置合金，按照標(biāo)準(zhǔn)金相試樣法制備金相試樣，腐蝕劑為05%HF溶液。利用OLYMPUSGX716230A型金相顯微鏡、Philipsquanta200型掃描電子顯微鏡對組織進(jìn)行觀察；沿熔凝區(qū)、熱影響區(qū)至母材的順序依次測定試樣的維氏硬度，觀察不同區(qū)域硬度變化規(guī)律。拉伸實驗所用設(shè)備為CSS44300型拉伸實驗機(jī)，拉伸速度為1mm/min，拉伸試樣如圖1所示。

2實驗結(jié)果與分析

21電流對補(bǔ)焊區(qū)組織影響

ZL114A補(bǔ)焊后的顯微組織均可分為3個區(qū)，即母材區(qū)、熱影響區(qū)和熔凝區(qū)，如圖2（a）所示。母材區(qū)基本保持合金鑄造組織特點(diǎn)，熔凝區(qū)晶粒細(xì)小，而熱影響區(qū)晶粒粗大。分析認(rèn)為熔凝區(qū)產(chǎn)生的熱量被熱影響區(qū)快速吸收，凝固速度快，過冷度大，導(dǎo)致晶粒細(xì)?。欢鵁嵊绊憛^(qū)散熱速度慢，晶粒長大時間充分，所以晶粒粗大。圖2（b）是熱影響區(qū)放大1000倍的顯微組織照片，根據(jù)合金成分及文[1，20]，可知熱影響區(qū)組織主要由白色的αAl基體、深色AlSi共晶體及細(xì)小白色的Mg2Si相組成，如圖中箭頭所示。

隨著補(bǔ)焊電流強(qiáng)度的變化，熱影響區(qū)和熔凝區(qū)的組織會隨之發(fā)生變化。圖3為不同電流對熱影響區(qū)顯微組織的影響。從圖中可見，隨著電流強(qiáng)度增加，熱影響區(qū)的晶粒尺寸增加并不明顯，但其寬度明顯增加，如圖中所示。分析認(rèn)為，隨著電流強(qiáng)度的增加，產(chǎn)生的熱量增多，從熔凝區(qū)傳導(dǎo)至熱影響區(qū)的熱量也隨之增多，導(dǎo)致熱影響溫度升高，散熱時間延長，區(qū)寬度增加。比較200A、240A、280A 3個焊接電流下熱影響區(qū)的熔合情況發(fā)現(xiàn)，200A時熱影響區(qū)和熔凝區(qū)之間過渡的細(xì)小晶粒很少，兩區(qū)之間分界明顯，熔合的不好。240A時，從熱影響區(qū)到熔凝區(qū)晶粒逐漸變小，兩區(qū)之間有過渡的細(xì)晶，熔合的很好。280A時，熔合的也比較好。而且200A和280A時熱影響區(qū)中共晶相分布不均勻。這是因為電流過大或過小產(chǎn)生的熱量分布不均，局部區(qū)域溫度達(dá)到共晶溫度發(fā)生共晶反應(yīng)，反之，則沒有發(fā)生共晶反應(yīng)；而240A時共晶相均勻、彌散地分布。

圖4為電流強(qiáng)度對熔凝區(qū)顯微組織的影響。由圖可見，隨著電流強(qiáng)度的增加，晶粒尺寸呈增大趨勢。電流強(qiáng)度為200A時，熔凝區(qū)晶粒最細(xì)小，240A時晶粒尺寸增大的并不多，280A時晶粒尺寸明顯增大。

熔凝區(qū)中氣孔數(shù)量是影響焊接性能的重要因素。圖5為不同焊接電流在熔凝區(qū)產(chǎn)生的氣孔缺陷掃描電鏡照片，如圖中箭頭所示。從圖中可見，在電流強(qiáng)度為240A時熔凝區(qū)形成的氣孔數(shù)量最少，200A時氣孔稍多，而280A時氣孔數(shù)量最多。這是由于隨著電流強(qiáng)度增加，產(chǎn)生的熱量過多，熔凝區(qū)凝固速度降低，凝固時間延長，因此氣孔缺陷數(shù)量較多。

22電流對補(bǔ)焊ZL114A力學(xué)性能的影響

圖6為焊接電流強(qiáng)度對焊區(qū)顯微硬度分布的影響（垂直焊縫方向），從圖中可見，從母材區(qū)到熱影響區(qū)硬度降低，而到熔凝區(qū)硬度又升高，熱影響區(qū)硬度最低，熔凝區(qū)硬度最高。這與前面分析相一致，熔凝區(qū)晶粒最小，熱影響區(qū)晶粒最大，所以熔凝區(qū)硬度最高，而熱影響區(qū)硬度最低。在電流200A，240A和280A 3種情況下，電流為240A時，3個區(qū)的硬度最高。

分別從母材及包含焊區(qū)的母材切取拉伸試樣，進(jìn)行拉伸實驗。不同焊接電流下補(bǔ)焊ZL114A合金拉伸斷裂位置及抗拉強(qiáng)度如表2所示，由于熱影響區(qū)晶粒尺寸粗大且硬度最低，所以斷裂位置均發(fā)生在熱影響區(qū)。在240A的焊接電流下，焊區(qū)抗拉強(qiáng)度最好，達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的950%。在200A時抗拉強(qiáng)度稍低，為母材的818%，280A時拉伸強(qiáng)度最低，僅為母材的749%，這與前面顯微組織和硬度的分析結(jié)果相一致。綜上所述，從顯微組織、硬度及強(qiáng)度可見，焊接電流240A是補(bǔ)焊ZL114A工藝孔的最佳電流強(qiáng)度。

3結(jié)論

本文主要研究不同焊接電流強(qiáng)度對ZL114A合金補(bǔ)焊工藝孔的組織及力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）3種電流下焊區(qū)組織均是熔凝區(qū)晶粒最細(xì)小，熱影響區(qū)晶粒最大；隨著電流強(qiáng)度的增加，熱影響區(qū)的寬度增加，晶粒尺寸變化不明顯；

2）隨著電流強(qiáng)度增加，熔凝區(qū)的晶粒尺寸隨之增加，而在電流240A時，熔凝區(qū)的共晶相均勻、彌散地分布，焊接產(chǎn)生的氣孔最少，焊縫熔合的最好。

3）在三種電流下，均是熔凝區(qū)硬度最高，熱影響區(qū)硬度最低，拉伸試樣斷裂位置均出現(xiàn)在熱影響區(qū)。焊接電流為240A時抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度的950%，200A時達(dá)到了母材強(qiáng)度的818%，280A時只為母材強(qiáng)度的749%，所以240A是最佳補(bǔ)焊電流。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）endprint