固溶處理對7075超硬鋁焊接接頭組織及力學性能的影響

張 琨， 劉政軍

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

固溶處理對7075超硬鋁焊接接頭組織及力學性能的影響

張 琨， 劉政軍

(沈陽工業(yè)大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870)

采用ER5356焊絲在TIG焊下對5 mm厚的7075-T6超硬鋁進行焊接，對在不同焊接工藝下獲得的焊接接頭進行性能檢測和組織分析，確定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。然后對試件進行固溶處理，選取4個固溶溫度、3個固溶時間進行試驗，通過宏觀形貌和金相觀察、掃描電鏡觀察、X射線衍射分析、拉伸實驗和硬度測量，研究不同固溶參數(shù)下焊接接頭組織及性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明，通過焊接工藝性分析確定最佳焊接電流為110 A，焊后固溶處理最佳參數(shù)匹配為焊接電流110 A、固溶溫度480 ℃、固溶時間45 min，得到的焊接接頭顯微組織得以改善、組織力學性能較好，即晶粒組織大小均勻，析出相彌散分布在基體和晶界中，從而使更多的元素溶入基體和晶界。

7075超硬鋁； 鎢級氬弧焊； 固溶處理； 顯微組織； 力學性能

隨著航空航天及交通運輸業(yè)在新世紀的迅速發(fā)展，各個國家對材料輕量化的要求變得越來越高。7075鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系熱處理強化型合金，是商用最強力合金之一，具有普通抗腐蝕性能、良好機械性能[1]。但是超硬鋁焊接性比較差，焊接接頭經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷,嚴重影響了超硬鋁的連接性和使用。

目前，國內(nèi)外學者采用攪拌摩擦焊、激光焊、擴散焊等方法對超硬鋁進行了焊接。但是采用TIG焊對異質(zhì)鋁合金焊接技術(shù)的研究不是太多，本文根據(jù) 7075 超硬鋁合金的成分及焊接性，選用ER5356鋁鎂焊絲，采用TIG焊接對7075鋁合金與低組配5356焊條進行焊接[2]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗選用母材7075超硬鋁合金軋制板材，厚度為5 mm，其供貨狀態(tài)為 T6，即固溶熱處理后進行人工時效的狀態(tài)，板材規(guī)格為 300 mm×75 mm×5 mm，目前市面上并沒有與 7075超硬鋁合金匹配的等強焊絲，所以實驗選取的是主要含有Al和Mg的五系ER5356焊絲作為填充材料，規(guī)格為φ1.6 mm，化學成分如表1所示。

表1 母材及焊絲的主要化學成分Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire %

1.2 實驗方法

實驗設(shè)計采用對接接頭的焊接接頭形式，由于所選用母材厚度較大，故坡口角度為60°的背面采用開槽銅墊板。實驗采用機械清理的方法，“V”形坡口，進行平板對接，板間距為 2～3 mm，先使用角磨機對坡口周圍的毛刺和氧化膜進行打磨，然后使用丙酮清除表面粉末和油污，直至試板表面呈現(xiàn)金屬光澤[3]。實驗使用時代逆變WSE-500 TIG焊機對試件焊接。在保證焊縫熔透情況下單道焊成，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process paramenters

在焊接完成的試板上選取恰當位置作為金相試件，經(jīng)精細打磨拋光之后，采用Keller試劑進行腐蝕。使用蔡司AXIO Observer A1m金相顯微鏡對金相試件觀察分析，對焊接接頭進行X射線衍射分析。使用線切割方式對成形良好的鋁板沿垂直于焊縫的方向(即母材軋制方向)截取拉伸試樣，根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，使用WDW-100型微機控制電子式萬能試驗機進行拉伸試驗。采用日立S-3400N掃描電子顯微鏡對焊接接頭焊縫SEM 和EDS 分析，通過觀察晶界內(nèi)和晶界析出相的形貌和元素分布情況初步推測其組織中的物相組成。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 焊接參數(shù)對焊接接頭組織性能的影響

2.1.1 焊接電流對焊縫表面成形的影響 焊接接頭宏觀形貌是對焊后接頭焊接性能的直觀預(yù)判，是衡量焊接質(zhì)量的第一步。實驗采用 ER5356 焊絲，焊接速度固定為 3 mm/s，分別在 80、90、100、110、120 A焊接電流下施焊，焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1可見，焊接接頭表面沒有明顯宏觀焊接缺陷。在焊接過程中，隨著焊接電流增大，焊縫熔寬也隨之增加。隨著焊接電流的增大，熔池金屬的流動加速，使焊縫表面紋理越來越均勻。在一定范圍內(nèi)，適當增大焊接電流，同時送絲速度加快，可以保證熔滴過渡量增加，從而有足夠金屬填滿焊縫，促使焊縫表面凝固后紋理清晰、分布均勻。

圖1 不同電流下焊縫宏觀形貌

Fig.1Themacroscopicappearanceoftheweldingseam

2.1.2 焊接電流對接頭力學性能的影響 通過拉伸實驗，能夠直觀的了解應(yīng)用ER5356焊絲進行異質(zhì)焊接的情況下不同焊接電流對焊接接頭的力學性能的影響。

圖2為ER5356焊絲接頭抗拉強度和伸長率隨焊接電流變化趨勢。從圖2中可以看出，焊接接頭抗拉強度和伸長率隨焊接電流增大，呈現(xiàn)出W趨勢，即先上升后下降。而焊接電流增大到110 A時，此時抗拉強度為331.5 MPa，伸長率為9.5%，接頭的抗拉強度和伸長率達到最大。ER5356焊絲中大量的Mg元素對焊接接頭的軟化起到了很好的補強作用，從而提高了焊接接頭強度。但是當焊接電流增加到120 A時，熔池組織過熱又造成了晶粒粗大，形成粗晶區(qū)，從而導(dǎo)致晶界結(jié)合強度下降和接頭性能的降低[4]。

圖2 不同電流下焊接接頭的力學性能Fig.2 Mechanical properties of the welded joints in different electrical flows

圖3為不同焊接電流下焊縫硬度變化趨勢。從圖3可知，呈現(xiàn)“W”形趨勢，在80～90 A、100～110 A電流區(qū)間，硬度隨電流增加呈現(xiàn)遞減趨勢。在90～100 A及110～120 A區(qū)間則呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢。根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度實驗標準》，宏觀顯微硬度的誤差為±3%，所得焊縫硬度在合理范圍內(nèi)。

圖3 不同焊接電流下焊縫中心區(qū)硬度變化Fig.3 The center of microhardness distribution of weld joint under different current

通過對硬度的測量與匯總發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)是整個焊接接頭最軟區(qū)域，熱影響區(qū)及熔合線的硬度則稍高，焊絲中的Mn和Cr與母材中的Cu元素存在元素過渡，從而提高了接頭硬度[5]。

2.1.3 焊接電流對焊接接頭組織的影響 圖4為ER5356焊接接頭不同區(qū)域顯微組織。從圖4中可以看出，在電流為100 A時，晶粒比90 A更細小些，但尚有組織不夠均勻。當電流達到110 A時，晶粒更加細小、組織較為均勻。當電流增大到120 A時，則因為熱輸入過大，導(dǎo)致晶粒均勻程度變差、組織粗化。

通過對五組電流下的焊接接頭顯微組織的分析得出當焊接電流為110 A時，組織中晶粒最細。此時，焊接接頭處的抗拉強度、伸長率均為選用工藝參數(shù)下最高。圖4中還可以看出細晶強化效果明顯。

圖4 不同焊接電流的焊縫顯微組織

Fig.4Weldmicrostructureofdifferentweldingcurrent

2.1.4 焊接接頭物相分析 為了確定焊接接頭的相結(jié)構(gòu)組成，對焊接電流為 110 A，焊接速度固定為 3 mm/s 的工藝條件下形成的焊縫進行 X 射線衍射分析。

圖5為焊縫 X 射線衍射圖譜，比對后發(fā)現(xiàn)焊接接頭由Al 和強化相AlMg2、Mg32Al47Cu7組成，這些強化相對接頭的性能起到強化作用。

圖5 焊態(tài)下焊縫 X 射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction pattern of weld joint

2.1.5 焊接接頭SEM及 EDS分析 圖6為 ER5356 焊絲焊接接頭焊縫SEM和EDS圖。從圖6中可以看出，有析出相呈白亮鏈狀沿晶界分布，并以細小不規(guī)則的形狀分散于基體中，經(jīng)點EDS檢測發(fā)現(xiàn)，析出相中所含元素與母材種類基本相同，其主要元素是 Al 和 Mg，焊絲提供了大部分的Mg 元素，同時也有局部母材元素過渡到熔池中[6]。Mg 元素沸點(1 363 K)較低，在焊接過程中易發(fā)生燒損，所以焊絲中大量的 Mg 元素不僅起到了補充作用，同時還作為強化元素以形成強化相，提高了接頭強度。表 3 為EDS 檢測結(jié)果，由表3可以推測出接頭主要由基體α-Al、Mg2Al3和Mg32Al47Cu7構(gòu)成。

圖6 焊接電流為110 A時焊縫SEM與 EDS 分析結(jié)果

Fig.6WeldSEMandEDSanalysisresultswhenweldingcurrentis110A

表3 EDS 實驗結(jié)果Table 3 EDS test results %

2.2 焊后熱處理對焊接接頭組織及性能的影響

2.2.1 固溶處理對抗拉強度和伸長率的影響 實驗對7075鋁合金在4個不同梯度溫度下(440、460、480、500 ℃)分別進行(30、45、60 min)的固溶處理。優(yōu)選出最佳固溶溫度，并結(jié)合鋁合金時效原理，研究固溶時間(30、45、60 min)對7075鋁合金焊接接頭顯微組織和力學性能的影響，兩者結(jié)合從而確定最佳的固溶處理溫度和時間[7],結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)可以看出，在固溶時間為60 min的條件下，焊接電流在90～110 A內(nèi)呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處抗拉強度達到最大值，隨后抗拉強度降低。

從圖7(b)中可以發(fā)現(xiàn)焊接電流在90～110 A內(nèi)，伸長率呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處達到最大值，隨后伸長率降低。

從圖7(c)中可以看出，在固溶時間為45 min的條件下，焊接電流仍然在90～110 A內(nèi)呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處抗拉強度達到最大值，隨后抗拉強度降低。圖7(d)中可以發(fā)現(xiàn)焊接電流在90～110 A內(nèi)，伸長率呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處達到最大值，隨后伸長率降低。電流為110 A時，最好的固溶溫度為480 ℃。

從圖7(e)中可以看出，在固溶時間為30 min的條件下，焊接電流同樣在90～110 A內(nèi)呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處抗拉強度達到最大值，隨后抗拉強度降低。從圖7(f)中可以看出，焊接電流在90～110 A內(nèi)，伸長率呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，在110 A處達到最大值，480 ℃下的抗拉強度和伸長率達到了最優(yōu)參數(shù)。

圖7 力學性能隨焊接電流變化曲線

Fig.7Themechanicalpropertiesofdifferenttimefollowthecurveofweldingcurrent

綜上，固溶處理后的最優(yōu)電流仍然為110 A，最優(yōu)的固溶溫度為480 ℃，在該溫度達到最大值，隨后伸長率降低。電流為110 A時，焊接接頭的力學性能達到最優(yōu)值。取480 ℃下不同處理時間的數(shù)據(jù)繪圖，結(jié)果如圖8所示。通過圖8可以直觀發(fā)現(xiàn)，在固溶溫度相同的情況下，固溶時間分別為45、30 min時，隨著焊接電流的增加，抗拉強度與伸長率逐漸增加。在固溶30 min和45 min的兩組數(shù)據(jù)比較下，發(fā)現(xiàn)處理時間為45 min時試件力學性能更好。因此，綜上兩組對比得出，在焊接電流110 A，固溶溫度480 ℃處理45 min時為最優(yōu)工藝措施。

圖8 480℃時力學性能隨焊接電流變化曲線

Fig.8Whenthemechanicalpropertieschangewithweldingweldingcurrentcurveat480 ℃

2.2.2 固溶處理對硬度的影響 通常，焊接接頭的硬度值越高，其抗拉強度值越大，通過測量不同工藝參數(shù)下樣品的硬度變化，間接得到其對應(yīng)的強度變化趨勢，以此來確定最佳固溶時間[8]。

圖9為不同溫度下焊接接頭的硬度。由圖9(a)可知，460 ℃和440 ℃下得硬度變化趨勢呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，其余倆溫度下硬度變化趨勢比較平緩，無明顯變化。從整體來看，440 ℃和460 ℃下硬度較480 ℃和500 ℃小。由圖9(b)可知，440 ℃下硬度波動區(qū)間較大，而480 ℃下硬度范圍波動小，480 ℃下硬度值則在82～102.2 HV內(nèi)變化，460 ℃和440 ℃下的硬度變化趨勢呈現(xiàn)隨電流增大硬度先增加再略有降低隨后再增加的趨勢，在120 A電流下得到最大值。500 ℃下在電流為100 A時硬度最大，為126.45 HV。由圖9(c)可知，480℃下硬度波動區(qū)間較大，硬度值區(qū)間為86.2～109.6 HV，在電流為120 A時達到了109.6 HV。460 ℃和440 ℃下的硬度值略小于其余兩個溫度的值。

圖9 不同固溶時間、不同溫度下焊接接頭的硬度

Fig.9Hardnessofweldedjointsatdifferentsolutiontreatmenttimeandtemperatures

綜上，通過對硬度曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，硬度值在一定范圍內(nèi)浮動。理論上來說，抗拉強度增加，硬度也會增加，而從圖9中的曲線看不出這樣規(guī)律，原因可能是由于打硬度所取的點數(shù)過少，不能反映硬度的普遍規(guī)律。其次，維氏硬度計的測量可能不太適用于該試驗試件。因為該硬度的壓頭較小，測量硬度時可能打在了強化相上，因此導(dǎo)致在抗拉強度最大時，并沒有出現(xiàn)硬度的峰值[9]。因此該實驗中硬度數(shù)據(jù)不具有反映普遍規(guī)律的意義。

2.2.3 焊接接頭顯微組織分析 對于可熱處理強化型鋁合金而言，影響固溶處理的最重要因素是固溶處理溫度，在一定范圍內(nèi)，升高固溶處理溫度，可以提高合金元素的固溶過飽和度，使更多的合金元素溶入基體中，減少基體中分布的第二相、粗大難溶共晶相的數(shù)量和尺寸，顯微組織和成分的均勻性提高[10]。因此，固溶處理后，對焊接接頭進行金相采集，如圖10、11所示。

圖10 不同固溶溫度的焊縫顯微組織

Fig. 10Weldmicrostructureofdifferentsolidsolutiontemperature

由圖10可見，480 ℃為最佳的固溶處理溫度，其合金組織中的粗大共晶相的溶解速度以及固溶過飽和度提高，基本消除粗大第二相，晶粒尺寸也較為均勻[11-12]。由圖11可知，對比480 ℃固溶溫度不同時間的金相組織，固溶30 min的組織晶粒比較集中、粗大，組織不夠均勻。當溫度達到45 min時，較其余兩個溫度相比。組織均勻、晶粒較細、彌散分布在基體當中。當時間達到60 min時，晶粒再次變得粗大，不均勻的分布在晶界和基體當中。

2.2.4 焊接接頭物相分析 圖12為固溶溫度480 ℃處理45 min工藝下的焊接接頭進行X 射線衍射分析結(jié)果。圖12(a)為進行固溶未處理的X射線衍射分析圖，圖12(b)為固溶處理后的X射線衍射分析圖。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)在最佳的固溶工藝處理后，Mg32Al47Cu7、Al3Mg2重新溶解，對接頭的性能起到強化作用。與之前未進行固溶處理的X射線衍射成分相比，析出相變少，由此可確定更多的合金元素在固溶處理后溶入基體當中，使接頭性能得以提高。

圖11 480℃不同固溶時間的金相組織Fig.11 The microstructure of different solid solution time at 480 ℃

為進一步分析在最優(yōu)溫度下焊接接頭析出相的成分變化，將不同固溶溫度的三組圖堆積在一幅圖中進行成分比較。發(fā)現(xiàn)在固溶45 min時，各相成分峰值較其他兩組固溶溫度均有下降。衍射角在30°～35°的兩組峰值偏小的峰基本消失。由此可以證明，此溫度下，更多的元素重新進入基體，從而達到了強化的作用。與本章前半部分分析的焊接接頭組織力學性能基本一致。從而更有力的證實了最好的固溶處理工藝為480 ℃，45 min。

圖12 焊縫X射線衍射圖譜Fig.12 X-ray diffraction pattern of weld

2.2.5 焊接接頭 SEM及 EDS分析 選擇480 ℃固溶處理45 min的接頭進行EDS和SEM分析，結(jié)果如圖13所示。由圖13和表4可見，晶界上Cu、Zn、Mg元素含量都略有減少，然而晶界內(nèi)合金元素含量都有增加。

圖13 焊縫SEM及EDS圖

Fig.13WeldSEMandEDSdiagram

表4 EDS 實驗結(jié)果Table 4 EDS experimental results %

表4更直觀的說明了固溶處理后，更多合金元素溶解進入了基體，使基體得以強化，晶界尺寸細化。與由力學性能和X射線衍射數(shù)據(jù)的分析一致。因此，最優(yōu)參量的固溶處理對焊接接頭的綜合性能有了很大程度的提升。

3 結(jié)論

(1) 采用TIG焊，使用ER5356焊絲對7075超硬鋁進行焊接，當焊接電流為110 A時，焊接接頭的組織性能得到了最佳匹配，此時接頭抗拉強度為331.5 MPa，伸長率為9.5%，硬度為82.2 HV；焊接熔合線處無明顯缺陷，焊縫組織細小均勻，對提升力學性能十分有利。

(2) 經(jīng)過分析確定最佳固溶參數(shù)匹配為：焊接電流110 A，固溶溫度480 ℃，固溶時間45 min，此時焊接接頭的抗拉強度達到421 MPa，伸長率為14.38%，硬度為96.2 HV。

(3)合適的固溶參數(shù)可以改善顯微組織，均勻化晶粒尺寸，促使析出物大量固溶到基體中，起到固溶強化作用，進而提高焊接接頭的綜合力學性能。

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The Influence of Solid Solution on Microstructure and Mechanical Properties of 7075 Super-Hard Alloy TIG Welding Joint

Zhang Kun， Liu Zhengjun

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,ShenyangLiaoning110870,China)

The ER5356 welded wire was welded under the TIG welding to 5 mm thick 7075-T6 super hard aluminum. The performance and microstructure of the welded joints obtained under different welding processes were analyzed, and the best welding parameters were determined. After solid solution treatment for the specimens, four solid solution temperature and three solid solution time were selected for the experiment. The change law of microstructure and properties of welded joints under different solid solution parameters was studied through macro morphology and metallographic observation, scanning electron microscope, X ray diffraction analysis, tensile test and hardness measurement. The results show that the best welding current is 110 A determined by welding technology, solid solution treatment temperature is 480 ℃, solid solution time is 45 min. At this time, the microstructure of welded joints is improved, and the mechanical properties of the welded joints are better. That is, the size of the grain structure is homogeneous, and the precipitates are dispersed in the matrix and grain boundaries. Thus, more elements are dissolved into the matrix and the grain boundary.

7075 super-hard alloy; Tungsten grade argon arc welding; Solution treatment; Micro-structure; Mechanical property

2017-08-26

2017-11-04

遼寧省科技廳資助項目(20131079)。

張琨(1983-)，女，博士研究生，從事焊接材料的開發(fā)與性能相關(guān)研究；E-mail：zhangkunul@126.com。

劉政軍(1962-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事焊接材料的開發(fā)與研制，金屬表面強化技術(shù)等研究；E-mail：liuzhengjun1962@163.com。

1006-396X(2017)06-0084-08

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TG457.1

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.016

(編輯 王亞新)