Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材焊接接頭的組織與性能

張會(huì) 劉磊 周楠 羅明強(qiáng) 胡權(quán)

摘要：

采用光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡、維氏硬度計(jì)和拉伸試驗(yàn)機(jī)，研究了Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材熔化極惰性氣體保護(hù)焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明：焊縫中心區(qū)為枝晶，靠近母材側(cè)的焊縫熔合區(qū)為柱狀晶，母材為等軸晶，但靠近焊縫熔合區(qū)的母材晶粒發(fā)生了長大。焊接接頭的硬度以焊縫為中心呈對(duì)稱分布，從母材到焊縫中心，硬度先下降后上升再下降。焊縫中心區(qū)的硬度最低，為86～105（HV）。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為309 MPa，屈服強(qiáng)度為237 MPa，伸長率為4.75%，擠壓材的焊接強(qiáng)度系數(shù)為0.76。

關(guān)鍵詞：

Al-Zn-Mg-Cu合金; 擠壓材; 焊接強(qiáng)度系數(shù)

中圖分類號(hào)： TG 146.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Microstructure and Mechanical Property of Weld Joint in

As-extruded Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu Alloy

ZHANG Hui LIU Lei ZHOU Nan LUO Mingqiang HU Quan3

（1.Guangdong Institute of Materials and Processing， Guangzhou 510651， China;

2.Guangdong Xingfa Aluminium Co.， Ltd.， Foshan 528000， China;

3.Foshan Sanshui Fenglu Aluminum Co.， Ltd.， Foshan 528133， China）

Abstract：

The microstructure and mechanical property of metal inert gas protected welding joint in as-extruded Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu alloy were studied by optical microscope，transmission electron microscope，vickers hardness tester and tensile testing machine.The results show that the microstructure of center area of weld seam is dendrite.The microstructure of weld fusion zone near matrix is columnar crystal.The microstructure of matrix is equiaxed grain.However，the grains of matrix near weld fusion zone have grown up.The hardness of weld joint is symmetrically distributed by taking weld seam as the center.From matrix to the center of weld seam，the hardness is decreased，increased and decreased in turn.The center area of the weld joint shows the lowest hardness of 86-105（HV）.The tensile strength，yield strength and elongation of weld joint are 309 MPa，237 MPa and 4.75%，respectively.The welding strength coefficient of as-extruded Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu alloy is 0.76.

Keywords：

Al-Zn-Mg-Cu alloy; extruded product; welding strength coefficient

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，汽車迫切需要減重，以達(dá)到節(jié)能減排的要求[1]。鋁合金具有密度小、耐腐蝕性能好、易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上的應(yīng)用日益擴(kuò)大[2-4]。安裝在汽車前后部位的保險(xiǎn)杠是汽車上的重要安全部件，在汽車發(fā)生碰撞過程中，可以吸收緩和外界的沖擊力，降低碰撞事故對(duì)行人的傷害和對(duì)車輛的損壞[5]。Al-Zn-Mg-Cu系合金是可熱處理強(qiáng)化型的高強(qiáng)度鋁合金，采用Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)度鋁合金替代傳統(tǒng)鋼材制造汽車保險(xiǎn)杠是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效措施[6-8]。焊接是鋁合金汽車保險(xiǎn)杠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[9]，熔化極惰性氣體保護(hù)焊是以外加氣體作為電弧介質(zhì)保護(hù)金屬熔滴、焊接熔池和焊接區(qū)高溫金屬的電弧焊方法，是目前汽車領(lǐng)域鋁合金結(jié)構(gòu)件常用的焊接方法[10-11]。為了滿足汽車保險(xiǎn)杠對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的需求，課題組開發(fā)了Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金，該合金具有強(qiáng)度高、塑性好以及優(yōu)良的擠壓加工性能，但該合金的焊接性能尚未被研究。因此，本文采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊對(duì)Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材進(jìn)行焊接，研究了焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)設(shè)備為200 kg鋁合金熔化爐和半連續(xù)鑄造機(jī)。在740 ℃將純鋁、純鎂、純鋅、鋁銅合金和鋁鈦合金加熱熔化，經(jīng)精煉除氣除渣后，將鋁合金液半連續(xù)鑄造成直徑為100 mm的Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金圓棒。采用SPECTROMAX光電直讀光譜儀測(cè)定合金圓棒的化學(xué)成分，見表1。

表1 Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Tab.1 Compositions of Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu alloy（mass fraction，%）

將合金圓棒加熱至 450 ℃保溫 4 h，再繼續(xù)升溫至 510 ℃保溫 10 h進(jìn)行均勻化處理，之后用水霧強(qiáng)制冷至室溫。將合金圓棒加熱至475 ℃后在630 t擠壓機(jī)上擠壓成寬94.6 mm、厚8.2 mm的板材，擠壓速度為7 mm/s，擠壓比為10∶1，然后進(jìn)行在線水冷淬火，冷卻速度為40 ℃/s。采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊方法對(duì)擠壓板材進(jìn)行焊接，焊接方向平行于板材的擠壓方向，焊接電流為80 A，焊接速度為4 m/min，氬氣流速為10 L/min，焊絲為ER5356。

以焊接接頭的焊縫為中心沿著垂直于焊接方向切取試樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。在MH-5L型維氏硬度儀上測(cè)試合金焊接接頭的硬度，測(cè)試載荷為200 g，加載時(shí)間為10 s。在DNS200型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min，拉伸試樣形狀尺寸如圖1所示。試樣的熱影響區(qū)的微觀組織采用JEM-2100F電子透射電鏡（TEM）進(jìn)行觀察。切割機(jī)將試樣加工成直徑為3 mm、厚度為0.35 mm的圓片，先用砂紙磨到厚度為0.09 mm，再利用NCP01-5型電解雙噴減薄儀對(duì)試樣進(jìn)行減薄制成TEM試樣，電解液為體積分?jǐn)?shù)為10%的HClO4的乙醇溶液，溫度為-20 ℃。

圖1 拉伸試樣的形狀尺寸

Fig.1 Shape and size of tensile test sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材焊接接頭的顯微組織。由于焊接試樣采用單面開V形坡口形式焊接，因此焊接接頭的組織以焊縫為中心線呈對(duì)稱分布。從圖2中可看到，接頭的焊縫區(qū)為細(xì)小的枝晶組織。如圖2（a）和（b）所示，在焊接加熱時(shí)，焊縫區(qū)的局部溫度高達(dá)700～800 ℃，焊絲熔化，隨后冷卻，熔池快速結(jié)晶。但由于熔池各部位結(jié)晶先后順序不同，同時(shí)溶質(zhì)還來不及擴(kuò)散，導(dǎo)致溶質(zhì)的濃度不同，而且溶質(zhì)還來不及均勻化，從而使焊縫區(qū)為鑄造枝晶組織[12]。這種急冷的組織使得焊縫區(qū)的強(qiáng)度較低，塑性較差。焊縫中還存在氣孔，氣孔的存在會(huì)導(dǎo)致在拉伸時(shí)存在應(yīng)力集中，降低了焊接接頭的塑性。焊縫靠近母材的熔合區(qū)組織為柱狀晶，如圖2（a）和（c）所示。柱狀晶形成的原因是，熔池凝固時(shí)以熔池邊緣為起始部位，沿著與熔池散熱方向相反取向的晶粒進(jìn)行競(jìng)相生長，與此方向不一致的晶粒將因此受到壓制而停止生長。因此熔合區(qū)的晶粒方向與熔池散熱方向平行，從而形成了柱狀晶[13]。母材的組織為等軸晶粒，但靠近焊縫熔合區(qū)的母材晶粒發(fā)生了長大，如圖2（c）和（d）所示。由于焊縫溫度很高，導(dǎo)致靠近焊縫的母材晶粒受到高溫影響而長大。

圖2 合金擠壓材焊接接頭的顯微組織

Fig.2 Microstructures of weld joint of as-extruded alloy

2.2 硬度分布

圖3為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材焊接接頭的硬度分布圖。熔化極惰性氣體保護(hù)焊屬于熔化焊，因此在焊接時(shí)局部會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，在焊接過程中，焊接的熱循環(huán)作用使得焊接接頭不同區(qū)域的硬度會(huì)有很大的變化。從圖3中可以看出，以焊縫為中心，焊接接頭的硬度呈對(duì)稱分布，從母材到焊縫，硬度先下降后上升再下降。硬度測(cè)試區(qū)域的焊縫寬度約為12 mm，焊縫區(qū)主要成分為ER5356焊絲，幾乎沒有強(qiáng)化相，因此硬度較低，硬度值為86～105（HV）。在焊接完成后，焊接熱會(huì)沿著母材方向擴(kuò)散，在母材上會(huì)形成一段熱影響區(qū)，熱影響區(qū)分為淬火區(qū)和過時(shí)效區(qū)[14]。在距離焊縫中心8～12 mm的熱影響區(qū)為淬火區(qū)，在進(jìn)行焊接時(shí)，該區(qū)域溫度較高，達(dá)到了合金的固溶溫度，使合金的固溶度提高。在焊接結(jié)束后，溫度降低，經(jīng)過一段停放時(shí)間后析出η′相（MgZn2），形成自然時(shí)效強(qiáng)化，因此硬度較高，硬度值為117～125（HV）。在距離焊縫中心12～30 mm的熱影響區(qū)為過時(shí)效區(qū)，硬度值較低，并在距離焊縫中心16 mm處，硬度下降到最低，約為106（HV）。因?yàn)樵搮^(qū)域距離焊縫距離較遠(yuǎn)，在焊接時(shí)由于焊接熱的影響，該區(qū)域溫度高于合金的時(shí)效溫度，但低于合金的固溶溫度，因此使η′相（MgZn2）長大、粗化，導(dǎo)致其時(shí)效強(qiáng)化與固溶強(qiáng)化效果比淬火區(qū)的低，形成過時(shí)效區(qū)域，強(qiáng)度下降，但仍然高于焊縫區(qū)的強(qiáng)度。隨著距離焊縫中心的距離的增大，合金的硬度逐漸升高，到達(dá)母材后硬度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材焊接接頭母材熱影響區(qū)的淬火區(qū)和過時(shí)效區(qū)的TEM圖。從圖4（a）中可以看到，在淬火區(qū)內(nèi)彌散分布著細(xì)小的納米級(jí)顆粒狀的η′相（MgZn2）[15]。淬火區(qū)的形成是因?yàn)樵诤附友h(huán)熱的作用下，使靠近焊縫的區(qū)域處于固溶狀態(tài)，析出相固溶到基體中，使原本該區(qū)域的固溶態(tài)合金的固溶度提高，空位密集，形成過飽和固溶體。在隨后的冷卻過程中，發(fā)生自然時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，Mg原子和Zn原子在Al基固溶體中偏聚形成一個(gè)GP區(qū)，放置一段時(shí)間后，Mg原子和Zn原子進(jìn)一步偏聚，GP區(qū)聚集長大形成亞穩(wěn)η′相（MgZn2）。η′相是Al-Zn-Mg-Cu合金的主要強(qiáng)化相。從圖4（b）中可以看到，過時(shí)效區(qū)內(nèi)析出相的數(shù)量較少，也變得粗大，過時(shí)效區(qū)的溫度比淬火區(qū)的溫度低，但高于合金的時(shí)效溫度，因此析出相發(fā)生聚集和粗化。

2.3 拉伸力學(xué)性能

表2為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材和焊接接頭的拉伸力學(xué)性能。從表2中可以看到，由于焊接接頭焊縫的鑄造組織以及氣孔的存在，降低了焊接接頭的拉伸力學(xué)性能，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為309 MPa，屈服強(qiáng)度為236.5 MPa，伸長率為4.75%。與母材的拉伸力學(xué)性能相比，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度下降了24.4%，屈服強(qiáng)度下降了10.1%，伸長率下降了80.6%，焊接接頭的焊接強(qiáng)度系數(shù)為0.76。

表2 合金擠壓材和焊接接頭的拉伸力學(xué)性能

Tab.2 Mechanical properties of as-extruded alloy

and the weld joint

3 結(jié) 論

（1） Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材焊接接頭的焊縫中心區(qū)為枝晶組織，焊縫靠近母材側(cè)的熔合區(qū)為柱狀晶組織，母材為等軸晶組織，但靠近焊縫熔合區(qū)的母材晶粒發(fā)生了長大。

（2） 焊接接頭的硬度值以焊縫為中心呈對(duì)稱分布，從母材到焊縫中心，硬度先下降后上升再下降，焊縫中心區(qū)的硬度最低，為86～105（HV）。

（3） 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為309 MPa，屈服強(qiáng)度為237 MPa，伸長率為4.75%，焊接強(qiáng)度系數(shù)為0.76。

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