鑄造鋁合金A356焊接接頭組織和性能研究

姜丕文，康 銘，楊振東，魏鵬堯，齊芃芃

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及優(yōu)良的加工性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和建筑等領(lǐng)域[1]，鑄造鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和易成型等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于航空、鐵路、汽車等工業(yè)領(lǐng)域[2]。A356鑄造鋁合金[3]屬于鑄造Al-Si-Mg鋁合金，由于具有流動性好、收縮率和熱裂傾向小、具有良好力學(xué)性能和機(jī)械加工性能等特性而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、船舶等鑄造零件的生產(chǎn)[4]，A356鑄造鋁合金焊后由于過時效會導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度損失量很大，焊后進(jìn)行熱處理會使強(qiáng)度得到提升[5]。目前國內(nèi)對于鑄造鋁合金與擠壓鋁合金焊接的研究很少，本文以A356-T6鑄造鋁合金為對象，研究MIG焊對接接頭的組織和性能，為A356鋁合金焊接生產(chǎn)提供合理的焊接工藝參考價值。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選擇A356-T6鋁合金重力鑄件作為母材，尺寸規(guī)格為150 mm×100 mm×4mm，選用ER5356鋁合金焊絲做填充材料，焊絲直徑為Φ1.2mm，母材和填充材料的化學(xué)成分如表1所示；母材A356,屈服強(qiáng)度228MPa，抗拉強(qiáng)度292MPa，延伸率8.3%；填充材料ER5356焊絲，屈服強(qiáng)度125MPa，抗拉強(qiáng)度257MPa，延伸率15.6%。

表1 母材與焊絲化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

焊前使用氣動鋼絲碗刷將鋁合金母材坡口及兩側(cè)20mm的表面打磨出金屬光澤，并用酒精清除表面油污等雜質(zhì)。坡口尺寸為單面V型、角度75°，保護(hù)氣體使用氬氣(純度不小于99.99%)，使用福尼斯TPS-5000焊機(jī)進(jìn)行MIG對接焊接，焊接電流選擇100A，焊接速度選擇5.3mm/s，送絲速度為5.8m/min，氣體流量選擇18L/min～22L/min，焊后對試樣進(jìn)行540℃×2h+175℃×8h的固溶-人工時效熱處理制度處理。

使用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察。使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，加載速率10mm/min，每組測試2個試樣，取平均值作為測試結(jié)果。使用島津SSX-550型SEM對拉伸斷口形貌觀察。使用FV-810型維氏顯微硬度計(jì)對焊接接頭的近上表面進(jìn)行硬度測試，測試點(diǎn)從一側(cè)熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫區(qū)至焊縫另一側(cè)熱影響區(qū)，相鄰測點(diǎn)距離為1mm，進(jìn)行42個點(diǎn)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 母材顯微組織

圖1為鑄鋁A356母材不同位置的金相組織，圖中白色部分為α-Al基體，黑色球狀或細(xì)小片層狀組織為共晶組織的Si相，不同部位的基體大小以及共晶成分的數(shù)量是不同的。由于Al在Si中的溶解度非常小(0.016wt.%)，這些共晶硅相可以看作是純Si。黑色長條狀的相是含鐵的雜質(zhì)，它們對材料的力學(xué)性能有害；黑色大塊狀為基材中存在的疏松。

2.2 接頭顯微組織

焊接接頭分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材。圖2為焊接接頭的橫截面照片。

由圖2可見，在熔合線處，靠近焊縫側(cè)為一黑色、白色組織交錯區(qū)域，靠近母材側(cè)為一白亮區(qū)域。本試驗(yàn)對黑白交錯區(qū)域進(jìn)行了研究觀察，發(fā)現(xiàn)其實(shí)際為母材α-Al未熔化，而晶界發(fā)生熔化的區(qū)域，暫稱作部分熔化區(qū)。圖3為該區(qū)域的200倍放大圖片，其中大晶粒是部分熔化區(qū)的原始晶粒。在接頭的部分熔化區(qū)，α-Al保持原始形貌，但是晶粒之間的相對距離被拉長，晶界變黑變粗。晶界多分布有低熔點(diǎn)共晶，此區(qū)域溫度正好使晶界熔化而基體不熔化，這樣晶界失去強(qiáng)度，在焊接收縮應(yīng)力的作用下，被彼此拉開。

由圖3(a)(b)可見，在部分熔化區(qū)，原始晶粒上重新向液態(tài)區(qū)長出新晶粒。雖然存在晶界液化和焊接收縮， 但是接頭并沒有形成液化裂紋， 這印證了Al-Si合金具有低的裂紋敏感性。由圖3(c)可見，部分熔化區(qū)黑色的區(qū)域?qū)嶋H為晶界重新凝固后，形成比之前更加細(xì)小的共晶組織，如果腐蝕時間過長，就會造成金相下無法分辨的“黑色晶界”圖像。

2.3 接頭力學(xué)性能

對接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，試件斷裂位置如圖4所示，焊接接頭都斷裂在熱影響區(qū)，試件的抗拉強(qiáng)度為192MPa，屈服強(qiáng)度為159MPa，接頭系數(shù)達(dá)到0.8，分析主要因?yàn)樵跓嵊绊憛^(qū)組織受焊接熱作用，發(fā)生了過時效，導(dǎo)致強(qiáng)化相聚集，組織變大，強(qiáng)度降低。

2.4 斷裂處金相組織

對斷裂處的金相組織進(jìn)行觀察，如圖5所示。

可以見到晶界開裂的顯微特征，A356晶界處分布大量共晶Si顆粒，共晶Si形態(tài)對材料力學(xué)性能的影響很大，Si顆粒使材料的連續(xù)性存在一定的割裂性，尤其長條形的共晶Si容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并切割母材，這使得材料斷裂容易在晶界處發(fā)生，正是這種存在沿晶斷裂的特征，使得焊接接頭的延伸率偏低，呈現(xiàn)一定脆性。

2.5 接頭硬度

對焊接接頭進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果如圖6所示，接頭硬度分布表現(xiàn)為典型的“W”型，接頭硬度最高處位于焊縫區(qū)，硬度最高值116HV1，硬度最低值位于熱影響區(qū)距離焊縫中心12mm，最低值為76HV1，此處位置受焊接熱循環(huán)作用，硬度與力學(xué)性能最為薄弱，拉伸試驗(yàn)斷裂位置也在此位置附近。

2.6 接頭熱處理后的力學(xué)性能

對接頭進(jìn)行540℃×2h+175℃×8h的固溶+人工時效，后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，接頭的屈服強(qiáng)度219MPa，延伸率5.1%，接頭的抗拉強(qiáng)度289MPa與母材的抗拉強(qiáng)度292MPa差別不大，比焊后未熱處理的接頭強(qiáng)度192MPa提高了97MPa。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，造成A356焊接接頭軟化的主要原因是過時效，可以通過焊后熱處理進(jìn)行恢復(fù)強(qiáng)度，分析主要原因?yàn)?，固溶后熱影響區(qū)組織發(fā)生了重熔再結(jié)晶，生成了比焊態(tài)組織更加細(xì)小的晶粒，因此接頭強(qiáng)度較焊態(tài)有很大的提升。

3 結(jié)論

(1)A356焊接接頭抗拉強(qiáng)度160MPa，斷裂在熱影響區(qū)，母材中存在于晶界處的共晶Si顆粒，降低材料連續(xù)性，成為接頭的薄弱部位，固溶+時效熱處理后熱影響區(qū)組織發(fā)生了重熔再結(jié)晶，強(qiáng)度可達(dá)289MPa；

(2)A356焊接接頭熔合區(qū)處存在部分熔化區(qū)，只有晶界發(fā)生熔化，凝固后形成比以前更致密的共晶組織；

(3)A356焊接接頭硬度最低值位于熱影響區(qū)距離焊縫中心12mm，最低值為76HV1。