7075航空鋁合金TIG焊后熱處理對(duì)其接頭力學(xué)性能的影響

陳今良

(攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川攀枝花617000)

7075鋁合金具有強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，是應(yīng)用前景較佳的輕質(zhì)高強(qiáng)航空材料，其最常用的焊接方法為TIG焊接［1-3］(非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)，盡管焊縫的力學(xué)性能較高，但依然存在氣孔、組織粗化等問題而影響力學(xué)性能，針對(duì)此類問題，常用解決辦法是對(duì)鋁合金進(jìn)行合適的固溶處理與時(shí)效處理相結(jié)合的方法［4-6］。本研究是在前期實(shí)驗(yàn)中得到最佳焊接電流為130 A條件下，對(duì)焊接接頭進(jìn)行固溶與時(shí)效處理，通過對(duì)比不同的固溶溫度、固溶時(shí)間、時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間而開展，最終得出最佳的熱處理參數(shù)，可為7075航空用鋁合金TIG焊接后熱處理提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)采用的7075鋁合金，尺寸為10.0 c m×4.0 c m×0.5 c m、ER5056直徑為2 mm焊絲，均采購于四川攀枝花宏旺金屬材料科技有限公司，二者的主要化學(xué)成分分別如表1、表2所示。TIG焊接電流為130 A，焊接速度為2 mm/s，采用氬氣氣體流量7 L/min［7-8］，將焊接好的試樣分成九組，其固溶與時(shí)效參數(shù)如表3所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

表2 ER5056焊絲化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

表3 實(shí)驗(yàn)固溶+時(shí)效參數(shù)設(shè)定

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 硬度分析

采用HVS-50數(shù)字維氏硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，在所測(cè)硬度區(qū)域取五個(gè)點(diǎn)，算平均值，載荷為98 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)量區(qū)域?yàn)槟覆?、熱影響區(qū)和焊縫這三個(gè)區(qū)域。圖1、圖2、圖3分別在時(shí)效溫度均為120℃時(shí)，固溶溫度為460℃、470℃、480℃條件下采用不同時(shí)效時(shí)間(18 h、24 h、30 h)處理得到的硬度分布，圖4是不同固溶溫度下不同的時(shí)效時(shí)間條件下的硬度分布。從圖1-圖3中分別看出，未熱處理試樣的硬度均比熱處理?xiàng)l件下的硬度低，且母材的硬度都為最大值，焊縫區(qū)居于中間，而熱影響區(qū)的硬度最低；在470℃的時(shí)候母材的硬度和焊縫硬度比較接近，且硬度都最大，隨著時(shí)效保溫時(shí)間(18 h、24 h、30 h)的增加，每個(gè)區(qū)域的硬度都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)保溫時(shí)間為24 h時(shí)硬度最大。從圖4可以看出，針對(duì)不同的固溶溫度與時(shí)效時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶溫度與時(shí)間為470℃×2 h、時(shí)效溫度與時(shí)間為120℃×24 h時(shí)，7075鋁合金的硬度值最佳。

圖1 460℃/120℃下硬度分布

圖2 470℃/120℃下硬度分布

圖3 480℃/120℃下硬度分布

2.2 拉伸力學(xué)性能

采用INSTRON5582型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.02 mm/s，得到拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示，所示圖中130 A表示焊接后未作熱處理試樣。從圖5中可以看出，試樣經(jīng)過熱處理后的抗拉強(qiáng)度明顯大于未熱處理的抗拉強(qiáng)度，未熱處理的抗拉強(qiáng)度的最大值為279.72 MPa；而經(jīng)過460℃固溶處理后最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到323.63 MPa，高出43.91 MPa，但隨著保溫時(shí)間的延長，其抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；因?yàn)閺膱D6中看出470℃的固溶處理后最高的抗拉應(yīng)力為361.39 MPa，從圖7中可以看出，在480℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為326.41 MPa。由三個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固溶溫度不變時(shí)，時(shí)效保溫時(shí)間從18 h到30 h時(shí)，其抗拉強(qiáng)度先增大后減??；當(dāng)時(shí)效時(shí)間不變時(shí)，固溶溫度從460℃到480℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度先增大后減小。所以得出，當(dāng)固溶溫度不變時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，抗拉強(qiáng)度是先增大后減小，在保溫24 h時(shí)取得最佳值；當(dāng)時(shí)效保溫時(shí)間不變時(shí)，可以得出460～480℃逐漸增大時(shí)，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在470℃時(shí)得到最佳值。綜合發(fā)現(xiàn)，在固溶溫度與時(shí)間為470℃×2 h、時(shí)效溫度與時(shí)間為120℃×24 h時(shí)得到的接頭拉伸力學(xué)性能最佳，且固溶與時(shí)效明顯可以提高7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度。

圖4 不同條件下硬度分布

圖5 460℃/120℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 470℃/120℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 480℃/120℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 斷口形貌分析

采用INDUSTRIECHNIK型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌，選取了3個(gè)試樣斷口形貌，在其參數(shù)條件下硬度和抗拉強(qiáng)度都是相對(duì)最佳。圖8、圖9、圖10的斷口形貌分別對(duì)應(yīng)于未熱處理的試樣、470℃×2 h固溶+120℃×24 h時(shí)效、480℃×2 h固溶+120℃×24 h時(shí)效。

對(duì)比圖8-圖10中的a圖，可以清楚的看到斷口有明顯的被拉長現(xiàn)象，斷口兩側(cè)出現(xiàn)了明顯頸縮區(qū)，說明7075鋁合金在拉伸過程中，在斷口處發(fā)生了塑性變形。對(duì)比圖8-圖10中的b圖，可以看出，SEM視野中均出現(xiàn)了不同大小和數(shù)量的韌窩，故斷裂性質(zhì)都是韌性斷裂，還可以看出斷口表面有纖維狀組織，這是在抗拉伸形變的時(shí)候，材料中的裂紋不停地?cái)U(kuò)展和連接造成的。從上面的四個(gè)圖中可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未熱處理的韌窩數(shù)量少且尺寸小，熱處理過后韌窩數(shù)量多而且尺寸明顯增大，且韌窩的深度增加。這表明接頭經(jīng)過固溶與時(shí)效處理之后塑性變好，而未經(jīng)熱處理的7075鋁合金塑性較差，而對(duì)于不同的固溶與時(shí)效參數(shù)條件下，參數(shù)為480℃×2 h+120℃×24 h的條件下，斷口韌窩尺寸大且深度深，反應(yīng)了此條件下的熱處理對(duì)7075鋁合金塑形有明顯的改善或提高。

圖8 未熱處理試樣SEM圖

圖9 470℃×2h+120℃×24h試樣SEM圖

圖10 480℃×2h+120℃×24h試樣SEM圖

3 結(jié)論

1)對(duì)7075航空鋁合金在TIG條件下焊接接頭進(jìn)行固溶與時(shí)效處理，當(dāng)固溶溫度與時(shí)間為470℃×2 h、時(shí)效溫度與時(shí)間為120℃×24 h時(shí)，7075鋁合金的硬度值最佳，且此時(shí)的抗拉強(qiáng)度值也達(dá)到最佳。

2)焊接接頭經(jīng)過固溶與時(shí)效處理后，接頭的塑性提高，當(dāng)固溶溫度為480℃時(shí)得到最佳值，與熱處理前相比，斷口韌窩數(shù)量增加且尺寸增大。