深冷處理對TIG焊接件組織及力學(xué)性能的影響

王麗萍，王 操，苗承義，徐靖淳，屈 林

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金材料由于其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、塑性較高等一系列優(yōu)點(diǎn)，且滿足輕量化使用要求，被廣泛用于高鐵、船舶、巨型游輪、航天飛機(jī)、宇宙飛船等交通運(yùn)輸設(shè)備中[1]。鋁合金材料需要通過熱處理獲得高強(qiáng)度與高韌性，而在熱處理強(qiáng)化過程中形成較大的殘余應(yīng)力，目前降低與消除殘余應(yīng)力的方法主要有時效處理、振動時效、深冷處理、機(jī)械拉伸(壓縮)法等，深冷處理能夠有效減少鋁合金構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性[2]。

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為冷卻介質(zhì)，對材料在-130℃以下金相處理的一種工藝方法[3]。本試驗(yàn)通過對不同熱處理狀態(tài)下的TIG焊接材料進(jìn)行深冷處理實(shí)驗(yàn)，分析深冷處理對TIG焊接件組織及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)用材料為TIG焊接板材，母材為6005A擠壓型材，焊絲為5356鋁合金焊絲，長度為600mm、寬度為200mm、厚度為2.5mm;采用單道焊接方式，焊接電流為105A，焊接速度為6mm/s，宏觀形貌如圖1所示，力學(xué)拉伸試樣尺寸如圖2所示。拉伸試樣經(jīng)表1中所示熱、冷處理工藝，每個處理工藝取3個平行試樣，結(jié)果取3個拉伸數(shù)據(jù)的平均值。室溫力學(xué)拉伸速率均設(shè)定為12mm/min。

表1 熱、冷處理工藝

使用掃描電子顯微鏡觀察分析拉伸斷口形貌，并對斷口附近組織進(jìn)行金相觀察與分析。為在樣品制備過程中不破壞斷口組織，試驗(yàn)樣品金相制備前對其進(jìn)行鑲嵌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 常溫拉伸性能

表2為不同制度下TIG焊接板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，與固溶處理后的焊接板材相比，焊接板材經(jīng)過深冷處理后其屈服強(qiáng)度降低，抗拉強(qiáng)度有所提高，斷后伸長率明顯降低；與固溶后直接時效處理的焊接板材相比，深冷處理后進(jìn)行時效處理試驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度明顯提高，而斷后伸長率大幅下降；固溶、固溶+深冷處理后的斷口斷裂位置為母材處；固溶+時效、固溶+深冷+時效處理后的斷口斷裂位置為熔合線處；固溶+深冷+時效處理后的焊接板材，其強(qiáng)度強(qiáng)于母材的強(qiáng)度。

表2 不同制度下TIG焊接板材力學(xué)性能

2.2 斷口形貌

圖3為TIG焊接板材在不同制度處理后室溫拉伸斷口形貌。

由圖3可知,TIG焊接板材經(jīng)固溶后的拉伸斷口出現(xiàn)縮頸，斷裂部位母材處、斷口中心及邊緣均出現(xiàn)大量撕裂棱，高倍數(shù)下觀察整體斷口處分布大量韌窩且韌窩較深，韌窩尺寸大小不一。固溶后進(jìn)行深冷的斷口試樣，斷裂位置處于母材處，其撕裂狀斷口與固溶斷口相比較寬，邊部平滑斷口較多，高倍數(shù)下觀察其中心撕裂出韌窩較大，韌窩尺寸相近，韌窩附近存在大量準(zhǔn)解理特征。固溶后未經(jīng)深冷處理直接時效的拉伸斷口，其斷口截面均由韌窩及撕裂棱組成，斷裂位置在熔合線處斷裂，高倍數(shù)下觀察其韌窩較多且尺寸較大。固溶+深冷+時效后的拉伸斷口，其斷裂位置位于熔合線處，斷裂痕跡清晰明顯，斷口由韌窩及撕裂棱組成，高倍數(shù)下觀察斷口，其韌窩尺寸較小，韌窩連接處存在層疊狀準(zhǔn)解理面。

2.3 金相組織觀察

圖4為TIG焊接板材在不同制度處理后拉伸斷口側(cè)面金相組織形貌。圖中，(a)(b)(c)為焊接板經(jīng)固溶處理后截面顯微組織，(b)(c)分別為(a)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，可知焊接板材經(jīng)固溶后的拉伸斷口試樣邊緣較為圓滑，斷口斷裂位置為母材處，熔合線附近晶粒明顯拉長，由陽極覆膜圖可知其晶粒被明顯拉長后穿晶斷裂；(d)(e)(f)為焊接板經(jīng)固溶+深冷處理后截面顯微組織，(e)(f)分別為(d)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，可知固溶后進(jìn)行深冷的拉伸試樣，其斷口邊緣較為平整，較少出現(xiàn)曲線斷口，斷口位置為母材處，熔合線位置晶粒向母材處延伸，由陽極覆膜圖片可知其晶粒被拉長至斷裂；(g)(h)(i)為焊接板經(jīng)固溶+時效處理后截面顯微組織，(h)(i)分別為(g)斷裂位置的顯微組織及晶粒形貌，可知固溶后進(jìn)行時效的拉伸斷口試樣其斷口較為圓滑，斷口為母材與焊絲交接處，熔合線處組織較細(xì)小，由陽極覆膜圖可知其晶粒變形程度明顯降低，沿晶界處發(fā)生斷裂；(j)(k)(l)為焊接板經(jīng)固溶+深冷+時效處理后截面顯微組織，(k)(l)分別為(j)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，深冷后進(jìn)行時效的拉伸斷口試樣其斷裂位置位于熔合線偏向于焊絲處，斷口較為圓滑，熔合線處出現(xiàn)4種遞進(jìn)組織，由陽極覆膜圖片可知，其晶粒沿晶界線斷裂。

3 分析與討論

TIG焊是以純鎢或活化鎢為電極，利用電弧產(chǎn)生大量熱熔化待焊處，焊接過程中母材金屬與熔敷金屬為熔融態(tài)，焊接及冷卻過程中電極噴嘴噴出惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，因此焊縫區(qū)域組織較粗大，母材與焊接接頭區(qū)域存在較大的過渡區(qū)域。焊接板材熔敷金屬為5356鋁合金，母材為6005A鋁合金。焊接板材在固溶過程中，其固溶溫度接近母材固相線溫度，由于5356鋁合金受熱處理影響較低，因此焊縫區(qū)域組織形貌變化不明顯。母材區(qū)組織第二相溶解度較大，大部分第二相溶于基體中，使得材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度降低，塑性大幅度提高，在進(jìn)行室溫拉伸時母材處的晶粒被拉長至斷裂，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯縮頸，斷口部位較圓滑。焊接板材經(jīng)固溶后進(jìn)行深冷處理，由于深冷處理是在-196℃條件下進(jìn)行，相當(dāng)于在材料時效之前進(jìn)行了一次預(yù)時效處理，大大消除了焊接及固溶過程中的殘余應(yīng)力。同時，深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)[5]，阻礙位錯滑移起到位錯釘扎作用，使得母材及焊接接頭區(qū)域的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度有所提升，但總體上母材強(qiáng)度低于焊接接頭區(qū)域強(qiáng)度，因此材料斷裂位置處于母材區(qū)域。通過固溶+時效與固溶+深冷+時效對比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過深冷處理的試樣由于提前析出部分析出相Mg2Si，在時效過程中，其析出第二相更為徹底，且時效前經(jīng)過深冷處理的組織時效時由于晶粒轉(zhuǎn)動在熔合線區(qū)域出現(xiàn)過渡型組織，提高了母材強(qiáng)度的同時，也提高了焊接接頭處的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)TIG板材經(jīng)深冷處理后屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度有所提升，深冷后時效試樣屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別提升6%和8%；

(2)TIG板材焊接接頭經(jīng)固溶+深冷+時效后屈服及抗拉強(qiáng)度與母材相近，而塑性有所下降；

(3)深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，位錯滑移受阻，時效后在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生過渡型等軸晶組織，使材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高。