焊絲成分對5E61 鋁合金TIG 焊接頭組織和性能的影響

毛曉東，谷寧杰，宋小雨，任思蒙，路麗英，李虎田

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司,北京,102209；2.東北輕合金有限公司,哈爾濱,150060)

0 序言

隨著船舶、海洋工程的大型化、輕量化發(fā)展，船舶用鋁合金朝著輕質(zhì)、高強方向發(fā)展.由于船舶材料服役環(huán)境復(fù)雜，對鋁合金的強度、耐蝕性提出了更高要求.5E61 鋁合金是在常規(guī)1561 鋁合金基礎(chǔ)上加入Er 元素，使其具有更高的強度和更好的耐蝕性能，是新一代船舶用高強高耐蝕鋁合金[1-2].船舶用鋁離不開配套的連接技術(shù)，目前針對5E61 鋁合金連接方面的研究主要集中在熔化焊，焊接方法主要采用最常見的非熔化極惰性氣體保護焊(tungsten inert-gas welding，TIG 焊)與熔化極惰性氣體保護焊(melt inert-gas welding，MIG 焊)[3-6].王虎等人[7]對新型Al-Mg-Mn-Er 合金薄板進行TIG 填絲焊接，研究焊接熱輸入對接頭組織性能的影響，焊接系數(shù)最高可達71.4%.閆德俊等人[8]采用雙面雙弧TIG 焊方法對1561 鋁合金進行了焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域存在特殊的組織不均勻性.閆朝陽等人[9]采用穿孔等離子立焊方法對厚度為4 mm 的5E61鋁合金板材進行了焊接試驗，焊接接頭焊縫處硬度達到母材硬度的85%以上.

以上針對5E61 鋁合金的焊接主要集中在焊接工藝研究，對不同焊絲成分對焊縫組織及接頭力學(xué)性能的影響未開展系統(tǒng)研究，國內(nèi)外未見相關(guān)報道.因此，文中采用TIG 焊方法，選用合金牌號為1561，5B71，5E61 3 種成分焊絲(以下標記為Wire-1561，Wire-5B71，Wire-5E61)，對4 mm 厚5E61 鋁合金船板進行焊接，研究不同焊絲成分對焊縫組織和接頭力學(xué)性能的影響，為船舶實際焊接作業(yè)及焊材選擇提供理論依據(jù).

1 試驗方法

試驗所用基材為軋制5E61 鋁合金船板，規(guī)格為300 mm × 150 mm × 4 mm.選用Wire-1561，Wire-5B71，Wire-5E61 3 種合金牌號焊絲，焊絲直徑均為1.2 mm.5E61 基材及3 種焊絲化學(xué)成分如表1所示.

表1 5E61 基材及3 種焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 5E61 base material and three kinds of welding wire

采用Fronius Magic Wave TIG 焊機進行焊接，接頭形式為對接焊，板材間隙為1.2 mm，無需開坡口，單面焊雙面成形.試驗前，用鋼絲刷對基材進行打磨去除氧化膜，并用丙酮擦拭待焊區(qū)域，去除灰塵和油污等，以保證焊接質(zhì)量.焊接過程中采用工業(yè)純氬(純度不小于99%)作為保護氣體保護焊接熔池，并根據(jù)大量試驗獲得較優(yōu)的焊接工藝參數(shù)，如表2 所示.

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

采用Leica CH-9435 型體式顯微鏡對焊縫表面及縱截面進行拍照，并利用image pro plus 圖形測試軟件對焊縫幾何尺寸進行測量統(tǒng)計.采用AG-X Plus-10kN 型萬能試驗機測試不同焊絲成分的TIG 焊接頭力學(xué)性能，拉伸試樣垂直于焊縫方向，且焊縫的軸線位于試樣平行段的中間，拉伸速度為1 mm/min，每組測試5 個平行試樣并取平均值.采用Fisher HM 2000 型顯微硬度儀測量顯微硬度，加載載荷為0.98 N，保載時間為15 s，由焊縫中心向兩側(cè)每隔1 mm 取點測試.

對基材及焊接接頭試樣進行陽極覆膜，采用Axio Scope A1 型光學(xué)顯微鏡進行微觀組織觀察.采用配有能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)和電子背散射衍射(electron backscattered diffraction，EBSD) 探頭的TESCAN MIR3 型場發(fā)射掃描電鏡對拉伸斷口形貌、第二相成分以及焊縫處晶粒組織進行分析.EBSD 樣品經(jīng)打磨、機械拋光后，采用HClO4+CH3OH (體積比為1∶9)的腐蝕液進行電解拋光.采用Empyream 型 X 射線衍射儀(X-ray diffractomer，XRD)對5E61 基材及焊接接頭焊縫區(qū)進行物相分析.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形

圖1 為3 組焊絲接頭焊縫正、反面表面形貌.從圖1 可以看出，在相同的焊接工藝下，3 種焊絲形成的焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，正面形成均勻細小的魚鱗紋，反面熔深充分，形成水滴熔池，實現(xiàn)單面焊雙面成形.圖2 為焊縫縱截面形貌及幾何尺寸.從圖2a 可以看出，焊縫成形優(yōu)良，呈軸對稱分布；中心處無明顯的氣孔缺陷，零星的微小氣孔只存在焊縫表面.將3 組焊縫上熔寬、下熔寬、上余高和下余高進行測量統(tǒng)計，結(jié)果如圖2b 所示.3 種焊絲焊接接頭幾何尺寸接近，波動較小，說明焊接工藝穩(wěn)定，焊縫成形質(zhì)量好.

圖1 焊接接頭表面形貌Fig.1 Surface morphology of welded joints

圖2 焊縫縱截面及幾何參數(shù)Fig.2 Longitudinal section and geometry parameter of welding lines.(a) longitudinal section;(b) geometry parameter

2.2 焊接接頭顯微組織

圖3 為5E61 基材晶粒取向分布圖及晶界統(tǒng)計分布圖.對原始5E61 基材沿軋制方向進行EBSD觀察，結(jié)果如圖3a 所示.原始基材經(jīng)冷軋后進行不完全退火，變形組織發(fā)生部分再結(jié)晶形成等軸組織；部分纖維組織發(fā)生合并長大變寬的情況，纖維組織出現(xiàn)分節(jié)，形成長徑比約為4 的再結(jié)晶晶粒；邊界處的小晶粒數(shù)量增多.由圖3b 可知，組織中仍存在大量的低角度晶界(2°～ 15°代表低角度晶界，low angle grain boundaries，LAGBs；高于15°代表高角度晶界，high angle grain boundaries，HAGBs)，占比59.8%，經(jīng)過不完全退火后，板材組織保留部分軋制位錯形成的亞晶界，該組織既能充分釋放軋制過程材料的內(nèi)應(yīng)力，又保證了基材的力學(xué)性能.

圖3 5E61 基材晶粒取向分布及晶界統(tǒng)計分布Fig.3 Grain orientation distribution map and grain boundary angle distributions map of 5E61 base material.(a) grain orientation distribution;(b)grain boundary angle distribution

圖4 為不同焊絲焊接接頭的金相覆膜組織.可以看出，焊接接頭分為焊縫區(qū)(welding zone，WZ)、熔合區(qū)(fusion zone，F(xiàn)Z)以及熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)3 部分.焊縫區(qū)呈現(xiàn)典型的鑄造組織特征，中心位置呈等軸晶形貌.在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)之間存在一定寬度的過渡區(qū)即熔合區(qū)，該區(qū)域晶粒具有明顯的晶粒取向，從焊縫區(qū)指向熱影響區(qū)，形成長條狀組織，且尺寸不均勻.3 組接頭熔合區(qū)寬度接近，從圖中測出約為180～ 200 μm.

圖4 焊接接頭的金相組織Fig.4 Microstructure of welded joints.(a) FZ of Wire-1561;(b) WZ of Wire-1561;(c) FZ of Wire-5B71;(d) WZ of Wire-5B71;(e) FZ of Wire-5E61;(f) WZ of Wire-5E61

圖5 為3 種焊絲形成的焊接接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)EBSD 晶粒取向分布.將各組接頭的焊縫區(qū)及熱影響區(qū)低角度晶界占比進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示.從圖6 可以看出，3 組接頭熱影響區(qū)低角度晶界占比(ωLAGBs)較基材明顯下降，均在35%～ 38%范圍內(nèi).這是由于TIG 焊高的熱輸入使得原基材未完全再結(jié)晶組織發(fā)生了二次退火，再結(jié)晶程度進一步提高，冷變形過程產(chǎn)生的位錯等亞結(jié)構(gòu)湮滅，晶界主要以高角度再結(jié)晶晶界形式存在.從圖5 可以看出，不同焊絲接頭焊縫區(qū)晶粒大小差異明顯.通過HKL Channel 5 軟件計算，Wire-1561 接頭晶粒最大，約為45 μm；Wire-5E61 接頭次之，約為26 μm；Wire-5B71 接頭晶粒尺寸最小，約為9 μm.對比3 組接頭焊縫區(qū)ωLAGBs可以發(fā)現(xiàn)，Wire-5E61 接頭ωLAGBs最小，Wire-5B71 接頭次之，Wire-1561 接頭最大.這是由于Wire-5E61 中Mg 元素含量最高，β(Mg2Al3)相數(shù)量較多，且焊絲中含有Er 元素，焊后在焊縫區(qū)形成含Er 彌散相，增加再結(jié)晶形核質(zhì)點，使得Wire-5E61 接頭焊縫區(qū)晶粒細小，再結(jié)晶程度最高.

圖5 不同焊絲接頭焊縫及熱影響區(qū)的晶粒取向分布圖Fig.5 Orientation distribution maps of WZ and HAZ of welded joints with different welding wires.(a) WZ of Wire-1561;(b) HAZ of Wire-1561;(c) WZ of Wire-5B71;(d) HAZ of Wire-5B71;(e) WZ of Wire-5E61;(f) HAZ of Wire-5E61

圖6 不同焊絲接頭焊縫及熱影響區(qū)的低角度晶界占比Fig.6 Proportion of low angle grain boundaries in WZ and HAZ of welded joints with different welding wires

圖7 為5E61 基材及3 種焊絲接頭焊縫區(qū)XRD圖譜.從圖7 可以看出，基材中除存在α-Al 基體和β 相(Mg2Al3)外，還含有少量Mg2Si，Al6Mn 和Al-(Fe,Mn)-Si 相，衍射峰明顯；在Wire-1561 接頭焊縫區(qū)僅檢測到Al-(Fe,Mn)-Si 相和Al6Mn 相的衍射峰，且強度較弱；由于Wire-5B71 焊絲成分中幾乎不含Si 和Mn 元素，在該焊縫區(qū)未檢測到上述3 種物相衍射峰；而在Wire-5E61 接頭焊縫區(qū)只檢測到Al-(Fe,Mn)-Si 的衍射峰.另外，由于Sc，Er 元素形成的析出相含量較少，X 射線衍射無法檢測標定.

圖7 5E61 基材及不同焊絲接頭焊縫區(qū)的XRD 圖譜Fig.7 XRD patterns of 5E61 base material and WZ of welded joints with different welding wires

圖8 為5E61 基材及3 種焊絲接頭焊縫區(qū)SEM形貌，并對圖中P1～ P9 點進行EDS 成分分析，結(jié)果如表3 所示.5E61 基材第二相尺寸均勻，主要為β 相(Mg2Al3)和Al-(Fe,Mn)-Si 相，尺寸在2 μm 以下.從表3 可知，Wire-5E61 接頭焊縫區(qū)α-Al 基體中Mg 含量最高，Wire-5B71 次之，Wire-1561 Mg含量最低(表3 中P2，P5，P7 點)，可見TIG 焊接工藝下焊縫區(qū)主要由焊絲成分決定，隨著焊絲中Mg 含量的提高，焊縫區(qū)α-Al 基體中固溶的Mg 含量隨之提高.從圖8 可以看出，α-Al 基體中主要存在亮白色的β 相(Mg2Al3)，呈片狀沿晶界析出，尺寸約為4～ 6 μm.通過對比可以看出，Wire-5E61 接頭第二相比例最高，Wire-5B71 接頭次之，Wire-1561 接頭最低，其中Wire-1561 焊絲接頭焊縫區(qū)出現(xiàn)了一定程度的第二相聚集長大，這對焊縫區(qū)組織均勻性與焊縫力學(xué)性能不利.圖8d、圖8f 和圖8h分別為3 種焊絲接頭焊縫區(qū)高倍SEM 形貌，可以發(fā)現(xiàn)焊縫組織中存在著大量白色析出相.EDS 測試結(jié)果顯示，對于Wire-1561 接頭，析出相主要為Al6Mn；而對于Wire-5B71和Wire-5E61 接頭，析出相分別為初生Al3(Sc,Zr)和Al3(Er,Zr)[10-11].

圖8 不同焊絲接頭焊縫區(qū)SEM 形貌Fig.8 SEM morphology of WZ microstructure with different welding wires.(a) 5E61 base material;(b) image of the selected area A;(c) WZ of Wire-1561;(d) image of the selected area B;(e) WZ of Wire-5B71;(f) image of the selected area C;(g) WZ of Wire-5E61;(h) image of the selected area D

表3 EDS 測試結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Results of EDS tests

結(jié)合3 種焊絲的合金成分，Wire-1561 焊絲中Mn 元素含量接近1%(0.94%)，在非平衡凝固下從基體中析出Al6Mn；對于Wire-5B71 和Wire-5E61兩種焊絲，由于Sc 和Er 元素的添加，在焊絲凝固過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)，形成Al3(Sc,Zr)和Al3(Er,Zr)納米粒子，實現(xiàn)充分的溶質(zhì)原子析出，為后續(xù)焊縫凝固組織提供大量異質(zhì)形核點，有效細化焊縫枝晶組織，抑制晶粒長大，達到焊縫區(qū)細晶強化的目的.

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

圖9 為3 種焊絲成分下的焊接接頭顯微硬度分布.3 組接頭的硬度分布變化趨勢基本一致，均以焊縫中心為對稱軸，呈對稱分布.5E61 基材顯微硬度約為98 HV；在焊縫區(qū)，Wire-5E61 焊絲接頭平均顯微硬度明顯高于其余兩組，約為91 HV.這是由于Wire-5E61 中Mg 元素含量最高，在相同的TIG 焊接工藝下，Mg 元素的固溶程度最高，且焊絲中含有Er 元素，形成大量均勻分布的Al3Er 納米析出相，提供大量異質(zhì)形核質(zhì)點，實現(xiàn)焊縫凝固組織的晶粒細化，在固溶強化和細晶強化的雙重作用下，焊縫硬度最大.3 組接頭均在熔合線位置達到硬度最小值，約為84～ 86 HV.由于在相同的焊接工藝下焊接熱輸入一致，致使3 組接頭熱影響區(qū)寬度基本一致，且熱影響區(qū)硬度值接近.

圖9 焊接接頭的顯微硬度Fig.9 Microhardness of welded joints

5E61 基材及不同成分焊絲下焊接接頭的拉伸性能如表4 所示.5E61 基材的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為386，218 MPa 和18.0%.Wire-1561，Wire-5B71 和Wire-5E61 3 種焊絲接頭的抗拉強度分別為322，323 和338 MPa，屈服強度分別為175，173 和177 MPa，斷后伸長率分別為13.0%，14.5%和14.5%，焊接系數(shù)分別為0.83，0.84 和0.88.以上結(jié)果表明，Wire-5E61 焊接接頭力學(xué)性能最優(yōu)，與焊縫處顯微硬度一致.

表4 5E61 鋁合金基材和焊接接頭的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 5E61 aluminum alloy base material and welded joints

圖10 為3 組焊接接頭拉伸試樣的斷裂位置.從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，Wire-5E61 接頭均斷在熔合線附近、距焊縫中心3～ 5 mm 處，且斷口與熔合線平行；Wire-1561 接頭和Wire-5B71 接頭個別試樣斷裂在焊縫處，斷口呈不規(guī)則形狀.在合適的焊接工藝條件下，焊縫中心無明顯缺陷，拉伸斷裂大部分發(fā)生在力學(xué)性能薄弱的熔合線位置.

圖10 斷裂位置Fig.10 Fracture location.(a) Wire-1561;(b) Wire-5B71;(c) Wire-5E61

圖11 為3 組焊絲接頭拉伸斷口的微觀形貌.從圖11 可以看出，在不同尺度層面下3 種焊接接頭的拉伸斷口微觀形貌均由大量的撕裂韌窩和少量的沿晶斷裂構(gòu)成，未見較大解離面或者準解離特征形貌，接頭表現(xiàn)出良好的塑性，均屬于韌性斷裂，斷后伸長率均在10%以上.由斷口高倍放大圖可以看出，韌窩處夾雜塊狀第二相粒子，如圖11 中1，2，3 位置，EDS 測試結(jié)果如表5 所示，表明第二相粒子多為含F(xiàn)e 高熔點粒子及鋁鎂氧化物等.

圖11 不同焊絲接頭的斷口微觀組織Fig.11 Microstructures of joint fracture with different welding wires.(a) low magnification fracture of Wire-1561;(b) high magnification fracture of Wire-1561;(c) low magnification fracture of Wire-5B71;(d) high magnification fracture of Wire-5B71;(e) low magnification fracture of Wire-5E61;(f) high magnification fracture of Wire-5E61

表5 EDS 測試結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 5 Results of EDS tests

3 結(jié)論

(1) 在相同的TIG 焊工藝下，Wire-1561，Wire-5B71 和Wire-5E61 3 種焊絲接頭焊縫成形質(zhì)量良好，焊縫中心無肉眼可見氣孔，焊縫幾何尺寸接近.

(2) 采用Wire-5E61 和Wire-5B71 制備的TIG焊接頭由于Er 和Sc 元素形成的大量納米顆粒，非均勻形核作用顯著，接頭焊縫區(qū)晶粒實現(xiàn)了不同程度地細化.

(3) 通過TIG 焊方法，Wire-1561，Wire-5B71 和Wire-5E61 3 焊絲接頭的焊接系數(shù)分別為0.83，0.84和0.88，斷后伸長率分別為13.0%，14.5%和14.5%，拉伸試樣為韌性斷裂，斷口處存在大量韌窩，斷裂位置主要沿熔合線附近的柱狀晶區(qū).