5R60鋁合金焊接接頭微觀組織與力學(xué)性能研究*

李清波，周古昕，毛 華，李金寶

(1.哈爾濱第一機械集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.中國兵器工業(yè)集團第五二研究所，浙江 寧波 315103)

俄羅斯自20世紀70年代開始含鈧鋁合金的研究，至今已研發(fā)出十余種應(yīng)用于艦船、航天器、特種車輛等領(lǐng)域的高性能工業(yè)含鈧鋁合金，至今俄羅斯含鈧鋁合金材料基礎(chǔ)與工程應(yīng)用研究已基本成熟[1-3]。我國通過中俄合作項目、“十五”規(guī)劃項目等先后開展了鋁鈧中間合金、高強高韌可焊含鈧鋁合金板材及配套焊絲等研究，取得了一系列科技成果[4-5]。5R60鋁合金是中國兵器工業(yè)集團第五二研究所開發(fā)的一種新型高強、耐蝕、可焊鋁合金，合金成分體系在主合金化元素Mg、Zn、Mn、Zr、Ti基礎(chǔ)上添加微量稀土Sc元素，有效地促進和提高了其加工性能和使用性能，已經(jīng)應(yīng)用于兵器、艦船及各類有高強耐蝕要求的焊接結(jié)構(gòu)中。5R60鋁合金H131狀態(tài)板材在防高速沖擊性能與7xxx系鋁合金相當?shù)那闆r下，焊接、耐蝕性能突出且由于密度較低而表現(xiàn)出一定的減重效果；H136狀態(tài)板材在防爆應(yīng)用中效果優(yōu)良，綜合性能明顯優(yōu)于5059合金。H116狀態(tài)5R60板材在較高力學(xué)性能條件下，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐海水鹽霧腐蝕及硝酸腐蝕失重性能，尤其適合在船舶和海洋環(huán)境下應(yīng)用，效果優(yōu)于俄羅斯01561合金。5R60作為高強、耐蝕、易焊鋁合金在未來輕型鋁合金材料先進制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

為進一步全面評價5R60鋁合金的焊接性能，本文以13 mm厚5R60鋁合金為研究對象，使用5R59高性能鋁合金焊絲對其進行焊接，并對焊接接頭微觀組織、力學(xué)性能進行研究，為5R60鋁合金工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗方案

焊接試驗采用MIG焊接工藝，所用焊絲為中國兵器工業(yè)集團第五二研究所研發(fā)的φ1.60 mm規(guī)格5R59鋁合金焊絲，焊接試板規(guī)格為300 mm×150 mm×13 mm。表1為5R60鋁合金板材與5R59焊絲名義化學(xué)成分。焊接試板采用“X”型坡口，保護氣體為高純Ar氣，焊接工藝參數(shù)見表2，圖1所示為焊接使用的ESAB MIG5000i焊機。

表1 5R60與5R59合金名義化學(xué)成分

表2 5R60鋁合金焊接工藝參數(shù)

圖2所示為焊接試板及測試試樣取樣示意圖。焊接接頭拉伸性能測試依據(jù)標準為GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，測試試樣垂直于焊接方向，同時測試4個平行試樣；焊接接頭硬度測試依據(jù)為GB/T 27552—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗 焊接接頭顯微硬度試驗》，測試位置位于板材中間，測試焊縫中心與母材側(cè)熱影響區(qū)的顯微硬度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭微觀組織

圖3所示為焊接接頭顯微組織照片，其中WZ為焊縫區(qū)，HAZ為熱影響區(qū)，BM為母材。熔合區(qū)位于熱影響區(qū)與焊縫區(qū)之間，通?？拷缚p熔池一側(cè)往往形成沿散熱方向的柱狀晶[6]。而在本試驗中，由于5R59焊材與5R60母材成分具有較高適配度，整個焊縫熔池中形成大量與基體共格、高熔點第二相，凝固過程中有足夠的成分過冷存在，只要在低于約1 K的極低過冷度下就可以發(fā)生形核[7]，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)均形成等軸晶，組織均勻過渡，熔池邊緣未形成柱狀晶。

圖4所示為5R60焊接接頭焊縫區(qū)中心位置組織金相，由均勻、細小的等軸晶組成。通過晶粒直徑相對概論分布直方圖(見圖5)分析可知，尺寸分布在7～13 μm之間的晶粒占91.2%，平均直徑為9.6 μm。焊縫區(qū)主要由填充焊絲(5R59焊絲)材料焊接時凝固后形成，由于焊接熔池快速結(jié)晶，溶質(zhì)來不及擴散，加之各組元、熔池各部位結(jié)晶先后不同，溶質(zhì)濃度有差異，同時溶質(zhì)來不及均勻化，從而形成了典型的鑄造組織，這種急冷結(jié)晶組織使得焊縫區(qū)硬度較低，塑性較差[8-9]。

圖6所示為焊縫區(qū)掃描電鏡背散射成像照片，焊縫組織中分布大量初生第二相(見圖6中白色第二相)，直徑尺寸小于2.6 μm，由EDS能譜分析結(jié)果(見圖7)可知，該相是由Al、Sc、Zr、Ti元素組合形成的多元復(fù)合相。

研究表明，當焊縫熔池中含Sc第二相尺寸較小時，極有可能起到晶粒形核核心作用，促進焊縫組織細化，當形成尺寸大于10 μm的初生第二相時，這些較大顆粒的存在可能會對焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。E. A. Popova等[10]研究指出，由Al、Sc、Zr、Ti元素形成的Al3(ScxZr1-x)、Al3(ScxTi1-x)和Al3(TixZr1-x)等相為L12立方晶格結(jié)構(gòu)，與α(Al)基體具有較高的結(jié)構(gòu)和尺寸匹配度，工業(yè)中廣泛應(yīng)用于鋁合金改性，通過細化晶粒尺寸，降低合金腐蝕敏感性，提高再結(jié)晶溫度，提升材料力學(xué)性能和焊接性等。Qu Z等[11]使用Al-Mg-Zn-Sc-Zr-Mn焊絲與ER5183焊絲對比焊接7075-T651鋁合金，前者焊接接頭具有較高的接頭強度和延展性，同時表現(xiàn)出更高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

靠近焊縫一側(cè)的熱影響區(qū)為均勻等軸晶，該區(qū)域?qū)挾燃s為250 μm(見圖3)，具有沿母材軋制方向分布的趨勢，且無明顯由Al、Sc、Zr、Ti元素組成的第二相分布。因此該部分等軸晶是在焊接熱輸入作用下形成的再結(jié)晶組織，其晶粒直徑相對概論分布如圖8所示，尺寸分布在11～21 μm之間的晶粒占78.7%，平均晶粒直徑為18.4 μm，遠大于焊縫區(qū)晶粒尺寸。

圖9所示為焊接接頭拉伸斷口形貌，斷口由大量細小的韌窩組成，具有明顯撕裂棱，屬于典型塑性斷裂，表明焊接接頭具有較高的延展性。

5R60鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)中Al、Sc、Zr、Ti元素形成的初生第二相尺寸較小，是理想的非均質(zhì)形核核心，促進焊縫晶粒細化，對提升焊接接頭強度、塑性等綜合性能具有積極作用。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

表3為焊接試驗焊接接頭拉伸基本力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)，其中最高抗拉強度為367 MPa，平均抗拉強度為358.3 MPa，平均斷后延伸率為12.5%，平均接頭強度系數(shù)達0.8，拉伸試樣斷裂位置均位于焊縫區(qū)，接頭抗拉強度與斷后延伸率具有一定正相關(guān)關(guān)系。

表3 焊接接頭基本力學(xué)性能

5xxx系鋁合金焊接依據(jù)焊接結(jié)構(gòu)件對焊接工藝性、接頭力學(xué)性能和接頭耐蝕性能等的不同要求，通常選用5356、5087和5183等鋁合金焊絲進行焊接。王恩澤等[12]的研究試驗表明，使用ER5087焊絲焊接4和6 mm厚的6082-T6板材，焊接接頭抗拉強度分布在210～260 MPa之間，焊接接頭強度系數(shù)為60%～70%，且由于焊接熱循環(huán)作用導(dǎo)致母材焊接熱影響區(qū)過時效和固溶區(qū)的強化相溶解及晶粒粗化，焊接接頭斷裂位置均不在焊縫區(qū)。楊明[13]使用ER4043和ER5356焊絲分別焊接14 mm厚的7075-T6鋁合金板材，焊接接頭抗拉強度分別為309.97和267.21 MPa。段浩偉等[14]使用ER5356、ER5087和ER5183焊絲對A7N01S-T5鋁合金進行MIG焊接，試驗結(jié)果為采用ER5183焊絲焊接的接頭抗拉強度和斷后伸長率最高，且彎曲性能良好，平均抗拉強度為286.7 MPa，平均斷后延伸率為6.54%。

由上述對比可知，使用5R59焊絲焊接5R60鋁合金的接頭基本力學(xué)性能明顯優(yōu)于當前5xxx系鋁合金焊接技術(shù)水平，是一種十分具有廣泛應(yīng)用潛力的高性能鋁合金焊絲，可進一步開展5R59鋁合金焊絲在兵器、船舶等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用研究。

焊接接頭顯微硬度測試從焊縫中心位置向母材一側(cè)依次進行，加載力為200 g，持續(xù)時間為15 s，顯微硬度分布曲線如圖10所示。焊縫中心向母材一側(cè)6 mm區(qū)域為焊縫區(qū)，平均硬度為90.5 HV，為接頭性能最薄弱區(qū)域。進入母材區(qū)后硬度值隨距焊縫中心距離增加快速回升，在距焊縫中心約35 mm處達到母材硬度水平。由此可知，焊接熱輸入對5R60母材性能的影響區(qū)域，即熱影響區(qū)，寬度實際約為30 mm，而圖3中再結(jié)晶組織區(qū)域僅為250 μm。

圖11所示為使用含Sc鋁合金焊絲TIG/MIG工藝焊接7xxx系鋁合金板材焊接接頭硬度分布曲線圖[15]。由圖10與圖11對比可知，7xxx系鋁合金由于焊接熱輸入對母材組織的過時效作用，造成焊接接頭存在明顯軟化區(qū)，當軟化區(qū)硬度低于焊縫區(qū)時，拉伸斷口位置可能位于母材區(qū)域。5R60鋁合金屬于不可熱處理強化合金，焊接接頭熱影響區(qū)中無固溶區(qū)和軟化區(qū)，性能最薄弱位置通常位于焊縫區(qū)或熔合線附近。焊接熱輸入對5R60鋁合金熱影響區(qū)的作用機理仍需進一步深入研究。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)焊縫區(qū)內(nèi)為平均尺寸9.6 μm的均勻等軸晶，該區(qū)域內(nèi)析出大量由Al、Sc、Zr、Ti元素組成的第二相，最大尺寸小于2.6 μm，促進焊縫組織細化，提升焊接接頭強度、塑性等性能。

2)靠近焊縫一側(cè)的熱影響區(qū)為再結(jié)晶等軸晶，再結(jié)晶組織區(qū)域?qū)挾燃s為250 μm，平均晶粒尺寸為18.4 μm；焊接接頭斷裂形式為韌性斷裂。

3)5R60鋁合金MIG焊接接頭最高抗拉強度為367 MPa，平均抗拉強度為358.3 MPa，平均斷后延伸率為12.5%，平均接頭系數(shù)達0.8，拉伸試樣斷裂位置均位于焊縫區(qū)。

4)5R59焊絲焊接5R60鋁合金焊縫區(qū)硬度最低，顯微硬度平均為90.5 HV，熱影響區(qū)硬度隨距焊縫區(qū)距離增大而升高，熱影響區(qū)寬度約為30 mm，不存在性能軟化區(qū)。