焊絲對2A12鋁合金焊接接頭組織和力學性能的影響

韓麗娟，李小欣，李繼承

（1.平高集團有限公司，平頂山467001；2.河南平高電氣股份有限公司，平頂山467001）

0 引 言

鋁合金由于密度小、比強度高、耐蝕性好、無磁性、成形性好以及低溫性能好等特點而廣泛應用于工業領域。2A12（LY12）硬鋁合金是一種共晶型高強度硬鋁合金，具有優良的綜合力學性能，在航空、航天、艦船制造等領域［1］用于制造各種承受高載荷的零件和結構件，如飛機的骨架、蒙皮、翼肋、翼梁、隔框零件鉚釘［2-3］等。作為典型的硬鋁合金，2A12鋁合金的焊接性較差，主要表現在易氧化、易產生氣孔、易產生熱裂紋以及接頭不等強度等方面，焊接時需要采取一定的工藝措施才能獲得性能優良的焊接接頭。劉守法等［4］利用不同形狀的攪拌頭對高強度異種鋁合金2024-T3與7075-T6進行了攪拌摩擦對接焊，并對焊縫的宏觀形貌、硬度及接頭的拉伸性能、斷口形貌進行了分析；嚴軍等［5］對8mm厚2A12鋁合金板進行了CO2激光-MIG（熔化極惰性氣體保護焊）復合焊接，討論了焊接電壓和焊接速度對焊縫幾何參數的影響，認為熔深和母材熔化面積取決于焊接速度，此外他們還研究了接頭的顯微組織和力學性能；許良紅等［6］分析了微觀組織對MIG焊接接頭沖擊韌性的影響，認為在焊接過程中生成的CuAl2是影響接頭沖擊性能的主要因素。到目前為止，大部分研究人員的研究重點主要集中在焊接方法及工藝對2A12鋁合金焊接接頭的影響，而關于焊絲對其焊接性能影響的研究則鮮見報道。鑒于此，作者采用不同牌號的焊絲對2A12硬鋁合金進行了逆變氬弧焊接，研究了焊絲對焊接接頭顯微組織、強度和硬度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用母材為2A12-T4（固溶熱處理＋自然時效狀態）鋁合金，其尺寸為330mm×125mm×5mm，化學成分見表1。母材焊接坡口形式為“Y型”，焊接方式為對接焊，坡口尺寸如圖1所示。選用BJ-380A（北京航天材料及工藝研究所）和ER4043（鄭州船王有限公司）焊絲，二者均為光亮直絲，直徑為4mm，焊前不需酸洗，它們的化學成分見表2。

在OTC ADMIRAL 500W 型氬弧焊機上進行TIG（鎢極氬弧焊）焊接。焊前用鋼絲刷或砂輪將2A12鋁合金坡口兩側20mm范圍內的氧化膜清理干凈，然后用干凈的棉布蘸酒精或丙酮溶液擦拭，以除去油污、氧化物等。然后按表3所示的工藝參數進行焊接，焊后進行檢驗，焊縫外表面應光滑，不允許有裂紋、氣孔和咬邊等焊接缺陷。

表1 2A12鋁合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 2A12aluminum alloy（mass） %

表2 兩種焊絲的化學成分（質量分數）Tab.2 Chemical composition of two kinds of welding wires（mass） %

圖1 母材坡口尺寸Fig.1 Size of base metal groove

表3 焊接工藝參數Tab.3 Welding parameters

1.2 試驗方法

圖2 拉伸和硬度試樣截取示意Fig.2 A bridged general view of sampling for tensile properties testing and hardness testing

焊后，按圖2所示截取硬度試樣和拉伸試樣。按照GB/T 231-2009《金屬材料布氏硬度試驗》制備硬度試樣，室溫下在HB-3000型布氏硬度計上沿垂直于焊縫方向進行硬度測定，同一位置的硬度值取3個試樣的平均值；按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制備拉伸試樣，室溫下在WEW-100B型液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1mm·min-1，抗拉強度取3個試樣的平均值；采用 Axio Scope.A1型蔡司光學顯微鏡（OM）及JSM 6510A型掃描電鏡（SEM）進行顯微組織觀察，腐蝕劑為HF、HCl、HNO3和H2O按體積比1∶1.5∶2.5∶95配制成的混合溶液；采用D2phase型X射線衍射儀（XRD）進行物相分析，銅靶，波長為0.154 06nm，工作電壓為30kV，工作電流為10mA。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可知，2A12鋁合金母材為鋁-銅-鎂合金，其組織由黑色塊狀S強化相Al2CuMg和基體α-Al組成。

由圖4和圖5可知，兩種焊絲接頭焊縫區均為典型的鑄態枝晶組織，且晶粒生長方向以彎曲形狀垂直于焊接方向，具有一定的方向性。這是因為在焊接過程中，靠近焊接熔池的母材為冷基體，焊接熔池熔融液體一般沿熱擴散方向凝固結晶生長所致；熱影響區晶界粗化，晶粒大小不一，在晶界和晶內均有強化相析出。與圖4（a）相比，圖5（a）中焊接接頭的晶粒更細小；圖4（b）與圖5（b）無明顯區別；但與圖4（c）相比，圖5（c）的晶界中有更多的第二相析出。有研究表明［6-7］，晶界上共晶組織的脆性大，對焊縫金屬的拉伸性能極為不利；同時焊接熱輸入導致合金中的鎂元素被燒損，形成的強化相Mg2Si的數量極為有限，這也會降低接頭的抗拉強度。

圖3 2A12鋁合金母材的顯微組織及XRD譜Fig.3 Microstructure（a）and XRD pattern（b）of 2A12aluminum alloy base metal

圖4 2A12鋁合金焊接接頭的顯微組織（ER4043焊絲）Fig.4 Microstructure of 2A12aluminum alloy welded joint with ER4043welding wire：（a）welded joint；（b）weld seam zone and（c）heat-affected zone

圖5 2A12鋁合金焊接接頭的顯微組織（BJ-380A焊絲）Fig.5 Microstructure of 2A12aluminum alloy welded joint with BJ-380Awelding wire：（a）welded joint；（b）weld seam zone and（c）heat-affected zone

2.2 抗拉強度及硬度

無論采用哪種焊絲，2A12鋁合金焊接接頭的抗拉強度均在200MPa以上，如表4所示，可達母材強度（約為414MPa）的50%以上；且斷裂部位均位于熱影響區。這是因為焊接過程中的熱輸入導致接頭熱影響區組織粗化，低熔點共晶物偏聚于熱影響區組織的晶界間，加之熱影響區軟化，在拉應力作用導致熱影響區先發生斷裂。與BJ-380A焊絲相比，ER4043焊絲接頭的抗拉強度較高，平均值為281MPa，達到了母材強度的67.9%。

表4 母材及不同焊絲接頭的抗拉強度Tab.4 Tensile strength of base metal and welded joint with different welding wires MPa

由圖6可知，兩種焊絲接頭中焊縫與熱影響區的硬度均低于母材的（103HB），硬度最低值出現在熱影響區，靠近焊縫區；距焊縫越遠，硬度逐漸升高，越趨向于母材的；與BJ-380A焊絲相比，ER4043焊絲接頭的硬度稍高一些，這與上述其抗拉強度較大的結論相符。

圖6 不同焊接接頭上距焊縫中心不同距離處的硬度Fig.6 Hardness at different distances from welded joints center

由圖7（a）可知，2A12鋁合金母材的拉伸斷口主要為韌窩型斷裂，為韌性斷裂，斷口上有明顯的纖維狀特征，存在大量的韌窩和撕裂棱，韌窩尺寸大小不一，這是由于第二相析出及雜質的共同作用造成的［8］，熱影響區晶界第二相析出分布如圖4（c）和圖5（c）所示。與母材相比，焊接接頭拉伸斷口上的韌窩變少變淺，底部變平，拉伸斷裂主要為脆韌混合型斷裂。與BJ-380A焊絲相比，ER4043焊絲接頭拉伸斷口上的韌窩尺寸較小且數量多，這與其焊接接頭抗拉強度較高的結論相一致。

圖7 2A12鋁合金母材及不同焊絲接頭拉伸斷口的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of 2A12aluminum alloy base metal and welded joints with different welding wires：（a）base metal；（b）ER4043welding wire and（c）BJ-380Awelding wire

3 結 論

（1）兩種焊絲接頭的焊縫區均為典型的鑄態枝晶組織，晶粒生長方向以彎曲形狀垂直于焊接方向，具有方向性；熱影響區晶界粗化，晶粒大小不一，在晶界和晶內均有強化相析出；與ER4043焊絲相比，BJ-380A焊絲接頭熱影響區的晶界中有更多的強化相析出。

（2）兩種焊絲接頭的抗拉強度均能達到母材的50%以上，斷裂部位均位于熱影響區；ER4043焊絲接頭的抗拉強度為281MPa，為母材的67.9%；兩種焊絲接頭的拉伸斷口均呈脆韌型混合斷裂，母材斷口呈韌窩型斷裂。

（3）兩種焊絲接頭硬度的最低值出現在熱影響區，靠近焊縫區；與BJ-380A焊絲相比，ER4043焊絲接頭的硬度稍高一些，但它們均低于母材的（103HB）。

［1］張士林.簡明鋁合金手冊［M］.上海：上海科學技術文獻出版社，2001.

［2］TANG Y X，ZHANG Y K，WANG X D，et al.Elastic properties modification in aluminum alloy induced by laser shock processing［J］.Mater Sci Eng：A，2001，297：138-145.

［3］馬壯，李應紅，汪誠，等.激光沖擊處理2A12航空鋁合金低循環疲勞壽命影響研究［J］.材料熱處理學報，2007，28（增1）：46-48.

［4］劉守法，蔡云，吳松林.不同形狀攪拌頭異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的性能［J］.機械工程材料，2014，38（3）：80-84.

［5］嚴軍，高明，曾曉雁.激光-MIG復合焊接2A12鋁合金工藝和接頭性能［J］.中國有色金屬學報，2009，19（12）：2112-2118.

［6］GUO Xu-ming，YANG Cheng-gang，QING Bai-nian.Pulsed MIG welding process of high strength Al-Cu alloy［J］.Transaction of China Welding Institution，2004，25（4）：7-8.

［7］彭云，許良紅，田志凌，等.焊接熱輸入對高強鋁合金接頭組織和性能的影響［J］.焊接學報，2008，29（2）：17-21.

［8］許良紅，田志凌，彭云.微觀組織對高強鋁合金接頭沖擊韌度的影響［J］.機械工程學報，2009，45（7）：108-113.