焊接材料對7075鋁合金焊接性及焊縫組織的影響*

劉政軍， 何偲倬， 蘇允海， 張 琨

(沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870)

由于具有比強度高、硬度大、斷裂韌性好，以及抗應力腐蝕能力強等優點，鋁合金逐漸在制造業中得到廣泛應用[1].近年來，環境污染和能源短缺問題日益突出.在充分滿足使用要求的前提下，如果能夠大量采用鋁合金代替鋼鐵等密度較大的金屬材料，可以使構件輕量化[2]，從而大幅降低工業能耗，減少環境污染，提高資源利用率[3-4]，進而使得某些方面性能突出的新型鋁合金(例如超硬鋁合金)應運而生[5].超硬鋁合金主要以Al-Zn-Mg-Cu系為主，屬于可熱處理強化的變形鋁合金，該合金在航空航天、汽車船艦及軍工等工藝制造領域應用廣泛，其典型代表為7075鋁合金[6].

目前，航空用超硬鋁合金連接方式通常采用鉚接方式，因而構件的整體質量較大.采用焊接手段可以減輕構件的整體質量.由于鋁合金自身還具有導熱性強、線膨脹系數大的特性[7]，故焊后可能會出現因焊縫冷卻速度快，氣體未能及時溢出而產生的氣孔[8].同時，金屬的快速凝固容易引發應力集中現象，從而產生熱裂紋等焊接性問題[9].合適的焊接工藝和焊接填充材料可以提高焊接接頭的強度[10-11]，降低焊接缺陷，改善合金的焊接性[12].本文采用ER4043和ER5356兩種焊絲對7075超硬鋁合金進行了TIG焊焊接.針對焊后焊接接頭的焊接性及顯微組織進行了研究，探討了焊接材料對焊接接頭組織和性能的影響.

1 材料及方法

試驗母材選用Al-Zn-Mg-Cu系7075超硬鋁合金，供貨狀態為T6(固溶處理+人工時效)態.焊接材料分別選用Al-Si系ER4043焊絲和Al-Mg系ER5356焊絲，焊絲直徑均為1.2 mm，試驗母材與兩種焊絲的化學成分如表1所示.

表1 母材和兩種焊絲的化學成分(w)Tab.1 Chemical compositions of base metal and two welding wires (w) %

焊接試驗采用半自動TIG焊焊接方式，焊接接頭呈對接接頭形式.在焊接電流為130 A、氬氣流量為12 L/min的焊接工藝條件下進行焊接試驗，焊后進行取樣和檢測分析.分別采用萬能拉伸試驗機和小型維氏硬度計對焊接接頭的抗拉強度和硬度進行測試.隨后利用砂紙打磨金相試樣，再對其進行機械拋光，金相腐蝕劑為Keller試劑(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O).同時，采用掃描電子顯微鏡、能譜儀和X射線衍射儀對焊接接頭的斷口及焊縫組織進行進一步檢測分析.

2 結果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌是判定合金焊接質量的重要標志之一，通過直觀觀察焊接接頭的宏觀形貌可以初步判定合金的成型性及焊接性是否良好.在鋁合金的焊接過程中，除了要獲得連續、無燒穿且焊接變形較小的焊接接頭外，還需關注焊接接頭中是否存在熱裂紋、氣孔、接頭軟化等焊接性問題.

圖1為在相同焊接工藝參數下分別采用兩種不同焊接材料施焊后，焊接接頭的宏觀形貌.由圖1可見，選用兩種焊絲進行焊接后，焊接接頭成形連續，紋理均勻、規整，焊接接頭無變形且表面光亮，呈現銀白色金屬光澤，表面整體成型性良好.若焊縫呈現灰色，則是因為氣體保護作用差，焊接接頭因被氧化而變色.觀察圖1還可以發現，在兩種焊接接頭的宏觀表面均未發現熱裂紋和氣孔等焊接性缺陷，且采用ER5356焊絲獲得的焊接接頭宏觀形貌優于采用ER4043焊絲的形貌.由于兩種焊接材料均具有良好的流動性，因而均可焊接7075鋁合金，但從焊接接頭成形角度考慮，當焊接電流為130 A時，ER5356焊絲更適合用于7075鋁合金的TIG焊焊接.

2.2 焊接接頭的力學性能

2.2.1 焊接接頭的拉伸性能

將兩種焊絲獲得的焊接接頭分別取樣進行拉伸試驗，具體試驗結果如表2所示.由表2可見，在相同工藝參數下，ER4043和ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強度分別為267.21和309.97 MPa，均高于焊材本身的抗拉強度，且ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強度高于ER4043焊絲焊接接頭.

在焊接過程中合金元素Si和Mg分別通過兩種不同焊絲過渡到焊縫金屬中，Si產生的低熔點共晶物和共晶體可以降低焊接接頭的裂紋敏感性并減少焊接缺陷，而Mg有助于形成強化相并提高焊接接頭強度.同時，母材中部分其他元素也會在一定程度上過渡到焊縫金屬中，從而降低焊接缺陷，改善焊接接頭的組織和力學性能.

圖1 焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macro morphologies of welded joint表2 拉伸試驗結果Tab.2 Results of tensile test

焊材抗拉強度/MPa伸長率/%斷裂位置ER4043267.213.17焊縫中心ER5356309.974.44焊縫中心

2.2.2 焊接接頭的斷口形貌

兩種焊絲的拉伸試樣斷裂位置均位于焊縫部位，表明焊縫處強度較低，即焊縫是焊接接頭性能薄弱的位置，這與拉伸試驗結果相吻合.圖2為ER4043和ER5356焊絲焊接接頭的拉伸斷口形貌.由圖2a可見，ER4043焊絲焊接接頭的拉伸斷口存在解理面和少量韌窩，表明焊接接頭的塑性較差，這是因為解理區域的存在增大了焊接接頭的脆性，使得焊接接頭的塑性降低.當選用Al-Si焊絲時，合金焊縫中Si元素含量得到提高，在焊縫金屬中形成了共晶Si，雖然共晶Si可以加強焊接接頭的連接作用，但共晶Si形成的脆性相也降低了焊接接頭的塑性，這與拉伸試驗中的伸長率結果相吻合.由圖2b可見，ER5356焊絲焊接接頭的拉伸斷口組織主要以細小、均勻的韌窩為主，斷口存在大量的韌窩結構，表明焊接接頭的塑性較好，這是因為晶界和晶內產生了較多顆粒狀共晶組織.若晶界產生較多網狀分布的共晶組織時，則斷口將發生沿晶斷裂.

2.2.3 焊接接頭的硬度

通過對焊縫區、熱影響區和母材區分別進行測試，將兩種焊接材料焊接接頭不同區域的平均硬度進行分析比較，具體結果如圖3所示.由圖3所示，ER4043焊絲焊縫區硬度均值為107.2 HV，熱影響區硬度均值為116.3 HV，而ER5356焊絲焊縫區硬度均值為113.7 HV，熱影響區硬度均值為120.5 HV.由圖3還可以觀察到，兩種焊材焊縫區硬度最低，其次是熱影響區，而母材區硬度最高.這是因為7075鋁合金的熔點較低，且鋁合金具有高導熱率的特性，在焊接過程中由于熔池的快速散熱而發生冷卻凝固，使得焊縫中有些強化相顆粒來不及形成，且強化相分散不均勻，因此，受熱的焊縫區和熱影響區硬度較低.此外，觀察圖3可以發現，ER5356焊絲焊接接頭的硬度始終高于ER4043焊絲焊接接頭，表明Al-Mg系焊絲對焊接接頭軟化現象的改善作用優于Al-Si系焊絲，即ER5356焊絲更有利于改善接頭的軟化問題，因而ER5356焊絲焊接接頭的宏觀力學性能高于ER4043焊絲焊接接頭.

圖2 焊接接頭的斷口形貌Fig.2 Fracture surface morphologies of welded joint

圖3 焊接接頭硬度對比Fig.3 Comparison in hardness of welded joint

2.3 焊縫組織

2.3.1 焊縫的顯微組織

圖4為ER4043和ER5356焊絲焊縫的顯微組織.結合圖4a與Al-Si二元相圖可知，ER4043焊絲焊縫中白色基體組織為α固溶體，晶粒大小不均勻，少量晶粒較為粗大，晶界處黑色組織為低熔點共晶組織.ER4043屬于Al-Si焊絲，焊絲中Si含量約為5%，且在焊接過程中會形成一定數量的低熔點共晶物和共晶體.當熔池冷卻時，液態金屬發生凝固收縮，低熔點共晶物和共晶體可以起到填充作用，并產生“自愈合”效應，從而降低裂紋敏感性.結合圖4b和Al-Mg二元相圖可知，ER5356焊絲焊縫中的基體組織也為α固溶體，與ER4043焊絲焊縫組織相比，其晶粒較為細小、均勻.這是因為ER5356焊絲中含有微量元素Ti，Ti可使晶粒細化，同時ER5356焊絲中Mg元素在焊接過程中可以形成析出相，析出相也起到了提高焊接接頭強度的作用.

圖4 焊縫顯微組織Fig.4 Microstructures of weld bead

2.3.2 焊縫的SEM圖像與EDS分析

圖5為ER4043和ER5356焊絲焊縫的SEM圖像和能譜，具體EDS試驗結果如表3所示.根據SEM圖像和能譜可以清楚地觀察到析出相的形態與成分含量，從而推測其物相組成.由圖5b、d和表3可見，兩種焊絲焊縫金屬中所含主要元素種類與母材相同，且母材與焊材在焊接熔合過程中存在元素過渡現象.此外，觀察圖5a可以發現，ER4043焊絲焊縫中析出相形態差別較大，既有細小分布的小顆粒狀組織，也存在粗大且呈鏈狀分布的析出相，結合表3可知，該析出相為Mg2Si相，故焊縫金屬主要由基體α-Al和Mg2Si析出相組成.由圖5c可知，ER5356焊絲焊縫中的析出相呈顆粒狀和鏈狀分布于晶界和晶內，結合表3可知，該析出相為Al3Mg2和Mg32Al47Cu7相，故焊縫金屬主要由基體α-Al以及Al3Mg2和Mg32Al47Cu7析出相組成.

圖5 焊縫SEM和EDS分析Fig.5 SEM and EDS analysis for weld bead

表3 EDS試驗結果(w)Tab.3 Results of EDS analysis (w) %

對比兩種焊絲焊縫的金屬間成分可知，ER5356焊絲焊縫中Mg元素含量高于ER4043焊絲焊縫.ER4043焊絲焊縫中的Si元素主要來自焊絲，Si元素可在晶界形成低熔點共晶物和共晶體，并起到“自愈合”作用.ER5356焊絲焊縫中的大部分Mg元素來自焊絲，在焊接過程中Mg元素會發生蒸發燒損，而焊絲中的Mg元素起到了很好的補充作用，從而促進析出相的形成，并提高了焊接接頭的性能.

2.3.3 焊縫的XRD圖譜

圖6為ER4043和ER5356焊絲焊縫的XRD圖譜，通過XRD圖譜分析可以確定焊縫金屬的物相組成.由圖6a可見，ER4043焊絲焊縫由α-Al和Mg2Si相組成.由圖6b可見，ER5356焊絲焊縫由α-Al和Al3Mg2、Mg32Al47Cu7相組成.析出相具有阻礙位錯運動的作用，且析出相數量越多，分布越均勻，焊接接頭的性能越高.ER5356焊絲焊縫組織的晶粒較小，析出相分布較為均勻，因此，ER5356焊絲焊接接頭的性能優于ER4043焊絲焊接接頭.

3 結 論

通過對由不同焊接材料獲得的7075鋁合金焊接接頭的力學性能及焊縫組織進行對比分析，可以獲得以下結論：

1) 當利用ER4043和ER5356兩種焊絲作為填充材料焊接7075超硬鋁合金時，在焊接接頭中均未發現熱裂紋和氣孔，表明在合適的焊接工藝條件下兩種焊接材料的焊接性良好.

2) ER5356焊絲焊接接頭的拉伸性能和硬度高于ER4043焊絲焊接接頭，從提高力學性能以及改善接頭軟化方面考慮，ER5356焊絲更適合作為7075超硬鋁合金的焊接填充材料.

3) ER4043焊絲能夠很好地降低焊接接頭的裂紋敏感性，焊縫中Si元素形成的低熔點共晶物和共晶體能夠發揮“自愈合”作用，從而改善合金的焊接性，而ER5356焊絲既能滿足合金的焊接性要求，同時又能改善焊縫組織，并起到提高焊接接頭強度的作用.

圖6 焊縫XRD圖譜Fig.6 XRD spectrum of weld bead

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