7075航空鋁合金TIG焊后熱處理對其接頭力學性能的影響

陳今良

(攀枝花學院釩鈦學院，四川攀枝花617000)

7075鋁合金具有強度高、韌性好等特點，是應用前景較佳的輕質高強航空材料，其最常用的焊接方法為TIG焊接［1-3］(非熔化極惰性氣體保護焊)，盡管焊縫的力學性能較高，但依然存在氣孔、組織粗化等問題而影響力學性能，針對此類問題，常用解決辦法是對鋁合金進行合適的固溶處理與時效處理相結合的方法［4-6］。本研究是在前期實驗中得到最佳焊接電流為130 A條件下，對焊接接頭進行固溶與時效處理，通過對比不同的固溶溫度、固溶時間、時效溫度、時效時間而開展，最終得出最佳的熱處理參數，可為7075航空用鋁合金TIG焊接后熱處理提供理論指導。

1 實驗材料及參數設置

本次實驗采用的7075鋁合金，尺寸為10.0 c m×4.0 c m×0.5 c m、ER5056直徑為2 mm焊絲，均采購于四川攀枝花宏旺金屬材料科技有限公司，二者的主要化學成分分別如表1、表2所示。TIG焊接電流為130 A，焊接速度為2 mm/s，采用氬氣氣體流量7 L/min［7-8］，將焊接好的試樣分成九組，其固溶與時效參數如表3所示。

表1 7075鋁合金化學成分質量分數(%)

表2 ER5056焊絲化學成分質量分數(%)

表3 實驗固溶+時效參數設定

2 實驗結果分析

2.1 硬度分析

采用HVS-50數字維氏硬度計對接頭進行硬度測試，在所測硬度區域取五個點，算平均值，載荷為98 N，保載時間為15 s，測量區域為母材、熱影響區和焊縫這三個區域。圖1、圖2、圖3分別在時效溫度均為120℃時，固溶溫度為460℃、470℃、480℃條件下采用不同時效時間(18 h、24 h、30 h)處理得到的硬度分布，圖4是不同固溶溫度下不同的時效時間條件下的硬度分布。從圖1-圖3中分別看出，未熱處理試樣的硬度均比熱處理條件下的硬度低，且母材的硬度都為最大值，焊縫區居于中間，而熱影響區的硬度最低；在470℃的時候母材的硬度和焊縫硬度比較接近，且硬度都最大，隨著時效保溫時間(18 h、24 h、30 h)的增加，每個區域的硬度都呈現先增加后減少的趨勢，當保溫時間為24 h時硬度最大。從圖4可以看出，針對不同的固溶溫度與時效時間，可以發現，當固溶溫度與時間為470℃×2 h、時效溫度與時間為120℃×24 h時，7075鋁合金的硬度值最佳。

圖1 460℃/120℃下硬度分布

圖2 470℃/120℃下硬度分布

圖3 480℃/120℃下硬度分布

2.2 拉伸力學性能

采用INSTRON5582型萬能材料試驗機對接頭進行拉伸試驗，拉伸速率為0.02 mm/s，得到拉伸試驗結果如圖5、圖6、圖7所示，所示圖中130 A表示焊接后未作熱處理試樣。從圖5中可以看出，試樣經過熱處理后的抗拉強度明顯大于未熱處理的抗拉強度，未熱處理的抗拉強度的最大值為279.72 MPa；而經過460℃固溶處理后最高抗拉強度達到323.63 MPa，高出43.91 MPa，但隨著保溫時間的延長，其抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢；因為從圖6中看出470℃的固溶處理后最高的抗拉應力為361.39 MPa，從圖7中可以看出，在480℃時，其抗拉強度為326.41 MPa。由三個圖可以發現，當固溶溫度不變時，時效保溫時間從18 h到30 h時，其抗拉強度先增大后減小；當時效時間不變時，固溶溫度從460℃到480℃時，其抗拉強度先增大后減小。所以得出，當固溶溫度不變時，隨著時效時間的增加，抗拉強度是先增大后減小，在保溫24 h時取得最佳值；當時效保溫時間不變時，可以得出460～480℃逐漸增大時，抗拉強度先增大后減小，在470℃時得到最佳值。綜合發現，在固溶溫度與時間為470℃×2 h、時效溫度與時間為120℃×24 h時得到的接頭拉伸力學性能最佳，且固溶與時效明顯可以提高7075鋁合金的抗拉強度。

圖4 不同條件下硬度分布

圖5 460℃/120℃下應力應變曲線

圖6 470℃/120℃下應力應變曲線

圖7 480℃/120℃下應力應變曲線

2.3 斷口形貌分析

采用INDUSTRIECHNIK型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌，選取了3個試樣斷口形貌，在其參數條件下硬度和抗拉強度都是相對最佳。圖8、圖9、圖10的斷口形貌分別對應于未熱處理的試樣、470℃×2 h固溶+120℃×24 h時效、480℃×2 h固溶+120℃×24 h時效。

對比圖8-圖10中的a圖，可以清楚的看到斷口有明顯的被拉長現象，斷口兩側出現了明顯頸縮區，說明7075鋁合金在拉伸過程中，在斷口處發生了塑性變形。對比圖8-圖10中的b圖，可以看出，SEM視野中均出現了不同大小和數量的韌窩，故斷裂性質都是韌性斷裂，還可以看出斷口表面有纖維狀組織，這是在抗拉伸形變的時候，材料中的裂紋不停地擴展和連接造成的。從上面的四個圖中可以對比發現，未熱處理的韌窩數量少且尺寸小，熱處理過后韌窩數量多而且尺寸明顯增大，且韌窩的深度增加。這表明接頭經過固溶與時效處理之后塑性變好，而未經熱處理的7075鋁合金塑性較差，而對于不同的固溶與時效參數條件下，參數為480℃×2 h+120℃×24 h的條件下，斷口韌窩尺寸大且深度深，反應了此條件下的熱處理對7075鋁合金塑形有明顯的改善或提高。

圖8 未熱處理試樣SEM圖

圖9 470℃×2h+120℃×24h試樣SEM圖

圖10 480℃×2h+120℃×24h試樣SEM圖

3 結論

1)對7075航空鋁合金在TIG條件下焊接接頭進行固溶與時效處理，當固溶溫度與時間為470℃×2 h、時效溫度與時間為120℃×24 h時，7075鋁合金的硬度值最佳，且此時的抗拉強度值也達到最佳。

2)焊接接頭經過固溶與時效處理后，接頭的塑性提高，當固溶溫度為480℃時得到最佳值，與熱處理前相比，斷口韌窩數量增加且尺寸增大。