7xxx高強鋁合金熔化焊研究進展

王龍權，尹天天，張巖，宋閩，張基隆，曲暢

(1. 中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028；2. 東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060；3. 機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心，哈爾濱 150046；4. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116103)

0 前言

以Zn為主要合金元素的7xxx鋁合金屬于可熱處理強化鋁合金，配合合適的熱處理工藝，其強度可媲美結構鋼，故稱為高強鋁合金。7xxx鋁合金具有低密度、高比強度、易成形、優良的加工性能及力學性能，被廣泛應用于軌道交通及航空航天等領域[1-3]。Al-Zn-Mg系鋁合金具有中等強度及優良的焊接性，稱為中高強可焊鋁合金[4]。Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金中，Zn和Mg元素起主要強化作用，Cu元素雖然也起到一定的強化作用，但主要是為了提高鋁合金的耐蝕性，但也導致材料焊接性下降，也稱為超高強難焊鋁合金。

7xxx鋁合金具有線膨脹系數高、導熱率大及熔融態易吸氫等特點，在熔化焊時，容易出現熱裂紋[5]、氣孔及未熔合等焊接缺陷。7xxx鋁合金常用的熔化焊方法有鎢極惰性氣體保護焊（Tungsten inert-gas arc welding, TIG; Gas tungsten arc welding, GTAW）、熔化極惰性氣體保護焊（Metal inert-gas arc welding, MIG;Gas metal arc welding, GMAW）、激光焊（Laser beam welding, LBW）、激光-電弧復合焊（Laser-arc hybrid welding,LAHW）等焊接方法。各專家學者對此進行了大量研究，以改善7xxx鋁合金的焊接性，保證焊接接頭的質量，使其在各個領域得到充分的應用。

1 鎢極惰性氣體保護焊

鎢極惰性氣體保護焊所用的惰性氣體有Ar，He及Ar + He混合氣體；用Ar保護的稱鎢極氬弧焊，用He保護的稱鎢極氦弧焊。由于氣體成本的差異，鎢極氬弧焊用的較多。鎢極氬弧焊具有工藝性好、能進行全位置焊接、容易控制熱輸入等特點，而鎢極載流能力有限，適合于焊接薄板或對熱敏感材料的焊接。

1.1 焊接缺陷

有學者研究焊接裂紋、接頭組織和沖擊韌性的關系，例如，?evik[6]采用GTAW對7075鋁合金進行不填絲焊接試驗，以研究焊接電流對接頭組織及性能的影響，在焊接試樣的焊縫根部檢測到了微裂紋（熱裂紋）缺陷，熱裂紋會使焊縫的沖擊韌性下降；同時，隨著焊接電流的增大，熱輸入增大，焊縫晶粒粗化，也會導致焊縫的沖擊韌性下降。Gao等學者[7]采用多層多道焊工藝制備AA7A52鋁合金TIG接頭，并研究其組織及沖擊韌性，發現焊縫中析出的細小、彌散分布的橢球形η(MgZn2)相有助于改善焊縫韌性，如圖1所示[7]；而熱影響區中的析出的晶間連續Al2MgCu相，在拉伸斷裂過程中作為裂紋源，為裂紋擴展提供通道。王池權等學者[8]對5A06-O/7A05-T6異種鋁合金進行鎢極氬弧焊，研究氣孔和未熔合缺陷焊接接頭疲勞性能的影響，發現：相較于氣孔，未熔合更容易導致疲勞裂紋的萌生，縮短疲勞壽命。由此可見，獲得優質無缺陷焊縫、細化晶粒、獲得細小彌散分布的析出相有利于改善焊縫乃至焊接接頭的沖擊韌性，以及抗疲勞性能。

圖1 細小、彌散分布的橢球形η(MgZn2)相

1.2 接頭軟化

高強鋁合金焊接接頭的軟化問題，是鋁合金焊接的重點和難點之一，接頭軟化導致接頭承載能力降低，致使母材的強度性能利用率降低。因此，如何改善焊接接頭軟化問題，即提高高強鋁合金焊接接頭強度系數是學者們研究的重點之一。

有學者通過優化焊接工藝參數，以提高焊接接頭強度。例如，Aravind等學者[9]采用響應曲面法（Response surface methodology, RSM）對7075鋁合金GTAW接頭性能進行了測試分析，研究了焊接電流、焊接速度及焊接時間對焊接接頭抗拉強度的影響，發現抗拉強度峰值可達130.27 MPa（期望目標值140 MPa），而根據RSM分析結果可知，焊接時間對接頭抗拉強度影響最大，其次是焊接速度，再次是焊接時間。Sathishkumar等學者[10]采用完全析因設計技術研究了焊接電流、焊接速度及保護氣體流量等焊接工藝參數對鋁合金GTAW接頭抗拉強度的影響，影響由大到小為焊接速度、保護氣體流量及焊接電流；最佳參數下，接頭抗拉強度121 MPa。陳今良等學者[11]采用TIG及ER5056焊絲對7075鋁合金進行焊接，研究焊接電流（110～150 A）對焊接接頭力學性能的影響，發現：隨著焊接電流的增加，焊接接頭的力學性能（硬度、抗拉強度）呈現先增后減的趨勢；當焊接電流為140 A 時，焊接接頭的力學性能達到最佳。郭新宇等學者[12]采用ER5183焊絲對7A04鋁合金進行脈沖TIG焊接試驗，探究焊接電流波形（矩形波、正弦波、三角波）對焊接質量的影響；發現：焊接電流波形會影響焊縫晶粒尺寸及組織形態，焊接電流采用三角波時，焊縫晶粒細小，接頭屈服強度優于其他2種波形的接頭，屈強比達0.95。然而，焊接時間是焊接速度的關聯參數，可以將焊接時間化為焊接速度，而焊接速度和焊接電流是焊接熱輸入的重要參數。熱輸入過大，容易導致接頭晶粒粗大、強化相熔解，接頭發生軟化，承載能力下降；而熱輸入過小，容易導致接頭產生未熔合及氣孔等缺陷，也會導致承載能力下降。因此，優化焊接工藝參數，采用合理的熱輸入，才能獲得優質的焊接接頭。

有學者通過選用合適的焊絲，以提高焊接接頭強度。例如，Zhu等學者[13]采用TIG分別對6061-T6和7003-T6鋁合金進行了焊接，研究板厚（4 mm，6 mm）及焊接材料（5356焊絲、5183焊絲）對接頭強度系數的影響，發現5356焊絲的焊接質量優于5183焊絲；相同焊接條件下（板厚4 mm、5356焊絲），7003-T6接頭強度系數（54.5%）低于6061-T6（70.3%），即6061-T6焊接性優于7003-T6。何柔月等學者[14]考慮到稀土元素對焊縫性能會產生有利的影響，故采用含微量Er元素的焊絲對7075鋁合金進行鎢極氬弧焊，研究Er元素含量對焊縫顯微組織和力學性能的影響，焊縫中的Al3Er可以細化焊縫晶粒，同時產生沉淀強化作用，提高焊縫的綜合力學性能，即在焊絲中添加質量分數為0. 6%的稀土元素Er后，接頭強度系數從63.5%提高到71.5%。毛華等學者[15]則采用含Sc焊絲對7B52鋁合金分別進行TIG和MIG焊接試驗，研究其對接頭組織和性能的影響，焊縫中的Sc，Zr，Ti元素聯合Al元素產生了沉淀強化、細晶強化及固溶強化作用，使TIG接頭強度系數達到66%～69%，MIG接頭強度系數達到66%～68%。因此，采用合適的焊絲，尤其是含稀土元素的焊絲，利用稀土元素與焊縫金屬作用，產生沉淀強化、細化晶粒及固溶強化等強化機制，以提高接頭強度系數。

也有學者考慮采用焊后熱處理工藝，提高接頭強度系數。例如，陳今良等學者[16]制備了7075 鋁合金TIG接頭，并進行了固溶 + 時效處理，研究固溶溫度與時效時間對接頭力學性能的影響，發現固溶與時效能顯著改善接頭的塑韌性，并提高接頭的抗拉強度（由熱處理前的279.72 MPa提高到361.39 MPa）。Li 等學者[17]采用自制7xxx焊絲對5 mm厚7075-T6鋁合金進行TIG對接試驗，并對焊接接頭進行T6熱處理，對比分析了T6熱處理前后焊接接頭的組織及性能，發現：熱處理前，接頭發生了軟化；熱處理后，接頭各區域組織粗化，分布有少量含鐵雜質相，η相和S相熔解在基體中，這導致軟化區消失，接頭強度系數達94%。

1.3 耐蝕性

耐蝕性差是7xxx系高強鋁合金焊接接頭另一重要問題，學者們也展開了一些研究。杜春平[18]采用ER5356焊絲對Al-Zn-Mg合金（熱處理狀態為T5）進行TIG單面焊雙面成形試驗，研究了焊接接頭的力學性能及耐蝕性，發現接頭近縫熱影響區室溫力學性能和抗應力腐蝕性能均較母材差。與母材相比，接頭室溫抗拉強度下降率3.3%；接頭在腐蝕介質中的抗拉強度和、斷裂時間分別下降了39.7%，40.3%。Satputaley等學者[19]采用TIG對4 130和7075-T6進行焊接，發現：7075-T6接頭易于發生應力腐蝕開裂（Stress corrosion cracking, SCC）。

針對該問題，郭立祥等學者[20]研究了焊接電流（160～180 A）及T6熱處理（480 ℃ × 1 h，120 ℃ × 24 h）對焊縫耐蝕性的影響，發現T6熱處理后，元素由T6前的偏析嚴重狀態變為分布均勻狀態，改善焊縫的耐蝕性；焊接電流165 A時，T6熱處理后的焊縫耐蝕性最好。綜上可知，采用合理的焊后熱處理，既有利于改善接頭的軟化問題，又有利于改善接頭耐蝕性差的問題。

2 熔化極惰性氣體保護焊

考慮焊接工藝特點和生產效率，TIG適合薄板焊接，而MIG較適合中厚板焊接。然而，采用MIG對7xxx鋁合金進行焊接仍要考慮接頭軟化及耐蝕性問題，同時接頭的應力和變形也需要考慮。

2.1 接頭軟化

何兆坤等學者[21]基于超射流過渡模式對45°坡口的7N01-T5鋁合金進行了MIG焊試驗，發現：焊縫晶粒長大最嚴重，焊縫顯微硬度最低；而熱影響區可分為硬度稍微降低的淬火區及硬度明顯降低的軟化區。佘亞東等學者[22]對12 mm 厚7N01 鋁合金板進行脈沖MIG 焊對接試驗，發現：先焊焊道在后焊焊道的熱輸入下，部分晶粒發生重熔，未熔晶粒發生長大，后焊焊道晶粒在先焊焊道重熔晶粒上外延生長，后焊焊道晶粒比較粗大；而焊縫晶粒粗大是導致焊縫軟化的一個重要原因。Zhou等學者[23]采用GMAW對Al-Zn-Mg-Cu合金進行多道焊試驗，發現：熱影響區由α(Al)，η(MgZn2)及Al2MgCu相組成，相的尺寸、形態及分布狀態對熱影響區的性能有很重要的影響；例如，晶間析出的連續分布的帶狀Al2MgCu 相促進裂紋和脆性斷裂區的形成，粗化的析出粒子會惡化熱影響區的力學性能。顧佳星等學者[24]采用MIG對A7N01鋁合金T形接頭兩側分別進行了單道焊和雙道焊試驗，強化相受熱輸入的影響發生聚集長大或熔解，會惡化接頭的力學性能。

針對接頭軟化問題，有學者考慮選擇適合的焊絲，從冶金的角度改善焊縫的力學性能。例如，楊明[25]在全自動MIG焊接方式下，研究了ER4043和ER5356兩種焊絲對7075鋁合金焊接接頭力學性能的影響，發現：采用ER5356焊絲的接頭的抗拉強度、斷后伸長率及硬度均高于采用ER4043焊絲的接頭。Zhang等學者[26]采用ER5356焊絲對7 005鋁合金進行MIG試驗，并對送絲速度這一參數進行了優化，最優條件下，接頭強度系數可達76.3%。Li等學者[27]采用ER5356焊絲對7N01鋁合金進行了MIG焊接試驗及補焊試驗，原始接頭和補焊接頭的強度系數分別達到了78.6%，77.8%，滿足工程應用的需要。接頭軟化問題得到改善的原因有3點：①ER5356焊絲含Mg，在焊縫中形成MgZn2強化相，提高焊縫強度和硬度；②ER5356焊絲含Ti，使焊縫中形成Al3Ti相，產生沉淀強化[28]；③Al3Ti相作為異質形核質點，增大鋁基體形核率，細化晶粒[29-30]，提高焊縫的綜合力學性能。Wei等學者[31]分別采用含Zr的ER5087焊絲和不含Zr的ER5356焊絲對7N01-T4鋁合金進行MIG試驗，研究2種焊絲對焊接接頭面彎性能的影響，發現：ER5087焊縫的晶粒尺寸比ER5356焊縫細小，且ER5087接頭的面彎性能及硬度均優于ER5356接頭。分析原因有3點：①ER5087焊絲含微量Zr，在焊縫中形成的Al3Zr初晶相具有明顯的彌散強化作用[32]；②Al3Zr相屬于四方結構（DO23），可作為異質形核質點，增大鋁基體形核率，細化晶粒[33]；③ER5087焊絲含Ti量高于ER5356焊絲，使得ER5087焊縫中Al3Ti的沉淀強化及細化晶粒的作用強于ER5356焊絲。鄧鑫等學者[34]采用直徑為1.2 mm的ER5087焊絲對7N01鋁合金進行了MIG對接焊，也證實了Zr元素對焊縫的細化晶粒作用、MgZn2對焊縫的強化作用。

有學者采用焊后熱處理的方式改善接頭的力學性能。例如，石康檸等學者[35]對厚度12 mm的7系鋁合金板進行MIG焊接試驗，研究自然冷卻（空冷）與循環水冷卻（水冷）2種冷卻方式對焊接接頭組織和力學性能的影響，發現：水冷能明顯細化道中心晶粒尺寸，提高焊縫硬度，減小焊縫-側軟化區范圍，提高抗拉強度。Li等學者[36]采用MIG對A7N01-T5鋁合金進行雙面焊試驗，研究自然時效對接頭性能的影響，發現：自然時效后，形成的η′相、η相及GP區，使接頭整體抗拉強度明顯提高。曾強等學者[37]對7075鋁合金MIG對接接頭進行了脈沖MIG補焊，對補焊接頭分別進行了T6，T7和RRA焊后熱處理，發現：經過3種熱處理后，熱影響區析出了較多均勻、細小的第二相；而經T7熱處理后，焊縫和熱影響區晶粒較細小，有利于改善接頭的綜合力學性能。Zhang等學者[38]對Al-4.8Zn-1.6Mg-0.16Cu合金進行了MIG試驗，研究了時效和固溶 + 時效對接頭力學性能的影響，發現：經過2種熱處理后，接頭的力學性能均得到了改善。究其原因，熱處理使接頭的組織更均勻、強化相分布更合理。江如意等學者[39]對7003鋁合金進行MIG焊接試驗，接頭經過固溶時效熱處理后，熔合區和熱影響區的晶粒發生了細化，改善了接頭的綜合力學性能；焊縫在熱處理過程中形成了GP區和亞穩相η'（MgZn2），有效提升了焊縫的強度和硬度。

綜上可知，在優化的焊接工藝參數條件下，選擇合適的焊絲或者選擇適當的焊后熱處理，抑或是二者并用，以改善接頭的晶粒尺寸、改善強化相的尺寸、形態及分布狀態，均有利于改善接頭的綜合力學性能。

2.2 耐蝕性

應力腐蝕開裂是材料在應力和腐蝕環境雙重作用下使材料力學性能下降并導致材料失效的行為[40]。趙朋成等學者[41]對A7N01S-T5鋁合金進行MIG試驗，探究了腐蝕環境和慢應變速率對焊接接頭應力腐蝕開裂行為的影響，發現：3.5% NaCl腐蝕環境下焊接接頭的自腐蝕敏感性高于母材；母材和接頭應力腐蝕敏感性隨慢應變速率的升高而增大，且接頭的應力腐蝕敏感性遠高于母材。Huang等學者[42]采用多道窄間隙激光焊對7N01鋁合金MIG接頭的熱影響區進行了補焊，研究了激光補焊對接頭腐蝕行為的影響，激光補焊后，熱影響區的剝離腐蝕比激光補焊前嚴重；而激光補焊前后，熱影響區的抗應力腐蝕能力與母材相近。

有學者通過在材料表面制備保護涂層[43]，改善其耐蝕性，例如：饒坤等學者[44]在A7N01P -T4鋁合金MIG接頭表面制備了微弧氧化涂層，改善了接頭的耐蝕性。

有學者通過優化焊接工藝，改善接頭耐蝕性，例如：徐騰等學者[45]采用MIG對7075鋁合金分別進行單面焊和雙面焊試驗，發現：相較于單面焊，雙面焊的焊縫應力分布更合理、組織更均勻及晶粒更細小，耐蝕性更好。

有學者通過采用合適的焊后熱處理，改善接頭耐蝕性，例如：Zhao等學者[46]對A7N01-T5鋁合金MIG接頭進行了T6，T7和回歸再時效（Retrogression and reaging, RRA）焊后熱處理，發現：T6熱處理后，接頭抗拉強度達到了母材的87.39%，但耐蝕性并沒有得到改善；T7熱處理后，接頭的韌性及耐蝕性均有改善；RRA熱處理后，接頭的韌性及耐蝕性同樣均有改善，強度及硬度也有提高。究其原因，通過熱處理使晶內析出大量細小、均勻且彌散分布的強化相η′相[47]，可改善材料強度；但T6熱處理后，晶界易析出連續分布的η相，導致耐蝕性差[48]；T7熱處理后，晶界η相呈半連續甚至不連續分布狀態，改善了耐蝕性，但強化相相比與T6熱處理有所長大，會犧牲一部分強度[49]；而RRA熱處理后，晶內析出細小彌散的η′相，晶界η相呈不連續分布狀態，且存在一定寬度的晶界無析出帶（precipitate free zones, PFZ）[50]，這使得材料既有T6態下的峰值強度，同時又有良好耐蝕性。

3 激光焊

與傳統熔化焊相比，激光焊具有能量密度高、熱輸入小、焊縫深寬比大及熱影響區窄等特點。然而，進行鋁合金激光焊時，要考慮焊接缺陷、焊縫成形及接頭軟化等問題。

3.1 焊接缺陷

氫氣孔是鋁合金焊接需要關注的缺陷，然而，鋁合金激光焊時，還需關注小孔型氣孔，學者們對此做了如下研究。Wang等學者[51]對7A52鋁合金進行了激光焊試驗，研究了保護氣體和離焦量對氣孔的影響，發現：接頭中存在氫氣孔和小孔型氣孔，且小孔型氣孔比氫氣孔大；隨著前置保護氣體流量（5～30 L/min）的增加，氣孔率先減小后增大，如圖2[51]所示；隨著離焦量（-6～4 mm）的增加，氣孔率先減小后增大，如圖3[51]所示。Song等學者[52]研究了焊接工藝參數（激光功率、焊接速度和離焦量）對7A52鋁合金激光焊氣孔率的影響，發現：焊縫中的宏觀氣孔焊縫主要由匙孔引起的，氣孔敏感性主要受焊接速度的影響；在優化的焊接工藝參數下，可得到無宏觀氣孔的優質焊縫。Li等學者[53]研究了Sc改性對7075高溫激光熱絲焊焊縫氣孔的影響，發現：在激光熱絲焊中，焊縫元素損失顯著降低，焊縫氣孔略有減少，如圖4[53]所示；Sc改性可以提高熔池的流動性，從而促進了氣泡從熔池中逸出，阻礙了焊縫氣孔的形成。由此可見，優化焊接工藝參數，選擇適當的填充材料，有利于降低焊縫的氣孔傾向。

圖2 氣孔率與保護氣體流量的關系

圖3 氣孔率與離焦量的關系

圖4 焊接接頭截面的宏觀形貌

焊接熱裂紋導致接頭焊后立即失效，降低焊接成品率，提高焊接成本。Ma等學者[54]為改善7075鋁合金激光焊中存在的熱裂紋問題，提出了一種帶填充條的激光焊接方法，獲得了無裂紋焊接接頭；隨著填充條高度的增加，焊縫裂紋由Y形裂紋轉變為I形裂紋，當填充條高度為1.9 mm時，焊縫未出現裂紋；隨著填充條高度的增加，冷卻速率、晶粒尺寸和填充距離的耦合作用增強了填充液相抑制裂紋的能力；由于耦合效應大大降低了局部應變速率，但對液相充填速率的影響較小，導致開裂敏感性低于閾值；焊縫裂紋得到了很好的抑制，與試驗結果吻合較好。

3.2 焊縫成形

焊縫成形質量是影響接頭承載能力的重要參數，謝超杰等學者[55]對7050鋁合金進行光纖激光焊接試驗，探究了焊接工藝對焊縫成形的影響，并研究了焊接接頭的組織和性能。焊縫中心為等軸晶，邊緣為柱狀晶，熱影響區較窄；接頭強度系數56.29%。Li等學者[56]為了準確預測熱絲激光焊的焊縫成形質量，建立了一個關于多工藝參數與焊縫成形質量的多元線性回歸模型。然后，利用殘差分析方法對線性回歸模型進行了分析，結果表明：熱絲電流、焊接速度和送絲速度對焊縫成形質量的影響是非線性的，而激光功率和間隙寬度對焊縫成形質量的影響是線性的。隨后該團隊對多元線性回歸模型進行優化，優化后的非線性回歸模型能夠正確描述工藝參數與焊縫成形質量之間的關系，實現對焊縫成形質量的準確預測。丁亞茹等學者[57]利用響應面法分析了7075鋁合金激光焊工藝參數對焊接質量的影響，發現焊接功率、焊接速度對焊縫成形系數和焊縫截面積的影響較大，離焦量對焊縫成形系數的影響較大。在優化的焊接工藝參數下，焊縫成形系數為0. 803，焊縫的抗拉強度為325 MPa，達到母材的56.5%。由此可見，優化焊接工藝參數，改善焊縫成形質量，對提高接頭的承載能力是有利的。

3.3 接頭軟化

接頭軟化是導致接頭承載能力下降的又一重要問題，有學者通過優化焊接工藝參數，來改善這一問題。陳超等學者[58]研究了激光焊工藝參數對7A52鋁合金接頭組織及性能的影響，發現：隨熱輸入增大，Mg，Zn元素的燒損逐漸嚴重，焊縫發生軟化；通過優化焊接工藝參數，控制熱輸入，接頭強度系數可達69.8%。王磊等學者[59]對7A52鋁合金激光焊焊縫上下組織及性能進行了詳細研究，發現：焊縫軟化是由Mg，Zn元素的燒損、氣孔和焊接應力等引起的。Dhanaraj等學者[60]基于田口法對影響焊接質量（抗拉強度、熔合區和熱影響區的顯微硬度）的主要焊接工藝參數（激光功率、焊接速度和頻率）進行試驗設計，以優化AA7075-T6高強鋁合金光纖激光焊接工藝參數；在優化的焊接工藝參數下，焊縫無缺陷，強度系數約75%。Luo等學者[61]采用準連續波激光焊接7075-T6鋁合金薄板。準連續波激光焊接的高冷卻速率、無約束多向凝固和高重疊系數可產生致密的熔合區，具有均勻的、細小的、等軸晶和樹枝晶結構，有效地提高焊接接頭的力學性能，強度系數為78.56%，斷后伸長率為26.39%。

有學者采用焊后熱處理、焊后處理及復合處理改善接頭軟化的問題。陳超等學者[62]對7A52鋁合金激光焊接頭進行固溶處理 + 單級時效處理，優化了時效工藝參數，峰時效狀態下，接頭強度系數約72%。張銘洋等學者[63]采用T6熱處理改善對7075鋁合金激光自熔焊接頭的強度，最大接頭強度系數約為93.6%（圖5[63]），平均接頭強度系數約為86.8%；T6熱處理接頭比未熱處理接頭的平均抗拉強度提升了約59%；分析原因：T6熱處理促進焊縫析出高密度納米沉淀相，引發沉淀強化，致使焊縫強度提高。Chen等學者[64]采用時效處理、雙面超聲沖擊處理（double-sided ultrasonic impact treatment, DSUIT）、時效-DSUIT處理（A-DSUIT）等方法對7075鋁合金激光焊接頭進行了處理；處理后的接頭強度分別為582 MPa,454 MPa和615 MPa，與焊態接頭強度（380 MPa）相比，分別提高了53.2%，19.5%和61.8%，如圖6[64]所示。時效處理改善了接頭的晶粒形態，減小了接頭的殘余拉應力，提高了接頭強度；DSUIT使焊縫在一定厚度上產生了殘余壓應力且晶粒尺寸有所減小，同時減少了接頭中的缺陷，提高了接頭強度；A-DSUIT處理結合了時效與DSUIT處理的優勢，大幅度提高了接頭強度。由此可見，采用合理的焊后熱處理、焊后處理及復合處理，可有效改善接頭軟化問題。

圖5 工程應力-工程位移曲線

圖6 拉伸試驗結果

4 激光-電弧復合焊

激光-電弧復合焊將激光和電弧2種熱源復合在一起進行焊接的工藝，該工藝充分發揮兩種熱源各自的優勢，彌補各自的不足，是近年來學者們研究的熱點。根據電弧種類的不同，激光-電弧復合焊主要包括激光-TIG、激光-MIG及激光-CMT等，而焊接缺陷、焊縫成形、接頭軟化及疲勞性能依然是7xxx鋁合金激光-電弧復合焊要重點考慮的問題。

4.1 焊接缺陷

何雙等學者[65]研究了氦-氬混合保護氣體對A7N01PT4鋁合金激光-MIG復合焊過程中熔滴過渡行為及焊縫氣孔的影響，發現：隨著氦-氬混合氣體中氦氣含量增加，可有效降低焊縫氣孔率，但氦氣增多，熔滴過渡穩定性變差，焊縫成形變差，優選的氦氣體積分數為50%。Cai等學者[66]研究了Ar-He混合保護氣體對A7N01P-T4鋁合金用激光-MIG復合焊焊縫質量的影響，發現：隨著氦-氬混合氣體中氦氣含量增加，激光能量密度隨之增加，焊縫熔深增大，匙孔穩定性增加，焊縫氣孔缺陷得到了有效地抑制。而Han等學者[67]也認為改善激光-MIG穩定性，進而改善匙孔穩定性是有必要的。王浩等學者[68]研究了激光功率、送絲速度及焊接速度對7N01P 鋁合金激光-MIG焊縫氣孔的影響，發現：隨著激光功率（2.3～2.5 kW）的增加，氣孔數量先增加后下降；隨著送絲速度（7.0～9.0 m/min）的增加，氣孔數量有所降低；隨著焊接速度（0.9～1.1 m/min）的增加，氣孔數量先減少后增加；在優化的焊接工藝參數下，焊縫氣孔數量最少氣孔率約為1.2%。張羽昊等學者[69]在研究A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊時，發現：優化激光和電弧能量配比系數η（PL/PMIG）可減小焊縫氣孔率。由此可見，在7xxx鋁合金激光-MIG中，采用優化的Ar-He混合保護氣體及優化焊接工藝參數，可有效較低焊縫氣孔率。

4.2 焊縫成形

Tang等學者[70]研究了氧化膜及焊接工藝參數（激光功率、送絲速度、保護氣體流量）對A7N01PT4鋁合金激光-MIG等離子體光譜特征和焊縫形狀的影響，發現：隨著激光功率（1～4 kW）的增大，光譜強度、電子溫度、焊縫熔深和熔寬均有所增加；隨著送絲速度（9～18 m/min）的增大，光譜強度、電子溫度、焊縫熔深和熔寬均增大；隨著保護氣體流量（20～50 L/min）的增大，熔深和熔寬先增大后減小。在氧化膜的情況下，隨著激光-MIG等離子體溫度升高，焊縫熔深和熔寬均增大。侯艷喜等學者[71]研究了激光功率、焊接速度和坡口形式對A7N01鋁合金激光-MIG復合焊焊縫成形的影響，發現：隨著激光功率（2.5～3.5 kW）的增大，焊縫熔深增大；隨著焊接速度（0.75～1.2 m/min）的增大，焊縫熔寬和熔深減小，余高先增大后減小；焊接接頭對坡口形式的適應性良好；在優化的焊接工藝參數下，焊縫成形良好，接頭強度系數為60%。張羽昊等學者[69]研究了激光和電弧能量配比系數η（PL/PMIG）對A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊焊縫成形的影響，發現：固定激光功率、增大η，焊縫熔深、熔寬均減小，但深寬比變化較小；而固定電弧功率、增大η，焊縫熔深、熔寬、深寬比均增大；在優化的η下，焊縫成形優良，接頭強度系數為78.95%。由此可見，優化焊接工藝參數，改善焊縫成形，有利于改善接頭的承載能力。

4.3 接頭軟化

戴宇等學者[72]采用激光-MIG復合焊對7B52疊層鋁合金進行了焊接，若以母材最低抗拉強度540 MPa計算，接頭強度系數為65.9%；若以母材峰值抗拉強度659 MPa[73]計算，接頭強度系數為54.0%。由此可見，激光-電弧復合焊接7xxx鋁合金時，依然存在接頭軟化問題。

針對接頭軟化問題，有學者通過考慮選取合適焊絲或預置Nb箔的方式來改善接頭的力學性能。王燦等學者[74]研究了ER5087, ER5356和ER4047焊絲對A7204鋁合金光纖激光-變極性TIG復合焊接頭軟化行為的影響，發現：自然時效90天后，采用ER5087焊絲接頭的抗拉強度較高，而采用ER4047焊絲接頭的斷后伸長率較低，如圖7[74]所示。ER5087焊絲中Zr元素及ER5356焊絲中的Ti元素均有沉淀強化及細晶強化的作用，在保證焊縫強度的同時改善焊縫塑韌性。栗忠秀等學者[75]研究了界面預置不同尺寸的Nb箔（焊縫中Nb的質量分數為0.74%和1.36%）對A7204P-T4鋁合金激光- CMT復合焊接頭力學性能的影響，發現：與未加Nb的接頭相比，Nb的添加使接頭的平均抗拉強度略有增加，但卻明顯提高了接頭的斷后伸長率，如圖8[75]所示。主要原因是Nb在焊縫中形成強化相，產生沉淀強化的同時，還能細化晶粒。Wu等學者[76]研究了界面預置不同厚度（10 μm，25 μm，35 μm和50 μm）的Nb箔對A7204-T4鋁合金激光-變極性TIG復合焊接頭力學性能的影響，發現：Nb微合金化處理后，接頭的抗拉強度得到了少許提升，而斷后伸長率得到了明顯改善，這與栗忠秀等學者的研究高度契合。

圖7 自然時效后3種焊絲條件下接頭及母材的拉伸性能

圖8 焊接接頭的拉伸性能

針對接頭軟化問題，也有學者采用焊后熱處理的方式來改善接頭的力學性能。喬俊楠等學者[77]研究了自然時效對A7N01鋁合金激光-變極性TIG復合焊接頭力學性能的影響，發現：自然時效30天后，接頭力學性能達到峰值，抗拉強度比焊態時提高了15%，接頭強度系數83%，而斷后伸長率從焊態的3.1%提高到4.4%；去除余高后，性能得到進一步提升；原因是自然時效改善了焊縫中沉淀相的數量、尺寸及分布狀態，進而提高了接頭的力學性能。Xu等學者[78]研究了雙級級固溶 + 時效熱處理對7055-T76鋁合金激光-MIG復合焊接頭力學性能的影響，發現：接頭的強度系數為51%，而熱處理后接頭的強度系數為84%，雙級級固溶 + 時效熱處理顯著改善了接頭軟化的問題；究其原因，熱處理改變了接頭的晶粒尺寸、形態，以及沉淀相的尺寸、形態及分布狀態，改善了接頭的軟化問題；而5E06焊絲中的Zr和Er元素在焊縫中的沉淀強化及細化晶粒的作用也是不可忽略的。由此可見，采用合適的焊后熱處理是可以改善接頭的軟化問題。

4.4 疲勞性能

胡雅楠等學者[79]研究了7020-T651鋁合金激光-MIG復合焊接頭的力學性能及疲勞性能，發現：接頭強度系數為74%，而Zn元素燒損，導致接頭中MgZn2強化相數量減少，接頭發生軟化；接頭的疲勞強度為96.13 MPa（50%存活率，N= 2 × 106周次）約為母材的63.14%，疲勞裂紋萌生于熔合區的缺口，而氣孔對疲勞裂紋穩定擴展階段的速率影響較小。吳圣川等學者[80]研究了焊接缺陷對7020-T651和7050-T7451鋁合金激光-MIG接頭疲勞性能的影響，發現：在50%存活率下，7020-T651和7050-T7451鋁合金接頭疲勞極限分別約為109 MPa和95 MPa，分別約為其母材69.9%和45.7%；焊接缺陷會降低接頭的疲勞壽命，尤其是大尺寸缺陷。由此可見，優化焊接工藝參數，獲得優質的焊接接頭，有利于改善接頭的疲勞性能。

5 結論

（1）對于7xxx鋁合金的TIG，MIG，激光焊及激光-電弧復合焊，焊接缺陷、焊縫成形質量差及接頭中強化相熔解等因素均會導致接頭發生軟化，甚至導致接頭耐蝕性差及疲勞壽命低的問題。通過優化焊接工藝參數，減少焊接缺陷，改善焊縫成形質量，均有利于改善接頭的軟化、耐蝕性差及疲勞壽命低等問題。

（2）選用合適的焊絲（含Ti，Zr元素及Er，Sc稀土元素）使焊縫產生沉淀強化、細晶強化及固溶強化，可改善接頭的軟化問題；采用適當的焊后熱處理，改善強化相的尺寸、形態及分布狀態，也可改善接頭軟化的問題；而采用適當的焊后熱處理，還可以改善接頭的耐蝕性。