熱處理對ZL205A鋁合金焊接接頭組織與性能的影響

劉浩，溫泉*，姜波舟，鄒文，閆華偉，黃晶洪

熱處理對ZL205A鋁合金焊接接頭組織與性能的影響

劉浩1，溫泉1*，姜波舟2，鄒文1，閆華偉1，黃晶洪1

（1.國營四達機械制造公司，陜西 咸陽 712203；2.空裝駐某地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽 712203）

改善25 mm厚ZL205A鋁合金TIG堆焊接頭的組織性能，提高接頭的力學性能并明確接頭的強化機制。通過光學顯微鏡、掃描電鏡、萬能拉伸試驗機及硬度計等手段，系統(tǒng)研究了T5熱處理前后焊接接頭顯微組織的演變規(guī)律及力學性能特征。在未經(jīng)過T5熱處理的焊接接頭熔核區(qū)晶界處，存在大量呈網(wǎng)狀分布的白色物質，經(jīng)過T5熱處理后晶界處的白色物質基本消失。熱處理后熔核區(qū)晶粒間區(qū)分明顯，晶界清晰可見，晶粒尺寸為25 μm左右。晶界處的白色物質主要是Cu原子偏聚后生成的Al2Cu化合物；熱處理后，晶界處的Cu原子經(jīng)過擴散溶解進入鋁基體中，達到固溶強化和第二相強化的效果，使接頭拉伸強度從196.8 MPa升高為431 MPa，接頭顯微硬度從80HV升高為150HV。熱處理前后，接頭斷口處Al2Cu化合物含量變化顯著，在未經(jīng)過熱處理的焊接接頭斷口處，Al2Cu化合物分布較多；而在經(jīng)過熱處理的接頭斷口處，Al2Cu化合物僅零星出現(xiàn)。最終，接頭的斷裂類型呈現(xiàn)脆性和韌性混合的斷裂方式。經(jīng)過T5熱處理后，ZL205A鋁合金TIG堆焊接頭組織特征得到改善，力學性能得到明顯提升，拉伸性能提升了約119%，硬度提升了約87.5%。

ZL205A鋁合金；顯微組織；T5熱處理；Cu原子；固溶強化

ZL205A為鋁-銅系高強鑄造鋁合金，經(jīng)熱處理后，其力學性能可達到鍛造鋁合金水平[1-3]，因此，被廣泛應用于裝備的重要承力件中[4-5]。這些承力件在配合過程中不可避免地要進行焊接連接，而焊接過程中較大的熱輸入必然會對ZL205A鋁合金構件的整體力學性能及微觀組織產(chǎn)生較大的影響。因此，研究如何提升ZL205A鋁合金焊后接頭性能具有較高的應用價值。

目前，相關研究表明，熱處理工藝可有效提升ZL205A鋁合金性能。馬鐵軍等[6]研究了不同時效時間對T5狀態(tài)下ZL205A鋁合金微觀組織和力學性能的影響，結果表明，與鑄態(tài)相比，固溶態(tài)和時效態(tài)抗拉強度得到了較大提升，且在時效8 h時，試樣的硬度最大。鄧進俊[7]對鑄態(tài)ZL205A鋁合金進行了固溶和人工時效熱處理，發(fā)現(xiàn)在515 ℃下固溶5 h后，合金發(fā)生明顯的固溶效應，θ相大量溶入鋁基體中，合金的布氏硬度由70HB提升到103HB。陳云華等[8]探究了T6熱處理對SLM（Selective Laser Melting）成形的ZL205A鋁合金的影響，研究表明，SLM成形的ZL205A鋁合金經(jīng)538 ℃×14 h+150 ℃×6 h固溶時效后的抗拉強度、屈服強度和伸長率明顯高于沉積態(tài)的。以上研究主要集中在對熱處理前后ZL205A鋁合金或3D打印整體構件性能的對比分析上，而有關該合金焊接后熱處理對性能影響的研究較少。另外，有關厚度超過20 mm的大厚板堆焊后接頭熱處理前后內(nèi)部微觀組織演變規(guī)律的研究鮮有報道。

本文以厚度25 mm板材為研究對象，探究TIG（Tungsten Inert Gas）多層多道堆焊接頭在T5熱處理狀態(tài)下微觀組織及力學性能的演變規(guī)律，建立ZL205A鋁合金大厚板焊接接頭熱處理后微觀組織和力學性能的內(nèi)在關系。

1 試驗

母材為ZL205A-T5鋁合金，其化學成分如表1所示，焊絲為直徑3 mm的ZL205A，其化學成分如表2所示。將母材加工成80 mm×300 mm×25 mm的板材，并在板材中心加工一個待堆焊的V形凹槽，如圖1所示。試驗采用多層多道的TIG堆焊方式，對板材的V形凹槽進行金屬填充，堆焊示意圖如圖2所示。

焊前的預熱處理設備選用HT07350型高溫試驗箱，溫度設定為250 ℃，保溫時間為60 min。焊接時選用的設備為MW5000型交直流氬弧焊機，保護氣體選擇氬氣，氣體流量為15 L/min，鎢針直徑選擇4 mm。焊接時電流類型為交流電流，且僅改變焊接電流，焊接時共計5層堆焊層，第1層到第5層的焊接電流分別為210、210、200、180、170 A。焊后將試樣放入熱處理爐（型號為RJ6-50/40-Ⅱ）中進行熱處理。熱處理過程分為三步：首先，加熱溫度到538 ℃，保溫時間為14 h；其次，隨爐冷卻至155 ℃，再保溫9 h；最后，取出試樣空冷至室溫。參考GB/T 2651，利用線切割技術在焊板上截取拉伸樣和金相樣，并進行打磨、拋光、腐蝕（腐蝕液為HF+HCl+HNO3+H2O，體積分數(shù)分別為1%、1.5%、2.5%、95%）。采用MR-500型倒置金相顯微鏡觀察微觀組織。使用掃描電鏡SEM（Scanning Electron Microscope）及能譜分析儀EDS（Energy Dispersive Spectrometer）對試樣進行顯微組織及元素分析。利用WDW-100型萬能材料試驗機進行室溫拉伸性能測試，加載速率為1 mm/min。利用維氏硬度計（INNOVATEST-FALCON511）對焊接接頭進行硬度測試，在每個區(qū)域逐點（間隔0.5 mm）測量維氏硬度，測量載荷為100 g，保荷時間為30 s。

表1 ZL205A-T5鋁合金化學成分

Tab.1 Chemical composition of ZL205A-T5 aluminum alloy wt.%

表2 ZL205A-T5焊絲化學成分

Tab.2 Chemical composition of ZL205A-T5 solder wire wt.%

圖1 V形凹槽加工示意圖

圖2 焊接示意圖

2 結果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

堆焊后接頭表面、端面及內(nèi)部橫截面形貌如圖3所示。從圖3a可看出，堆焊后接頭表面成形較好，魚鱗紋規(guī)律排布，無明顯的氣孔、夾雜等缺陷。在接頭端面可清晰觀察到堆焊層共計5層，如圖3b所示。圖3c為圖3a中A區(qū)截面放大圖，可以看出，熔核區(qū)呈現(xiàn)不規(guī)則的U形分布，內(nèi)部宏觀組織形貌與母材區(qū)組織形貌有明顯區(qū)別，局部有細小氣孔出現(xiàn)。分析認為，在堆焊過程中，在電弧高溫作用下，母材的V形凹槽邊緣區(qū)域發(fā)生了局部熔化并與熔化的焊絲相混合，導致該區(qū)域呈不規(guī)則的U形分布；另外，熔化后的金屬發(fā)生了由液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉變。

圖3 堆焊接頭形貌

2.2 接頭微觀組織

熱處理前后熔核區(qū)和熔核邊界區(qū)的微觀組織如圖4所示。可以看到，熔核區(qū)晶粒尺寸小于熔合區(qū)及熱影響區(qū)晶粒尺寸，且熔核區(qū)晶粒分布較均勻，但晶界處白色物質較多、晶粒間晶界不明顯，如圖4a所示。在凝固過程中，接頭熔核區(qū)發(fā)生了不平衡結晶，造成熔核區(qū)組織的化學成分偏析，最終導致晶界間存在大量白色析出物。由圖4b可以看到，熔核區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)的晶粒形態(tài)發(fā)生了明顯變化。熔合區(qū)是填充熔化金屬與母材的交界區(qū)，母材部分金屬發(fā)生了局部熔化并且在凝固過程中溫度梯度發(fā)生了變化，導致該區(qū)域組織有明顯的不均勻性。由圖4c可知，熔核區(qū)晶粒為均勻細小的等軸晶，晶界白色物質明顯減少，晶界清晰可見。由圖4d可知，經(jīng)過熱處理后，在熔核邊界熔合區(qū)可明顯觀察到晶粒大小變化的分界區(qū)域。分析認為，經(jīng)過14 h的固溶處理后，接頭晶界處的析出物較好地擴散溶解到了晶粒內(nèi)部。

圖4 接頭特征區(qū)顯微組織

對圖4的D區(qū)進行局部放大，如圖5a～c所示。從圖5c可以看出，在未進行熱處理的熔核區(qū)的晶界處，存在較多的白色物質，且該白色物質相互連接呈網(wǎng)狀分布。分析認為，由于Cu原子在α(Al)中的溶解度有限，且隨著溫度的降低，溶解度會減小。在焊接過程中，溫度冷卻較快，在α(Al)相周圍析出了較多的Cu原子，甚至完全包裹了α(Al)相，最終形成了網(wǎng)狀的白色物質區(qū)域。圖4中的E區(qū)放大圖如圖5d～f所示，由圖5f可知，經(jīng)過熱處理后，晶界處的白色物質基本消失，只在局部位置零星出現(xiàn)，晶粒形狀多樣、分界明顯，平均尺寸為25 μm左右。這是因為當溫度達到538 ℃時，Cu原子在α(Al)中的溶解度相對較大，再經(jīng)過14 h的保溫處理，使晶界間的偏析物逐漸擴散溶解到基體中，最終晶界間的白色物質消失，熔核的應力集中區(qū)得以消除，進而提升了接頭的綜合力學性能。

圖5 熔核區(qū)SEM顯微組織

為了進一步確認圖5c中晶界間白色物質的具體化學成分，對F區(qū)進行EDS能譜分析，結果如圖6所示。其中P1為灰色區(qū)域即Al基體區(qū)域，因此該區(qū)域主要為Al元素，質量分數(shù)為95.54%，Mg元素和Cu元素相對較少，質量分數(shù)分別為0.46%和4.00%。該測試結果與表1中ZL205A母材的化學成分一致。P2和P3為晶界處白色物質所在區(qū)域，對應能譜結果顯示，Al元素的質量分數(shù)由95.54%分別降至61.47%和69.33%，而Cu元素明顯增加，其質量分數(shù)從4.00%分別升至38.53%和30.67%。由此可見，未經(jīng)過T5熱處理的熔核區(qū)晶界處的白色物質為Cu原子聚集后形成的化合物。根據(jù)文獻[9-12]，分析認為該白色物質主要為Al2Cu化合物。

T5熱處理前后熔核區(qū)局部組織演變示意圖如圖7所示。焊接過程中熔核區(qū)組織演變情況如圖7a所示，ZL205A鋁合金在凝固過程中先析出α(Al)，隨后發(fā)生L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反應[13]；隨溫度的降低，液-固轉變驅動力增大，合金液內(nèi)部α(Al)先開始大量形核然后逐漸長大，最終出現(xiàn)具有三角晶界特征的塊狀α(Al)晶粒；θ相在晶界平衡偏析機制下主要分布在α(Al)三角晶界處[14-15]，如圖7a所示。這是因為晶內(nèi)Cu原子能量高于晶界處的，且Cu自身可降低表面能，使Cu原子在ZL205A鋁合金結晶過程中自發(fā)向晶界偏聚，最終在晶界處形成θ相。

圖6 F區(qū)SEM及EDS分析結果

圖7 熔核區(qū)組織演變示意圖

經(jīng)過T5熱處理（固溶+時效）后局部組織變化結果如圖7b所示。大量Cu原子從晶界向晶內(nèi)轉移，發(fā)生了固溶現(xiàn)象，晶界處的θ相消失。分析認為，當加熱到538 ℃并進行14 h的保溫處理后，合金具有最大的固溶度且擴散速度較快。晶界處的Cu原子向基體內(nèi)擴散溶解，形成了過飽和固溶體[16-17]，最終晶界清晰可見。

3 接頭力學性能分析

3.1 接頭硬度

接頭熔核區(qū)顯微硬度分布結果如圖8所示。可以看出，未經(jīng)過熱處理的接頭熔核區(qū)硬度偏低，約為84.4HV，而經(jīng)過T5熱處理的接頭熔核區(qū)硬度大幅提升，平均硬度值超過母材硬度（144.1HV），約為152.7HV。結合圖5c、圖5f可知，熱處理前后晶粒尺寸的變化較小，不足以對硬度產(chǎn)生很大影響。結合熔核區(qū)組織特征分析認為，影響接頭熔核區(qū)硬度變化的主要原因為晶界間的Cu原子變化。經(jīng)過熱處理后，熔核區(qū)晶界間的Cu原子向基體內(nèi)擴散溶解，形成了鋁基固溶體，造成晶格畸變，阻礙了位錯運動，進而達到固溶強化的效果[18-19]，因此，熔核區(qū)硬度超過母材硬度，達到152.7HV。

圖8 硬度對比結果

3.2 接頭拉伸強度

3種不同試樣類型接頭的拉伸性能結果如圖9所示。可以看出，母材的拉伸強度最高約為458.5 MPa；T5熱處理后接頭的拉伸強度約為431 MPa，達到母材強度的94%；未熱處理接頭的拉伸強度最低約為196.8 MPa，僅占母材的49%。經(jīng)過熱處理的焊后接頭拉伸強度得到了明顯提升，分析認為，經(jīng)過熱處理后，接頭的Cu原子逐漸從晶界處溶入固溶體中，而Cu原子的原子半徑為0.128 mm，Al原子的原子半徑為0.143 mm，相差較大。隨著Cu原子的不斷增加，造成晶格畸變，畸變產(chǎn)生的應力場導致位錯運動的阻力增大，位錯滑移難以進行，從而使接頭的拉伸強度大大提升[20-21]。

圖9 拉伸性能對比

3.3 接頭斷口

利用掃描電鏡的T1模式觀察到的未熱處理接頭斷口形貌如圖10所示。從圖10a可看出，斷口局部存在氣孔類的孔洞及二次裂紋形貌。由圖10b可觀察到大量的白色物質雜亂分布在斷口內(nèi)，在孔洞內(nèi)部晶界間也可觀察到呈網(wǎng)狀分布的白色物質。斷口內(nèi)白色物質的分布形貌如圖10c所示，可以看出，其分布呈錯亂層片狀分布，表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征。該結果與圖5c中晶界上大量白色物質的特征相對應，分析認為，晶界處白色物質的大量聚集導致接頭的強度降低，在拉伸力的作用下，晶界處成為應力集中點，因此，斷裂后在斷口處觀察到大量白色物質。

圖10 未熱處理接頭斷口形貌

為進一步確認斷口處白色物質的化學成分，進行EDS面掃描分析，結果如圖11所示。由掃描結果可知，白色物質主要是Cu元素占比較多，因此，證明斷口處的白色物質與晶界處的物質都為Cu原子聚集后的產(chǎn)物。

經(jīng)過T5熱處理后接頭的斷口形貌如圖12所示。由圖12a可知，經(jīng)過熱處理后斷口沒有出現(xiàn)較多的白色物質，且在斷口上可觀察到明顯沿晶斷裂后形成的平面及穿晶斷裂后形成的韌窩區(qū)，如圖12b所示。在韌窩周圍可觀察到彌散分布的白色小顆粒，如圖12c所示，根據(jù)文獻[22-23]推斷該物質為第二相粒子，可對接頭起到強化作用，因此，經(jīng)過熱處理后的接頭拉伸性能更好。綜上，經(jīng)過熱處理后接頭斷口形貌表現(xiàn)為脆性與韌性相結合的斷裂方式。

對經(jīng)過熱處理后斷口處的白色顆粒進行EDS分析，結果如圖13所示，其中M1和M3均為白色顆粒處，M2為Al基體處。M1和M3處Cu元素的質量分數(shù)分別為23.87%和38.98%，遠大于M2處Cu元素的3.40%。因此，證明經(jīng)過熱處理后分布在晶內(nèi)的白色顆粒也主要是Cu原子固溶到鋁基體內(nèi)與Al原子形成的第二相粒子，該粒子以細小彌散的微粒分布在基體中，對機體產(chǎn)生了一定的強化作用[24-25]。

圖11 未熱處理接頭斷口EDS分析

圖12 熱處理后接頭斷口形貌

4 結論

1）在焊接接頭熔核區(qū)晶界處存在呈網(wǎng)狀分布的大量白色物質。經(jīng)過T5熱處理后，熔核區(qū)晶界清晰明顯，晶界處的白色物質基本消失，晶粒尺寸約為25 μm。

2）晶界處的白色物質是Cu原子向晶界偏移聚集而形成的Al2Cu化合物，在熱處理過程中，Cu原子從晶界處向晶粒內(nèi)進行擴散溶解，達到了固溶強化及第二相強化的效果。

3）堆焊接頭焊后拉伸強度為196.8 MPa，為母材強度的49%。經(jīng)過T5熱處理后拉伸強度為431 MPa，達到母材強度的94%；硬度值從84.4HV左右提升到152.7HV左右，提升了87.5%。熱處理后接頭呈現(xiàn)脆性和韌性相結合的混合斷裂方式。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of ZL205A Aluminum Alloy Welded Joints

LIU Hao1, WEN Quan1*, JIANG Bo-zhou2, ZOU Wen1, YAN Hua-wei1, HUANG Jing-hong1

(1. State-owned Sida Machinery Manufacturing Company, Shaanxi Xianyang 712203, China; 2. Empty Military Representative Office Stationed in a Certain Area, Shaanxi Xianyang 712203, China)

The work aims to improve the microstructure and properties of the 25 mm thick ZL205A aluminum alloy TIG surfacing joint, improve the mechanical properties of the joint, and clarify the joint strengthening mechanism. The microstructure evolution and mechanical properties of the welded joint before and after T5 heat treatment were systematically studied with an optical microscopy, a scanning electron microscopy, an universal tensile testing machine, and a hardness tester. The results indicated that there were a large number of white substances distributed in the grain boundaries of the nugget zone of the welded joint that had not undergone T5 heat treatment. After T5 heat treatment, the white substances at the grain boundaries basically disappeared. After heat treatment, there was a clear distinction between the grains in the nugget zone, and the grain boundaries were clearly visible. The grain size was about 25 μm. The white substance at the grain boundary was an Al2Cu compound formed by Cu atom segregation. After heat treatment, Cu atoms at grain boundaries diffused and dissolved into the aluminum matrix. Due to the effect of solid solution strengthening and second phase strengthening, the tensile strength of the joint increased from 196.8 MPa to 431 MPa, the microhardness of the joint increased from 80HV to 150HV. Before and after heat treatment, there was a significant change in Al2Cu compounds at the joint fracture. There was a high distribution of Al2Cu compounds at the fracture surface of welded joints without heat treatment. Al2Cu compound only appeared sporadically at the fracture surface of the joint after heat treatment. Ultimately, the joint after heat treatment exhibited a mixed fracture mode of brittleness and toughness. After T5 heat treatment, for ZL205A aluminum alloy TIG surfacing joint, its structure characteristics are improved, and its mechanical properties were significantly improved. Its tensile property was increased by about 119%, and its hardness is increased by about 87.5%.

ZL205A aluminum alloys; microscopic structure; T5 heat treatment; Cu atom; solution strengthening

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.010.017

TG146.2+1

A

1674-6457(2023)010-0143-09

2022-11-25

2022-11-25

劉浩, 溫泉, 姜波舟, 等. 熱處理對ZL205A鋁合金焊接接頭組織與性能的影響[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 143-151.

LIU Hao, WEN Quan, JIANG Bo-zhou, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties ofZL205A Aluminum Alloy Welded Joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 143-151.

責任編輯：蔣紅晨