彭小燕，曹曉武，段雨露，陳舉飛，徐國富, ，尹志民,

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，長沙 410083)

鋁合金具有密度小、耐蝕性好、易加工等特點，是高速軌道列車輕量化的主體材料。為了適應(yīng)高速軌道車輛的發(fā)展，世界各國競相研制和生產(chǎn)鋁合金車體[1?3]。Al-Zn-Mg系中強可焊合金的不僅具有適中的強度，較寬的固溶處理溫度范圍，優(yōu)良的熱變形性能和抗應(yīng)力腐蝕性能，而且焊接性能良好，特別是焊后其室溫時效強化能力極高，因此是用來制作焊后不便進行熱處理的焊接構(gòu)件，如底架、枕梁等關(guān)鍵部件的理想材料[4?6]。日本、西歐等國廣泛采用7020 鋁合金制造軌道列車車體[7?9]。目前，許多學者對該合金的焊接接頭性能進行了研究。MOUSAVI等[10]研究了7020鋁合金電磁攪拌焊的晶粒細化機制，研究表明熔合線中與母材具有相似化學組成的晶粒由于攪拌作用被卷入熔池內(nèi)，并發(fā)生細化。GAM等[11]研究7020鋁合金電子束焊接的組織與性能，研究表明熔合區(qū)和熱影響區(qū)對穩(wěn)定裂紋擴展具有較高的阻力。RAM 等[12]研究7020鋁合金焊接通過孕育細化組織對熱裂紋以及拉伸性能的影響，研究表明焊接中孕育得到的晶粒不僅降低了合金熱裂紋傾向，還改善了合金硬度和拉伸性能。DUDZIK[13]對比了 7020、5083、5089鋁合金的MIG焊焊接性能，結(jié)果表明7020鋁合金的焊接強度高于后兩者的。雖然 7020鋁合金具有良好的綜合性能，但由于在焊接過程中焊接接頭不同位置受焊接熱循環(huán)的作用，尤其是焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)合金的性能會發(fā)生顯著變化，可能影響軌道列車的安全運行壽命。本文作者對軌道車輛用 7020鋁合金焊接接頭組織和性能進行系統(tǒng)研究，對改善該合金焊接接頭的性能具有積極的指導意義。

1 實驗

1.1 材料

焊接用鋁合金母材為約18 mm厚的7020軋制板材，熱處理狀態(tài)為T6。焊接所用的焊絲為ER5356合金，母材和焊絲的化學成分如表1所列。

表1 7020鋁合金和ER5356焊絲的化學成分Table 1 Chemical compositions of 7020 aluminum alloy and ER5356 filler metal

1.2 實驗方法

采用MIG自動焊接方式對7020鋁合金試樣進行多道焊對接，焊接方向垂直于板材的軋制方向，焊接工藝參數(shù)如表2所列。焊接樣品拉伸力學性能測試在MTS?810拉伸機上進行拉伸，拉伸速度為2 mm/min，結(jié)果取3組試樣的平均值；硬度測試在HVS?10顯微維氏硬度儀器上進行，從焊縫中心開始向母材逐點(間隔1 mm)測量其維氏硬度，測試加載載荷為29.4 N，加載時間為10 s。

焊后各區(qū)的金相顯微組織在Leica DMIL LED倒置顯微鏡下觀察，金相試樣采用keller試劑進行腐蝕。拉伸斷口在Sirion200場發(fā)射掃描電鏡下觀察；透射電鏡微觀組織觀察在FEI Tecnai G220透射電子顯微鏡下進行，透射電鏡樣品于?30 ℃左右的75% CH3OH+25% HNO3(體積分數(shù))的溶液中進行電解雙噴減薄，雙噴電壓為10~15 V；焊縫、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)的物相組成測試在理學D/Max Raid IIR X射線衍射儀上進行。

表2 7020鋁合金的MIG焊接工藝參數(shù)Table 2 MIG welding parameters of 7020 aluminum alloy

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的力學性能

表3所列為7020鋁合金基材及焊接接頭的常溫拉伸實驗結(jié)果。拉伸斷裂位置在焊縫處(如圖 1所示)。由表3可知，母材的抗拉強度為393 MPa，伸長率為16.6%，而焊接接頭的抗拉強度和伸長率分別為268MPa和 4.5%，相對于母材分別下降了 31.8%和72.9%，其焊接系數(shù)約為0.7。根據(jù)歐洲標準EN485?2和EN288?4，7020鋁合金厚板大于12.5 mm、低于40 mm時的抗拉強度最低值為350 MPa；經(jīng)過焊接的檢驗樣品的抗拉強度Rm(w)必須要滿足以下條件：

式中：Rm(pw)為所規(guī)定的基體材料的最低拉伸強度；η為利用率。T6態(tài)Al-Zn-Mg合金焊接后的硬化處理方式為自然時效時，T對應(yīng)為0.75，則7020鋁合金焊接接頭的拉伸強度最低值應(yīng)為263 MPa。因此，7020鋁合金MIG焊焊接接頭的力學性能夠符合使用條件。

圖1 焊接接頭的斷裂位置Fig. 1 Fracture position of welded joint

表3 7020鋁合金基材及其焊接接頭拉伸性能Table 3 Mechanical properties of 7020 aluminum alloy and its welded joint

2.2 焊接接頭硬度分布

焊接過程中，焊接熱循環(huán)的作用使得焊接接頭不同區(qū)域的硬度值有很大的區(qū)別。圖2所示為焊接接頭的維氏硬度分布。

圖2 焊接接頭的硬度曲線分布Fig. 2 Hardness distribution of welded joint

由圖2可知，焊接接頭硬度曲線以焊縫(WZ)中心為對稱軸，近似對稱分布。焊縫寬度約10 mm，且焊縫中心硬度最低(67HV左右)。距焊縫中心15 mm區(qū)域，硬度隨著距離焊縫中心的增大而升高，達到118HV左右。由于熔合區(qū)(FZ)的成分既不是原始的基材成分，又不是焊縫金屬的成分，而是兩種熔體交混后形成的一種合金，該區(qū)的硬度介于焊縫區(qū)和基材的之間，比焊縫區(qū)的高，比基材的低，約為103HV。焊件冷卻時，焊接熱沿基材方向擴散。熱影響區(qū)(HAZ)沿散熱方向依次出現(xiàn)淬火+過時效現(xiàn)象，因此，可把熱影響區(qū)分為淬火區(qū)和過時效區(qū)。淬火區(qū)中原有的析出相固溶到鋁基體中形成過飽和固溶體，焊件經(jīng)過一段時間的停放后固溶體會析出η′(Mg2Zn)相，產(chǎn)生自然時效強化，從而獲得較高的硬度。距離焊縫中心15~30 mm范圍，硬度逐漸降低，最低值約為106HV。原因是過時效區(qū)距離焊縫較遠，溫度高于7020鋁合金的時效溫度卻低于固溶處理溫度，η′相聚集長大、粗化，導致固溶強化和沉淀強化效果要比淬火區(qū)的低，強度和硬度降低，形成一個軟化區(qū)，即圖2中距離焊縫中心約30 mm處的低谷。盡管過時效區(qū)發(fā)生軟化，但硬度值仍比焊縫區(qū)的高得多，說明焊接接頭最薄弱的位置為焊縫區(qū)。隨著離焊縫中心距離的增大，硬度不斷增大，到達基材(BM)后達到穩(wěn)定狀態(tài)(約為123HV)。

2.3 焊接接頭的顯微組織

圖3所示為7020鋁合金焊接接頭不同區(qū)域的金相顯微組織照片。由圖 3(a)可以看出，焊縫區(qū)組織呈樹枝狀。焊接加熱時，焊縫處的溫度高達700~800 ℃，焊絲熔化隨后冷卻，由于焊接熔池快速結(jié)晶，溶質(zhì)來不及擴散，加之各組元、熔池各部位結(jié)晶先后不同，溶質(zhì)濃度有差異，同時溶質(zhì)來不及均勻化，從而形成了典型的鑄造組織[14]，這種急冷結(jié)晶組織使得焊縫區(qū)硬度較低，塑性較差。熔合區(qū)是焊絲與基體金屬形成的一種交混合金，圖3(b)體現(xiàn)了這種特征，即靠近焊縫一側(cè)為沿熱散方向以聯(lián)生結(jié)晶形式[15?16]形成的柱狀晶；靠近基材一側(cè)為細小的等軸晶組織，其平均晶粒尺寸為5~10 μm。根據(jù)焊接熔池溫度場的分布特征，熔池邊緣的加熱溫度稍高于基材的熔點，而且存在一層運動速度很低的附面層。在該附面層中，大量來自基材和焊絲的未熔Al3(Zr、Ti)質(zhì)點成為α(Al)的非均質(zhì)形核核心，促進細小等軸晶的形成[17?18]。由于Al3(Zr、Ti)粒子對位錯和亞晶界有釘扎作用，該細小等軸晶粒薄層能夠在一定程度提高強度，改善該區(qū)的力學性能。圖 3(c)中熱影響區(qū)組織呈現(xiàn)出纖維狀組織的特征，但是靠近焊縫的熱影響區(qū)，受焊接熱的影響在拉長的纖維組織邊緣出現(xiàn)部分再結(jié)晶細小晶粒。基材為明顯的纖維狀加工組織，如圖3(d)所示。

圖3 7020鋁合金焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig. 3 Microstructures of welded joint of 7020 aluminum alloy at different areas: (a)Welded zone; (b)Transition zone; (c)Heat affected zone; (d)Base metal

圖4 7020鋁合金焊接接頭不同區(qū)域的TEM像Fig. 4 TEM images of welded join of 7020 aluminum alloy at different areas: (a)Weld zone; (b)Quenching zone (15 mm away from welding seam); (c)Overaging zone (35 mm away from welding seam); (d)Base metal

圖4所示為焊接接頭不同位置的TEM像。由圖4(a)可知，焊縫區(qū)沒有明顯的析出相。焊縫區(qū)的性能取決于焊絲的化學成分和結(jié)晶過程。焊縫區(qū)的急冷結(jié)晶組織使得該區(qū)硬度較低、塑性較差，加之沒有強化相析出，焊縫區(qū)強度不高，成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。從圖4中可以看出，熱影響區(qū)和基材區(qū)均彌散分布細小的納米級顆粒狀η′相，其中圖4(b)、(c)的η′相均明顯發(fā)生了粗化，且過時效區(qū)中η′相的粗化程度較淬火區(qū)的要大。淬火區(qū)的形成是由于在焊接熱的作用下，原有的析出相固溶到Al基體中，冷卻時形成了過飽和固溶區(qū)。該區(qū)域固溶濃度高，空位密集。Mg和Zn原子在鋁基固溶體偏聚形成一個GP區(qū)，放置一段時間后，Mg和Zn原子進一步偏聚，GP區(qū)聚集長大形成亞穩(wěn)相η′相。η′相是7020鋁合金的主要強化相，淬火區(qū)析出η′相的過程實質(zhì)上進行自然時效強化。但由于自然時效進行的不夠充分，基材人工時效后析出的η′相較之更為細小。過時效區(qū)溫度較淬火區(qū)的低，強化相溶解不充分，只有少量固溶在基體中，同時晶格中的空位濃度也較低，在接下來的時效過程中，η′相在較大的生長空間聚集長大、粗化。

2.4 微區(qū)XRD物相分析

圖5所示為7020鋁合金焊接接頭的微區(qū)XRD物相分析結(jié)果，測試時的取點位置如圖5所示，其中A位于焊縫區(qū)，B位于熔合區(qū)，C位于熱影響區(qū)。由圖5可知，焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)內(nèi)除了基體相外，沒有發(fā)現(xiàn)其他明顯的析出相。這主要是因為焊接過程中形成的Al3Zr和Al6Mn等許多微量相含量太低；熱影響區(qū)和基材中，η′相雖高度彌散分布，但其粒子平均直徑約為5~10 nm，因此，采用X 射線衍射方法無法觀察到它們明顯的衍射峰。從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，熔合區(qū)和熱影響區(qū)的衍射譜出現(xiàn)衍射雙峰現(xiàn)象，而在焊縫區(qū)不存在這個現(xiàn)象。這主要是由于熔合區(qū)由焊絲和基材兩種不同成分的固溶體組成，存在嚴重的化學不均勻性和物理不均勻性。而靠近焊縫的熱影響區(qū)，焊接時溫度略高或者接近于基材的熔點，Mg和Zn原子固溶到 Al基體中，冷卻后偏聚形成GP區(qū)，引起晶格畸變。經(jīng)過自然時效強化后，GP區(qū)擴大有序化，其共格畸變區(qū)域也隨之擴大，從而引起衍射峰部分偏移形成雙峰。

2.5 焊接接頭拉伸斷口的SEM觀察

圖6所示為7020鋁合金基材和焊接接頭拉伸斷口的 SEM 像。從圖 6(a)和(b)中可以看出，兩者斷口均呈現(xiàn)韌性斷裂的特征。圖 6(a)中基材的斷口形貌較均勻，說明斷裂過程比較均勻。從圖6(b)中的斷口形貌中可以看出，焊接接頭的拉伸斷口上較均勻地分布著一些尺寸大小不同的氣孔，氣孔的存在減小了焊接接頭的有效承載面積，造成應(yīng)力集中，降低了強度和塑性，使得焊縫區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)。從圖6(c)和(d)中也可以看出，基體斷口中的韌窩較大，且較深，而焊接斷口的韌窩尺寸較小，且深度較淺，說明基材的塑性較焊接后的更好。

圖5 7020鋁合金焊接接頭的OM像和微區(qū)的XRD譜Fig. 5 OM image(a)of welded joint of 7020 aluminum alloy and XRD patterns in microstructure(b)

3 結(jié)論

1) 7020鋁合金MIG焊焊接接頭的抗拉強度為268 MPa，屈服強度為231 MPa，伸長率為4.5%，焊接系數(shù)約為0.7，拉伸性能符合使用條件。

2) 焊接接頭硬度曲線以焊縫中心為對稱軸，近似呈對稱分布。焊縫寬度約10 mm，且焊縫中心硬度最低(67HV左右)。距焊縫中心15 mm區(qū)域，硬度隨著距離焊縫中心的增大而升高，達到118HV左右；距離焊縫中心15~30 mm范圍硬度逐漸下降，最低值約為106HV；最后硬度隨著離焊縫中心距離的增大而升高，到達基材后達到穩(wěn)定狀態(tài)(約為 123HV)。焊縫區(qū)的鑄態(tài)組織導致其成為焊接接頭最薄弱的位置，η′(MgZn2)相粗化導致熱影響區(qū)內(nèi)離焊縫中心約 30 mm的位置形成硬度較低的軟化區(qū)。

圖6 7020鋁合金基材和焊接接頭拉伸斷口的SEM像Fig. 6 SEM images of base metal ((a), (c))and tensile fracture of welded joint ((b), (d))of 7020 aluminum alloy

3)7020鋁合金焊接接頭的焊縫區(qū)為樹枝狀鑄造組織；熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)為柱狀晶，靠近熱影響區(qū)一側(cè)為細小的等軸晶組織；熱影響區(qū)為發(fā)生了部分再結(jié)晶的纖維組織；基材為明顯的纖維組織。

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