喬及森,王鵬建,張陽羊,趙文軍,陳劍虹

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

7055噴射成形高強鋁合金激光焊接頭組織及性能

喬及森,王鵬建,張陽羊,趙文軍,陳劍虹

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

采用激光焊接對2 mm厚噴射成形的7055-T76511鋁合金進行焊接試驗。通過顯微硬度和拉伸試驗測試焊接接頭的力學性能，通過光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、背散射電子衍射技術(shù)（EBSD）以及X射線衍射（XRD）分析焊接接頭的微觀組織。結(jié)果表明，7055鋁合金激光焊接頭無明顯的軟化區(qū)，焊縫顯微硬度最低，約為130～140 HV，接頭的抗拉強度372 MPa，伸長率4.1％。焊縫組織有明顯的三個區(qū)（熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)）。熱影響區(qū)組織是產(chǎn)生了部分再結(jié)晶的等軸晶粒；熔合區(qū)由于非均勻形核形成了等軸非枝晶區(qū)（non-dendritic equiaxed grain zone，EQZ），晶粒尺寸3～8 μm；焊縫區(qū)靠近熔合線為柱狀枝晶，中心為胞狀枝晶。

7055鋁合金；噴射成形；激光焊接；力學性能；顯微組織

0前言

7000系鋁合金因其良好的比強度、斷裂韌度、耐腐蝕性和加工性能，被廣泛應用于航空航天、軌道車輛、汽車和造船等領(lǐng)域[1-3]。7055是現(xiàn)有牌號中強度較高的鋁合金[4]。采用普通的熔焊焊接熱輸入大，焊件變形大，接頭軟化明顯，強度低；而攪拌摩擦焊缺乏相對的工藝柔性，難以焊接復雜焊縫，這些局限性制約了7055鋁合金在大型輕量化結(jié)構(gòu)件上的應用。激光焊接具有熱效率高、接頭變形小、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小和接頭質(zhì)量好等特點，能夠克服傳統(tǒng)焊接方法的不足[5]。接頭的力學性能影響著焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全，而接頭的力學性能由接頭不同區(qū)域的微觀組織決定，因此，國內(nèi)外對焊接接頭的微觀組織與力學性能進行了大量的研究[6-10]。在此采用激光對噴射成形的7055鋁合金擠壓型材進行焊接試驗，分析其接頭組織和力學性能相關(guān)特性。

1試驗

1.1試驗材料

7055鋁合金的名義成分如表1所示。該合金采用噴射成形工藝制備成鑄錠，通過均勻化處理后經(jīng)反向擠壓加工成排材，再經(jīng)T76511熱處理（即固溶處理淬火后進行預拉伸處理）。最終機械加工成2 mm×40 mm×70 mm的焊接試板。

表1 7055鋁合金化學成分Table 1Chemical composition of 7055 aluminum alloy％

1.2試驗方法

采用快速軸流式CO2激光器對7055鋁合金進行對接焊，添加熔敷金屬以彌補鋅元素燒損，化學成分為w（Zn）=75％、w（Al）=25％，焊接方向沿著材料擠壓方向。焊接工藝參數(shù)如表2所示。焊前采用丙酮去除油脂，然后用砂紙和鋼刷去除氧化膜，采用99.99％高純度氦氣作為保護氣體。

表2 7055鋁合金激光焊接工藝參數(shù)Table 2Laserweldingparametersof7055aluminumalloy

焊后室溫放置30 d對接頭進行金相制樣，采用Keller試劑進行腐蝕后在光學顯微鏡中觀察各區(qū)的金相顯微組織。在FEI quanta 450掃描電子顯微鏡下觀察焊接接頭橫向拉伸斷口形貌，并利用其附件電子背散射衍射（EBSD）分析焊接接頭不同區(qū)域內(nèi)晶粒取向及組織演化。采用D8 ADVANCE X射線衍射儀分析接頭析出相。根據(jù)GB/T 228-2010標準截取焊縫橫向室溫拉伸試樣，在MTS-810拉伸機上進行測試，拉伸速度0.5 mm/min，結(jié)果取3組試樣的平均值；硬度測試在HVS-15顯微維氏硬度儀器上進行，硬度測點橫向和縱向間距0.20 mm，加載力200 gf，持續(xù)時間15 s，每個點測3次，取其平均值，利用矩陣原理在Origin中畫其硬度云圖。

2結(jié)果和分析

2.1焊接接頭顯微硬度分布特征

7055鋁合金焊接接頭橫截面的微觀硬度云圖如圖1所示。焊接接頭硬度云圖以焊縫中心為對稱軸，近似對稱分布。焊縫中心距兩側(cè)約2 mm區(qū)域內(nèi)為焊縫區(qū)，硬度值130～140 HV，有少量區(qū)域硬度呈同心圓從中心向四周升高。這是因為鋁合金激光焊焊接時熔池凝固速度快，熔池中有少量未逸出的氣孔，即圖2中呈現(xiàn)黑色零解析的規(guī)則小圓盤。寬度較窄的熔合區(qū)（FZ）內(nèi)有細小的等軸晶粒，距焊縫中心2.0～2.2 mm，硬度140～150 HV，隨著距離焊縫中心的增大而快速升高。距焊縫中心2.2～2.8 mm為熱影響區(qū)（HAZ），硬度165～180 HV，與母材（BM）的硬度接近，無明顯軟化現(xiàn)象，這是由于熱影響區(qū)在焊后的自然時效過程中硬度值得到恢復。

圖17055 鋁合金焊接接頭的顯微硬度云圖Fig.1Microhardness maps of welded joint of 7055 alum-inum alloy

2.2焊接接頭的顯微組織

7055鋁合金激光焊焊接接頭不同區(qū)域的金相顯微組織如圖3所示。7055激光焊焊接接頭由熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫區(qū)組成。母材顯微組織如圖3a

所示，為典型的等軸變形組織。圖3b為熔合線附近的顯微組織，熱影響區(qū)在焊接熱的作用下出現(xiàn)部分再結(jié)晶晶粒，晶粒內(nèi)部有片狀析出相；熔合區(qū)靠近熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了等軸非枝晶（EQZ）組織，靠近熔合區(qū)的焊縫為狀枝枝晶組織，生長方向與熔池散熱方向相反。圖3c為焊縫中心區(qū)呈典型胞狀枝晶組織。

圖27055 鋁合金焊接接頭EBSD像Fig.2EBSD images of welded joint of 7055 aluminum alloy

圖37055 鋁合金焊縫的微觀組織Fig.3Microstructures of weld for 7055 aluminum alloy

2.3晶粒取向及形貌

焊接接頭EBSD像如圖2所示，與7055母材相比，7055鋁合金激光焊焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的晶粒形貌、尺寸及取向均發(fā)生了很大的變化。熱影響組織從近焊縫到母材晶粒尺寸逐漸從20～30 μm減小到10～20 μm，部分晶粒發(fā)生了再結(jié)晶和長大，晶粒擇優(yōu)取向和母材相同，為＜111＞和＜001＞。熔合區(qū)形成的EQZ晶粒非常細小，大小為3～8 μm，晶粒取向隨機分布，最寬處達150 μm。這是由于母材中含有少量的變質(zhì)劑[w（Zr）=0.15％、w（Ti）=0.06％]與鋁在晶內(nèi)形成金屬間化合物（Al3Zr、Al3Ti），在凝固過程中以這些未熔化的顆粒作為非均勻形核基底，大大提高了形核率；此外，非均勻形核在過冷度約為0.02Tm（Tm為金屬熔點）時，形核率達到最大值[11]，鋁合金非均勻形核過冷度僅有13.2℃（Tm= 660℃），形核所需過冷度較低。根據(jù)熔池溫度場分布特征，熔池邊緣溫度略高于母材熔點，存在一層運動速度很低的附面層[12]，該附面層也可以作為非均勻形核基地，增加形核率和形核速度，即具備形成等軸晶粒的條件。熔合區(qū)附近EQZ區(qū)寬度從上表面到下表面依次增大，這是因為焊接時下部母材與金屬夾具接觸，散熱速度快于上部母材，下部熔合區(qū)過冷度比上部高，形成了上窄下寬EQZ。EQZ組織對焊縫局部力學性能的影響有待進一步研究。隨著晶粒向焊縫中心生長、結(jié)晶潛熱的釋放，EQZ區(qū)前沿液體過冷度降低，形核變得困難，只有以EQZ區(qū)中現(xiàn)有的晶體向液體中生長形成柱狀晶區(qū)，晶粒直徑20～40 μm，長度60～100 μm，無明顯擇優(yōu)取向。

2.4接頭XRD物相分析

在前期實驗基礎(chǔ)上，截取7055激光焊焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材進行XRD物相分析，結(jié)果圖4所示。熱影響區(qū)和母材有少量MgZn2析出，焊縫區(qū)無明顯的析出相，主要原因是MgZn2、Al3Zr和Al3Ti相尺寸較小或分布較為彌散，采用X射線衍射

無法觀察到其衍射峰。

圖47055 鋁合金焊接接頭XRD圖譜Fig.4XRD patterns welded joint of 7055 aluminum alloy

2.5焊接接頭力學性能和拉伸斷口的SEM形貌

7055鋁合金基材及焊接接頭的常溫拉伸試驗結(jié)果如表3所示。母材的抗拉強度610 MPa，伸長率14.3％，而焊接試件的抗拉強度372 MPa，伸長率4.1％，相對于母材分別下降了39.0％和71.3％，拉伸試樣均斷裂于焊縫處。

表3 7055鋁合金基材及焊接接頭拉伸性能Table 3Mechanicalpropertiesof7055aluminumalloyand its welded joint

7055鋁合金基材和焊接接頭拉伸的SEM斷口形貌如圖5所示。由圖5a可知，母材斷口呈典型的等軸韌窩結(jié)構(gòu)，韌窩尺寸大而深，部分韌窩底部發(fā)現(xiàn)未脫落的第二相顆粒，這些顆?？赡苁悄覆闹形龀龅膹娀?，是母材強度、韌性較高的原因之一。由圖5b可知，在撕裂棱中間形成微孔聚合的小韌窩，焊接接頭拉伸斷口呈延性斷口特征，且斷口韌窩無明顯析出相。與母材相比，焊縫強度、韌性較低。由圖5c可知，焊接接頭的拉伸斷口部分區(qū)域還存在氣孔缺陷，氣孔直徑為10～30 μm，這些氣孔減小了接頭有效承載面積，降低了焊縫強度。圖5d接頭斷口形貌顯示裂紋在氣孔缺陷處萌生，并向四周擴散，使得焊縫區(qū)成為接頭最薄弱的區(qū)域。綜上所述，焊縫強度、韌性損失是由于焊縫無強化相析出、少量氣孔缺陷所致。

圖57055 鋁合金基材和焊接試樣斷口的SEM形貌Fig.5SEM morphologies of base metal and tensile fracture of welded joint of 7055 aluminum alloy

3結(jié)論

（1）焊接接頭硬度云圖關(guān)于焊縫中心近似對稱分布，焊縫和熔合區(qū)顯微硬度分別約為130～140 HV和140～150 HV，熱影響區(qū)無明顯軟化，母材硬度165～180 HV。

（2）7055鋁合金焊接接頭焊縫中心為胞狀枝晶，靠近熔合區(qū)焊縫為柱狀枝晶，熔合區(qū)生成了EQZ組織，晶粒尺寸3～8 μm，取向隨機分布；熱影響區(qū)為部分再結(jié)晶長大的等軸晶粒，晶粒擇優(yōu)取向與母材相同，為＜111＞和＜001＞；母材為等軸晶粒。

（3）7055鋁合金激光焊接頭抗拉強度372MPa，抗拉強度為母材的61.0％，伸長率4.1％，拉伸試樣均斷裂于焊縫。

（4）焊接接頭呈延性斷裂，斷口無析出強化相且有少量氣孔存在，焊縫區(qū)強度降低，成為焊接接頭最薄弱的部分。

[1]Tolga Dursun，Costas Soutis.Recent developments in advanced aircraft aluminum alloys[J].Materials and Design，2014（56）：862-871.

[2]Vakhromov R O，Antipov V V，Tkachenko E A，et al.Research and development of high-strength of Al-Zn-Mg-Cu alloys[C].13th InternationalConferenceonAluminumAlloys，USA：arnegie Mellon University，2012：03-07.

[3]喬及森，楊敏杰，夏浩，等.噴射成形7055鋁合金的應力腐蝕性能研究[J].材料導報，2014，28（5）：93-96.

[4]李先聚，楊杰，張豪，等.噴射成形7055鋁合金的顯微組織和力學性能[J].中國有色金屬學報，2007，17（12）：1987-1992.

[5]李小宇，王小朋，雷振，等.高速列車6N01側(cè)墻激光復合焊接頭軟化行為分析[J].焊接學報，2015，36（6）：95-98.

[6]左玉婷，王鋒，熊柏青，等.噴射成形Al-Zn-Mg-Cu合金電子束焊接接頭組織研究[J].稀有金屬與工程，2013，42（1）：104-108.

[7]Zhao Yong，Zhao Qing，Wang Huabin，et al.Microstructure and mechanical properties of spray formed 7055 aluminum alloy by underwater friction stir welding[J].Materials and Design，2014（56）：725-730.

[8]梁志敏，李亞博，汪殿龍，等.17N01鋁合金脈沖MIG焊接接頭組織與力學性能分析[J].電焊機，2015，45（2）：35-38.

[9]車洪艷，朱亮，陳劍虹，等.6061鋁合金平板對接焊接接頭拉伸性能研究[J].蘭州理工大學學報，2008，34（2）：27-30.

[10]金玉花，王希靖，李常鋒，等.7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭的熱穩(wěn)定性[J].蘭州理工大學學報，2010，36（2）：18-20. [11]胡庚詳，蔡珣.材料科學基礎(chǔ)[M].上海：上海交通大學出版社，2009：236.

[12]Molian P A，Srivatsan T S.Weldability of aluminium lithium alloy 2090 using laser welding[J].Materials Letters，1990，25（7）：3347-3358.

Microstructures and mechanical properties of laser welded joint of spray formed 7055 high strength aluminum alloy

QIAO Jisen，WANG Pengjian，ZHANG Yangyang，ZHAO Wenjun，CHEN Jianhong
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Laser welding was employed in the welding experiment of spray formed 7055-T76511 aluminum alloy plate with thickness of 2 mm.The mechanical properties of the welded joint were tested by microhardness test and tensile test.In addition，the microstructure of the welded joint were analyzed by OM，SEM，EBSD and XRD.The results show that the welded joint hasn't obvious soften zone，and the microhardness of the weld zone is the lowest，which is about 130～140 HV.The welded joint consist of three zones（the heat affected zone，the fusion zone and the weld zone）.The heat affected zone is characterized by equiaxed recrystallized grains，due to heterogeneous nucleation of the fusion zone formed non-dendritic equiaxed grain zone（EQZ）and an average grain size of 3～8 μm，weld area near the fusion line is columnar dendrite，and the center is cellular dendrite.

7055 aluminum alloy；spray formed；laser weld；mechanical property；microstructure

TG456.7

A

1001-2303（2016）11-0021-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.03

獻

喬及森，王鵬建，張陽羊，等.7055噴射成形高強鋁合金激光焊接頭組織及性能[J].電焊機，2016，46（11）：21-25.

2016-01-13；

2016-06-16

甘肅省國際科技合作專項（144WCGA164）

喬及森（1973—），男，甘肅蘭州人，教授，博士，主要從事激光焊接及焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等科研和教學工作。