張明達(dá)，郭菁，滕瑩雪，周中浩，王洪斌，侯忠霖，徐振，龐啟航

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

熱處理工藝對Al-12.7Si-0.6Mg合金焊接接頭組織性能的影響

張明達(dá)，郭菁，滕瑩雪，周中浩，王洪斌，侯忠霖，徐振，龐啟航

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

采用ER5356焊絲對厚度為6 mm的T6態(tài)Al-12.7Si-0.6Mg合金進(jìn)行平板對接試驗(yàn)，使用交流脈沖TIG單面雙道焊縫成形工藝，獲得了良好的焊縫成形并且對焊接后材料分別進(jìn)行了T5和T6態(tài)熱處理。研究表明：熱處理前，焊接接頭熱影響區(qū)內(nèi)存在軟化現(xiàn)象，接頭抗拉強(qiáng)度為157.58 MPa，經(jīng)T5態(tài)和T6態(tài)熱處理后，焊接接頭強(qiáng)度分別增至265.34 MPa和308.09 MPa；焊后熱處理使熔合區(qū)析出的Si顆粒重新固溶到基體中，形成Al-Si固溶體及細(xì)小的α-Al枝晶組織，與焊縫區(qū)的等軸晶過渡良好，熱影響區(qū)的顯著硬度提高，使斷裂位置由熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移至熔合區(qū)，接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅度提高。

熱處理；焊接接頭；含鎂高硅鋁合金；金相組織；力學(xué)性能

具有優(yōu)良性質(zhì)的Al-Si合金被廣泛用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中［1-2］。T6態(tài)Al-12.7Si-0.6Mg合金在擁有良好的耐磨性能同時(shí)兼具了良好的可加工性能，包括擠壓、軋制和焊接等性能，這為該合金應(yīng)用在運(yùn)煤敞車和掛車車廂等需要具有良好的耐磨耐腐蝕性的要求下提供了可能。但是由于焊接缺陷的問題［3］，大大限制了該種合金的應(yīng)用［4-5］。經(jīng)過T6態(tài)熱處理的Al-12.7Si-0.6Mg合金母材在焊接熱循環(huán)的作用下，材料接頭會發(fā)生嚴(yán)重軟化［6-8］。在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用降低熱輸入的方法來提高接頭的力學(xué)性能。本文采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten inert gas welding，TIG）焊的焊接方式，單面焊雙面成形，并對所選取的兩種不同焊后熱處理的焊接接頭進(jìn)行初步的組織性能測試與分析，研究它們對焊縫組織和性能的影響，為這種合金的推廣提供一些理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與焊接方法

試驗(yàn)選用WSE-500焊機(jī)，采用TIG交流脈沖，保護(hù)氣為99.9%的氬氣。成形方式為對接接頭單面雙道焊，母材尺寸為400 mm×120 mm×6 mm，母材及焊絲的化學(xué)成分如表1所示，母材和焊絲熔敷金屬力學(xué)性能如表2所示，母材顯微組織如圖1所示。坡口為80°的V形坡口，相應(yīng)鈍邊0.5 mm，板隙0.5～1.0 mm，紫銅材質(zhì)作為成形槽。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分Tab.1 Chemical component of base metal and welding stick

表2 母材和焊絲熔敷金屬力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property of base metal and wire deposition

圖1 母材顯微組織Fig.1 Microstructure of base metal

焊前嚴(yán)格清理工件表面的氧化膜，并用丙酮擦拭干凈，打底焊接后，焊道表面的氧化膜等雜質(zhì)也要清理。焊好后分別對焊件進(jìn)行T5和T6態(tài)熱處理，如表3所示。

1.2 力學(xué)性能測試方法

在焊好后的板材上選取樣品，方向垂直，試樣的制作應(yīng)按照GB/T228一2002《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》的要求。采用Zwick2.5萬能拉伸機(jī)進(jìn)行焊接接頭拉伸力學(xué)性能測試。采用Wilson-Wolpert 401 MVD維氏硬度計(jì)對接頭進(jìn)行測試，載荷為200 g，載荷加載時(shí)間為10 s。測試時(shí)，從焊縫中心處開始測試并逐步向母材區(qū)域過渡，以0.5 mm作為焊縫區(qū)與熔合區(qū)內(nèi)相鄰兩個(gè)測量點(diǎn)之間的間距，其余區(qū)域內(nèi)兩個(gè)相鄰測量點(diǎn)間距為1 mm，硬度測試如圖2所示。采用OLYMPUS金相顯微鏡和Laica DMR型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察金相組織和斷口形貌。

表3 熱處理工藝參數(shù)Tab.3 Heat treatment process parameters

圖2 接頭硬度測試示意圖，mmFig.2 Diagram of hardness test for welded splice，mm

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形與接頭橫截面宏觀圖

圖3為ER5356焊絲進(jìn)行脈沖TIG焊接對應(yīng)的焊縫成形圖?？梢钥闯?，在選取的焊接參數(shù)下，獲得了成形連續(xù)、美觀并有一定余高的焊縫。

圖3 焊縫宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macrograph of section weld

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。經(jīng)T5態(tài)160℃/14 h人工時(shí)效和T6態(tài)500℃/l.5 h的固溶+180℃/l.5 h時(shí)效后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度明顯提高，抗拉強(qiáng)度分別提高了108 MPa和151 MPa，延伸率分別降低了5.4%和5.9%，熱處理后焊接接頭斷裂位置從熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移到了熔合區(qū)。

圖4 不同熱處理制度的焊接接頭的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of welded joint for different heat treating regime

2.2.2 硬度焊接接頭各區(qū)域熱處理前后的硬度分布情況如圖5所示。綜合接頭的硬度分布與接頭的形貌可知，距離焊縫中心線1.5 mm范圍內(nèi)的區(qū)域可判定為焊縫區(qū)（Weld metal zone）；與焊縫區(qū)相鄰的區(qū)域?yàn)槿酆蠀^(qū)（Bond），該區(qū)域的范圍為距焊縫中心線1.5～4 mm；與熔合區(qū)相鄰且遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)（Heat affect zone），該區(qū)域的范圍為距焊縫中心線4～12 mm。由圖5可知，熱處理前熱影響區(qū)的硬度最低，焊縫區(qū)和母材的硬度均明顯高于熱影響區(qū)的硬度。但熱處理后，各區(qū)域內(nèi)硬度的分布情況發(fā)生了明顯變化，此時(shí)熔合區(qū)的硬度最低，而熱影響區(qū)的硬度則大幅提高，其硬度提高了30～45 HV。熱處理前、后合金母材和焊縫區(qū)硬度變化不大。

2.3 金相組織

圖6為使用熱處理前后焊接接頭的金相組織形貌。未熱處理前后的母材組織（圖6a，圖6d，圖6g）均由黑色區(qū)域的Al-Si共晶組織、少量彌散分布的Mg2Si第二相以及白色區(qū)域的α-Al枝晶組成；焊縫區(qū)均為急冷鑄造組織。由于焊絲中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～5.5%，焊接過程中會燒損大量的鎂元素，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，結(jié)合Al-Mg合金相圖可以看出，這時(shí)的焊縫組織（圖6c，圖6f，圖6i）會有極少量的β-Al8Mg5共晶組織生成或者固溶在α-Al中形成固溶體。而熔合區(qū)為填充金屬與母材形成的交混組織，熔合線附近（圖6b）的α-Al晶粒和硅顆粒受到較大的熱輸入后尺寸變大，附近冶金結(jié)合不良，存在從母材到焊縫金屬的一個(gè)中間過渡層。經(jīng)過T5和T6態(tài)熱處理后（圖6e，圖6h），焊縫金屬沿著熔合線以聯(lián)生方式長大，過渡層消失，硅顆粒明顯減小，冶金結(jié)合良好。

圖5 熱處理前后焊接接頭的維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of welded joint before and after heat treatment

2.4 斷口形貌

圖7為熱處理前、后焊接接頭的拉伸試樣斷口組織。熱處理前的焊接接頭的拉伸斷裂位置在熱影響區(qū)內(nèi)。觀察其斷口形貌可知，斷口處同時(shí)存在著穿晶剪切棱與韌窩，而且韌窩少且淺。熱處理后，拉伸斷裂發(fā)生在熔合區(qū)，在其斷口處呈明顯的韌窩形貌，而且其韌窩大且深。

圖6 熱處理前后的接頭金相組織形貌Fig.6 Microstructure morphology before and after heat treatment

圖7 不同焊絲的接頭斷口形貌Fig.7 Morphology of joint fracture for different wire

3 結(jié)論

（1）用ER5356焊絲為填充材料對T6態(tài)Al-12.7Si-0.6Mg合金板進(jìn)行交流脈沖TIG焊，焊接接頭熱影響區(qū)內(nèi)存在軟化現(xiàn)象，接頭的抗拉強(qiáng)度降為157.58 MPa；經(jīng)T5態(tài)160℃/14 h人工時(shí)效和T6態(tài)500℃/l.5 h的固溶+180℃/l.5 h人工時(shí)效熱處理后，焊接接頭強(qiáng)度分別增至265.34 MPa和308.09 MPa。

（2）焊后熱處理消除了焊接熱應(yīng)力，改善了焊縫區(qū)態(tài)組織，從母材到焊縫金屬的中間過渡層消失，硅顆粒明顯減小，熔合區(qū)組織細(xì)化，焊縫金屬沿著熔合線以聯(lián)生方式長大，過渡層冶金結(jié)合良好，從而提高了熱影響區(qū)的顯微硬度；拉伸斷裂由熱影響區(qū)變成了熔合區(qū)，其斷口處也由少且淺的韌窩與穿晶剪切棱共存的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榱送耆纱笄疑畹捻g窩組成的韌性斷裂斷口形貌。

（3）對接頭進(jìn)行熱處理后，熔合區(qū)內(nèi)大量Si顆粒會重新固溶到基體中形成Al-Si固溶體，形成了細(xì)小的α-Al枝晶組織，與焊縫區(qū)的等軸晶完美過渡，使焊縫區(qū)的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大幅度提高。

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Effect of Post-weld heat treatment on microstructure and properties of T6 treated Al-12.7Si-0.6Mg alloy joints

ZHANG Mingda，GUO Jing，TENG Yingxue，ZHOU Zhonghao，WANG Hongbin，HOU Zhonglin，XU Zhen，PANG Qihang
（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

Experiment of flat butt-welding is conducted on the Al-12.7Si-0.6Mg alloy plates with the thickness of 6 mm.The pulse TIG is used in the process of single side with double pass welding，and the weld seams were excellent.Besides，T5 and T6 heat treatment were carried out after welding.The results show that the softening phenomenon appears in the welding joints due to the weld thermal cycle and，the strength of welded joint 157.58 MPa.the strength reached to 265.34 MPa and 308.09 MPa respectively，after the T5 and T6 postweld heat treatment.After the post-weld heat treatment，precipitated Si particles solved into the base metal，formed short α-Al dendrites and，columnar structure of heat treatment zone merged together.The strengthened hardness，tensile strength and yield strength of this zone improved significantly and，the fracture position moved to the bond from heat treatment zone.

welding wires；welding joint；T6 treated Al-12.7Si-0.6Mg alloy；microstructure；mechanical properties

September 16，2016）

TG406

A

1674-1048（2017）02-0107-05

10.13988/j.ustl.2017.02.006

2016-09-16。

國家自然科學(xué)基金（51374128）；2016年校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（DC2016038）。

張明達(dá)（1994—），男，遼寧鞍山人。

郭菁（1982—），男，新疆烏魯木齊人，高級工程師。