許必玉，龔秋，周六軍，喻穎

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

2A50鋁合金焊接接頭的制備及組織性能分析

許必玉1，龔秋2，周六軍1，喻穎1

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

通過(guò)釬焊的方法對(duì)2A50鋁合金板搭接接頭進(jìn)行了制備。應(yīng)用SEM及金相顯微鏡觀察了焊接的組織和界面結(jié)構(gòu)。對(duì)釬焊接頭試樣進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，并分析了焊接溫度、焊接時(shí)間對(duì)材料性能的影響。結(jié)果表明，焊接界面連接過(guò)度良好，焊接接頭與焊接工藝密切相關(guān)，得到的最佳工藝路線為釬焊溫度為590℃，釬焊時(shí)間為5min。

2A50鋁合金；釬焊；焊接工藝

鋁合金具有密度小，比強(qiáng)度高和比剛度高，加工變形性能好，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是目前大飛機(jī)應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)材料之一。如今，我國(guó)航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的變形鋁合金主要為2000系和7000系的中強(qiáng)和高強(qiáng)鋁合金，此外5000系的防銹鋁合金也有著極大的應(yīng)用。2000系的鋁合金主要應(yīng)用的是Al-Cu-Mg系合金，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，還添加了Si、Fe、Ni、Mn等合金元素。該系列的合金是可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化合金，強(qiáng)度可達(dá)400～500MPa，可應(yīng)用于飛行器的壁板、隔板、機(jī)翼等部件。7000系的鋁合金主要應(yīng)用的是Al-Zn-Cu-Mg系合金，該系列合金也屬于可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，在進(jìn)行完固溶以及時(shí)效處理后，其強(qiáng)度可高達(dá)400～700MPa，主要可應(yīng)用于飛行器的大梁、壁板以及隔板等部件。5000系鋁合金主要有Al-Mg、Al-Mn系合金，但它不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度一般低于400MPa，但這類合金具有比較高的塑性及耐蝕性，可廣泛應(yīng)用于飛行器的油箱以及導(dǎo)管等部件。

目前，國(guó)內(nèi)的大型飛行器的外殼以及內(nèi)部壁板、隔板等部位材料無(wú)法通過(guò)一次軋制成型，主要通過(guò)板材與板材間的焊接來(lái)獲得大型板材以及復(fù)雜形狀的構(gòu)件。如今對(duì)飛行器上復(fù)雜零件的焊接主要有熔焊、電子束焊、激光焊等，但是該類方法會(huì)產(chǎn)生大量焊接熱裂紋，同時(shí)使得焊接接頭軟化，得到的接頭強(qiáng)度系數(shù)只有50%～60%。

本文主要針對(duì)這些工藝方法的不足，提出采用釬焊的方法對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接。釬焊主要有火焰釬焊、鹽浴釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊等方式，本文主要采用爐中釬焊的方法對(duì)材料進(jìn)行制備研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

釬焊所采用的方法為爐中釬焊，并通氬氣作為惰性氣體保護(hù)，在管式爐中進(jìn)行焊接。所用的母材為自行熔煉軋制得到的2A50鋁合金板，通過(guò)線切割得到所需大小，釬料為自行研制，具體成分如表1所示。

1.2 釬焊過(guò)程

焊前對(duì)母材進(jìn)行表面處理，首先機(jī)械刮擦，破除表面氧化物，然后放入丙酮溶液中清洗以去除油污。之后將母材置于稀氫氧化鈉溶液中清洗以進(jìn)一步去除表面殘留氧化物，15min后放入稀硝酸中中和，最后用大量的水清洗，烘干以備焊接。

釬焊時(shí)將母材放于準(zhǔn)備好的工藝盒中，并準(zhǔn)備一定的Mg粉置于母材周?chē)箝_(kāi)始進(jìn)行釬焊。焊接完成后將材料取出，進(jìn)行組織觀察以及力學(xué)性能檢測(cè)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

焊接采用的是五溫區(qū)管式電爐，保護(hù)氣體為氬氣（純度高于99.9%）。焊接完成后在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下進(jìn)行檢測(cè)，觀察焊接處組織形貌。

剪切實(shí)驗(yàn)采用的是CSS-4400電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在室溫（25℃），加載速率為0.5mm/min的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。以3個(gè)試樣實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終的剪切強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

表1 實(shí)驗(yàn)主要原料成分

圖1 釬焊溫度與強(qiáng)度的關(guān)系

圖1顯示了焊接接頭強(qiáng)度與焊接溫度之間的關(guān)系（此時(shí)選擇的焊接時(shí)間為10min）。從圖1中可以看出，當(dāng)焊接溫度從580℃增加到590℃時(shí)，接頭強(qiáng)度從108MPa增加到了155MPa。而當(dāng)釬焊溫度繼續(xù)增加到600℃后，接頭強(qiáng)度反而呈降低的趨勢(shì)，從155MPa降低到了139MPa。釬焊溫度是影響釬焊接頭性能最重要的工藝參數(shù)之一，當(dāng)釬焊溫度較低時(shí)，釬料還未完全熔化，它的活性不足，未能完全潤(rùn)濕母材，同時(shí)釬料與母材間未產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，因此使得焊接接頭的強(qiáng)度較低。而當(dāng)焊接溫度過(guò)高時(shí)，則會(huì)造成焊接過(guò)程過(guò)于激烈，極易導(dǎo)致母材的燒蝕，這對(duì)接頭也會(huì)造成不利的影響。因此，選擇的最佳焊接溫度應(yīng)該為590℃。

圖2 釬焊時(shí)間與強(qiáng)度的關(guān)系

圖2顯示了焊接接頭強(qiáng)度與焊接時(shí)間之間的關(guān)系。從圖2中可以看出，當(dāng)焊接時(shí)間從5min增加到10min時(shí)，接頭強(qiáng)度從147MPa增加到了155MPa。此時(shí)，接頭強(qiáng)度的變化不大，而當(dāng)釬焊時(shí)間繼續(xù)增加到15min后，接頭強(qiáng)度反而呈降低的趨勢(shì)，從155MPa略微降低到了121MPa。釬焊時(shí)間對(duì)釬焊接頭性能的影響也不容忽視。當(dāng)焊接時(shí)間從10min增加到15min時(shí)，接頭強(qiáng)度急劇下降，這是因?yàn)殡S著焊接時(shí)間在此范圍內(nèi)的增加造成焊接組織晶粒的長(zhǎng)大，粗大的晶粒對(duì)接頭的強(qiáng)大造成了極大的不利影響,這從圖3和圖4所示的金相照片可以看出。隨著焊接時(shí)間的增加，晶粒明顯長(zhǎng)大。所以最佳的焊接時(shí)間選擇應(yīng)該在5～10min左右，從環(huán)保節(jié)能的方面考慮，應(yīng)選擇5min左右為宜。

圖3 焊接溫度590℃焊接時(shí)間5min時(shí)焊縫組織晶粒大小

圖4 焊接溫度590℃焊接時(shí)間15min時(shí)焊縫組織晶粒大小

2.2 組織分析

圖5 焊接組織SEM圖像

圖5顯示了最佳焊接工藝條件下，焊接區(qū)的SEM圖像。從圖5中可以看出，焊接層結(jié)合比較緊密，未出現(xiàn)孔洞及裂紋等缺陷，組織比較致密。從圖5中可以看出，有許多點(diǎn)狀顆粒物分布，這是生成的一些第二相顆粒，如圖5中A點(diǎn)部分所示。

圖6 焊接組織中顆粒的SEM圖像及能譜

對(duì)其進(jìn)行能譜分析，由圖6所示放大照片及能譜圖可知，這是形成的富Al相固溶體，固溶體的塑韌性良好，強(qiáng)度也比較高，這可以極大地增強(qiáng)焊縫的性能，使得焊縫組織剪切強(qiáng)度大大增加，這也與之前的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果比較吻合。

2.3 焊接機(jī)理研究

由于鋁在高溫下極易氧化，因此在焊接過(guò)程中易在母材表面形成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，由于氧化鋁的熔點(diǎn)超過(guò)2000℃，同時(shí)，它的性質(zhì)比較穩(wěn)定，這將極大地阻礙焊接過(guò)程的進(jìn)行。在焊接過(guò)程中，單純地依靠空氣保護(hù)條件是很難避免氧化層的產(chǎn)生的，在實(shí)際操作中必須借助一定的活化劑或者是采用焊劑。使用活化劑，是借助Mg或Bi等金屬活化劑。它去氧化層的機(jī)理如下：

而另一方面，鎂蒸氣能夠滲入膜下表層，因此可以與擴(kuò)散的硅一起形成低熔點(diǎn)的Al—Si—Mg系合金，釬焊時(shí)，該合金熔化從而破壞了氧化膜與母材的結(jié)合，使熔化的釬料得以潤(rùn)濕母材，在膜下母材上鋪展，并將表面膜浮起而去除。這就是為什么在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前要在爐內(nèi)準(zhǔn)備一定Mg粉的原因。

復(fù)合板的釬焊主要依靠板材間的流動(dòng)性，潤(rùn)濕性以及釬料的間隙填充能力。自制的釬料熔點(diǎn)低于母材熔點(diǎn)，在釬焊過(guò)程中可以完全熔化，較好地起到潤(rùn)濕板材的作用，使焊接區(qū)具有良好的流動(dòng)性及溶蝕性。從圖5所示的焊縫組織可以看到，母材與釬料之間反應(yīng)良好，形成良好的冶金結(jié)合，這對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能起到非常有益的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)釬焊的方法可以制備連接良好的2A50鋁合金接頭，得到的最佳工藝路線為釬焊溫度為590℃，釬焊時(shí)間為5min；

分析了焊接工藝對(duì)接頭性能的影響，焊接接頭與焊接工藝密切相關(guān)，當(dāng)焊接溫度由580℃增加到600℃的過(guò)程中，接頭強(qiáng)度先增加后下降；當(dāng)焊接時(shí)間為5～10min時(shí)，接頭組織晶粒較細(xì)小，接頭強(qiáng)度較高；當(dāng)焊接時(shí)間增加到15min時(shí)，接頭組織晶粒長(zhǎng)大，使得接頭強(qiáng)度降低。

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