陳圣龍，武子琴，朱晉良，王立偉，2＊，梁志敏，2

1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北石家莊 050018

1 序言

7N01屬于Al-Zn-Mg系鋁合金，不但其硬度、剛度很高，而且也具有耐蝕性優(yōu)良、易成形和密度較低等一系列的特點(diǎn)[1]，在焊接中被廣泛地應(yīng)用于海洋船舶、航空航天、工業(yè)建筑等各個(gè)不同領(lǐng)域中[2-4]。雖然7N01有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，但在焊接過程中也容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等較為典型的焊接缺陷，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)因熱影響區(qū)軟化而造成的鋁合金焊接接頭力學(xué)性能下降的問題[5，6]。分析其原因，是由于焊接的熱輸入過高，即焊接時(shí)需要足夠的熱輸入量來熔化母材和焊料，而較高的熱輸入量會(huì)使焊接接頭發(fā)生軟化，其硬度和剛度明顯下降，力學(xué)性能也會(huì)顯著降低，因而使其在焊接的應(yīng)用中受到很大的限制。而冷金屬過渡技術(shù)（CMT）可以彌補(bǔ)上述不足，其具有焊接熱輸入量較低、無飛濺、焊后變形較小、焊接效率較高，焊縫成形良好等優(yōu)點(diǎn)[7，8]。CMT焊接不僅能夠保證其完全焊透，降低熱裂紋出現(xiàn)的可能，且其影響區(qū)的軟化也會(huì)減少，因而可以提高其力學(xué)性能[9]。

2 材料與方法

本次試驗(yàn)是采用冷金屬過渡技術(shù)（CMT）進(jìn)行平板對(duì)接的多層多道焊，對(duì)接間隙為1.5mm，采用單邊35°V形坡口（見圖1），母材為T4狀態(tài)（固溶處理加自然時(shí)效）下的7N01鋁合金材料，其中母材的幾何尺寸為350mm×300mm×12mm。選用的焊絲牌號(hào)為ER5356、φ1.2mm，保護(hù)氣為高純氬氣。母材7N01鋁合金和焊絲ER5356的化學(xué)成分見表1。焊接時(shí)采用三層四道焊，其中第一道（S1）為打底焊，第二道（S2）為填充焊，第三、四道（S3、S4）為蓋面焊，具體的焊接參數(shù)見表2。在對(duì)接頭進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)時(shí)，是以焊縫中心為基點(diǎn)，測(cè)量間距為：焊縫外1mm，焊縫內(nèi)0.5mm，總共測(cè)量6條，分別為中間，從內(nèi)到外每條距離1.8mm。焊后拉伸試樣按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》中的標(biāo)準(zhǔn)加工后再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，具體尺寸如圖2所示。對(duì)焊后的7N01多層CMT接頭進(jìn)行金相、硬度和拉伸試驗(yàn)等，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析研究焊后接頭的微觀組織和力學(xué)性能。

圖1 坡口形式

圖2 拉伸尺寸

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 金相顯微組織結(jié)果與分析

焊后的焊接接頭金相組織如圖3所示，從圖中可明顯看出，各個(gè)焊道的分界線明顯，整體圖呈現(xiàn)“碗狀”，同時(shí)可清楚觀察到每條焊縫的金相組織，且金相中的晶粒從上往下逐漸變細(xì)，且焊接接口能夠分為三個(gè)晶區(qū)，即細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。

圖3 焊接接頭金相組織

細(xì)晶區(qū)形成的原因是在焊接過程中，附近的母材區(qū)溫度比其低，焊縫向母材方向散熱，靠近焊縫的母材區(qū)（即熱影響區(qū)）因吸收熱量而變得粗大，從而使熱影響區(qū)的晶粒比原始母材的晶粒更加粗大；此外，由于母材吸收了部分熱量，所以使得焊縫和母材接觸的表面層溫度比焊縫溫度更低，具有較大的過冷度。同時(shí)，母材是一個(gè)非均勻結(jié)構(gòu)，在表層區(qū)會(huì)立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向四面八方生長(zhǎng)，晶核的數(shù)量足夠多，但空間有限，生長(zhǎng)受到抑制，從而在靠近母材的表層區(qū)形成一層很薄的等軸晶粒區(qū)，即細(xì)晶區(qū)。細(xì)晶區(qū)的晶粒十分細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能很好。

柱狀晶區(qū)形成的原因是在表層細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，一方面母材的溫度升高，另一方面因?yàn)榻饘倌毯髸?huì)收縮，使細(xì)晶區(qū)和母材分離形成一空氣層，給中間的散熱造成困難，并且在細(xì)晶區(qū)的形成過程中也會(huì)釋放出熱量，這會(huì)使溫度梯度變得平緩，所以在此區(qū)域無法再次形核，主要靠晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大，并且在垂直于母材方向散熱最快，因此晶體沿其相反方向擇優(yōu)成長(zhǎng)形成柱狀晶區(qū)。

中心等軸晶區(qū)的形成，隨著柱狀晶的生長(zhǎng)、熔池的散熱，使焊縫中心部分的液態(tài)金屬溫度降至熔點(diǎn)以下，由于液態(tài)金屬中存在的雜質(zhì)，滿足了形核條件，于是在整個(gè)剩余金屬液體中開始形成晶核，晶粒在各個(gè)方向上自由生長(zhǎng)，最終形成中心等軸晶。

圖4中為焊接接頭的焊腳位置金相，焊腳為焊縫表面與母材的交界處。通過圖片可以清楚地分辨出焊縫和母材，母材呈細(xì)長(zhǎng)條狀，平行且較為均勻，焊縫表面為細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)，相對(duì)細(xì)小且大小不均分布明顯。

圖5為焊縫金相，焊接采用的是三層四道焊。從圖中可以看出，焊道的分布明顯，從上到下晶粒逐漸變小，這是因?yàn)楹笠坏赖臋C(jī)械作用會(huì)導(dǎo)致前一道被拉長(zhǎng)，所以底部晶粒變的細(xì)小，焊縫晶粒都為等軸晶粒。

圖4 焊腳

圖5 焊縫

圖6為熔合線金相組織。熔合線是焊接接頭橫截面宏觀腐蝕所顯示的焊縫輪廓線，它是焊縫金屬與母材的分界線。從圖中可見，熔合線左右兩側(cè)晶粒差異明顯，熱影響區(qū)的晶粒較母材粗大，但依然保留著板條狀。

圖6 熔合線金相組織

3.2 硬度試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7為焊接接頭的上中下三部分維氏硬度分布曲線，從圖中橫向?qū)Ρ葋砜?，可以明顯地看出焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分的硬度值不同，焊縫區(qū)的硬度值最高，熱影響區(qū)的硬度值最低，但就整個(gè)焊接接頭來看，硬度最高的部分還是來自于母材區(qū)。由圖7數(shù)據(jù)可得出，7N01的硬度值約為135HV。

從圖7縱向?qū)Ρ葋砜矗缚p區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分還是比較均衡的，但是每道打點(diǎn)線的最低硬度值都有差別，其中底部（見圖7a）的打點(diǎn)線的最低硬度值為71HV，中間（見圖7b）的打點(diǎn)線的最低硬度值為73HV，頂層（見圖7c）打點(diǎn)線的最低硬度值為75HV，且三個(gè)部分的最低硬度值所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。同時(shí)由金相觀察可知，該處的晶粒較為粗大，因此該處的硬度和韌性較低，且底部的最低硬度值最低，從下往上最低硬度值是逐漸增大的，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)在焊接過程中吸熱，所以導(dǎo)致了晶粒粗大。由金相觀察可以很明確地看到，熱影響區(qū)的金相從下到上晶粒由粗大變得細(xì)小，從而印證了該地方的最小硬度值從頂部到底部逐漸減小。

圖7 焊接接頭硬度

3.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8a為拉伸試樣，由圖8可明顯看出，試樣斷裂的位置為熱影響區(qū)。圖9為CMT焊后獲得的7N01鋁合金焊接接頭的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，抗拉強(qiáng)度平均值為260.2MPa，7N01鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為440MPa，試件的斷面收縮率為4%。

圖8 拉伸試驗(yàn)斷裂位置

圖9 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

為了研究7N01鋁合金多層CMT焊接接頭拉伸試驗(yàn)的斷裂機(jī)制，對(duì)拉伸后的斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。圖10為拉伸試件的斷口形貌，存在很多大小不一的韌窩，且韌窩的深淺程度不一，斷口形貌表現(xiàn)為韌性斷口。

由圖中韌窩可以判斷出其為一個(gè)典型的韌性斷裂，仔細(xì)觀察圖10可發(fā)現(xiàn)，就韌窩數(shù)量而言，中間的韌窩數(shù)量要多于兩邊的韌窩數(shù)量，且熱影響區(qū)的韌窩要比焊縫區(qū)淺。由于焊接過程中熱影響區(qū)吸熱，使其晶粒變得粗大，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域韌性下降，熱影響區(qū)成為焊接接頭中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

圖10 拉伸斷口形貌

4 結(jié)束語(yǔ)

1）7N01鋁合金多層CMT焊接接頭層道分界線明顯，整體呈“碗狀”；焊縫分為細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)，從上至下晶粒逐漸變細(xì)，熱影響區(qū)的晶粒較母材晶粒更粗大，但依然保留著板條狀形態(tài)。

2）焊接接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度分布較為均衡，在很大程度上可以減弱容易軟化的問題。焊縫底部的硬度值最低，從下向上硬度值逐漸增大。

3）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為260.2MPa，斷面收縮率為4%，斷裂位置為熱影響區(qū)。拉伸斷口上存在大小、深淺不一的韌窩，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，且由韌窩數(shù)量分布可以得知熱影響區(qū)最為薄弱。