陳 巖，路麗英，蔡 雨，毛曉東

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209)

隨著航空、航天及艦船領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)材料的綜合性能要求也越來(lái)越高。結(jié)構(gòu)輕量化不僅可以提高大型航天器、艦船等的機(jī)動(dòng)化水平，而且可以提高能源利用率，是節(jié)能環(huán)保的有效途徑[1]。5×××系鋁合金具有中等強(qiáng)度、可焊性和耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能而被廣泛應(yīng)用到航空、航天、艦船等領(lǐng)域。航空、航天、艦船用戶需用更高強(qiáng)度的合金材料[2]，通過(guò)用焊接結(jié)構(gòu)替代鉚接結(jié)構(gòu)等方式來(lái)達(dá)到減重的目的[3-4]。

本試驗(yàn)以4 mm厚的Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.122Zr合金板材為母材進(jìn)行TIG焊接試驗(yàn)，焊絲為直徑1.6 mm的ER5E61、ER5B71鋁合金焊絲，對(duì)比分析這兩種焊絲作為填充材料對(duì)焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.12Zr合金板材(母材)狀態(tài)為H32態(tài)，試板尺寸為3 000 mm×150 mm×4 mm。母材、焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

焊接方式采用平板對(duì)接，在不開坡口的前提下對(duì)4 mm厚的板材采用單面焊雙面成形技術(shù)。焊前對(duì)預(yù)焊接位置進(jìn)行打磨，去除板材表面氧化膜、油污等雜質(zhì)，板材間留2 mm左右間隙，并用夾具固定，進(jìn)行手動(dòng)TIG填絲焊接，保護(hù)氣體為99.99%的Ar氣，氣體流量為20 L/min,焊接電流為140 A。

焊后采用鋸切方式沿垂直于焊接接頭方向截取金相試樣、硬度試樣和拉伸試樣，并對(duì)焊接接頭組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊絲及母材的組織

圖1為ER5B71、ER5E61鋁合金焊絲偏光組織及金相組織圖片?？梢钥闯?，兩種焊絲組織均勻，析出物主要呈斷續(xù)狀沿晶界分布，化合物的形貌呈現(xiàn)塊狀或不規(guī)則多邊形形狀。

圖1 兩種焊絲的組織

圖2為母材組織。可以看出，板材為明顯的長(zhǎng)條纖維狀組織。板材的力學(xué)性能如表2所示。

圖2 Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.122Zr鋁合金板材組織照片

表2 母材的力學(xué)性能

2.2 焊接接頭的組織

2.2.1 ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭的組織

焊接接頭分為熱影響區(qū)(HAZ)、熔合區(qū)(FZ)、焊縫區(qū)(WZ)。ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭焊縫中心組織為粗大的典型的鑄態(tài)組織，如圖3所示。對(duì)ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭各區(qū)域晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

圖3 ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭偏光組織

表3 ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭各區(qū)域晶粒尺寸(μm)

由于母材中Er元素的存在提高了再結(jié)晶溫度，在焊接熱循環(huán)的作用下，抑制再結(jié)晶，抑制了母材熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大[5-6]。

圖4為焊接接頭SEM。可以看出，焊縫中第二相分布比較均勻，焊縫中心均勻地分布著含Mg相。

圖4 ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭SEM形貌

2.2.2 ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭組織

圖5為ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭的偏光組織照片。ER5B71鋁合金焊絲中復(fù)合添加了Sc、Zr元素，焊縫中心區(qū)域是由平均晶粒尺寸為23.3 μm的大小不同的等軸晶組成，焊縫區(qū)晶粒明顯細(xì)化。這是由于焊絲中復(fù)合添加Sc 、Zr元素，組織中析出的Al3(Sc,Zr)粒子的晶格類型(LI2)及晶格常數(shù)[7]與鋁基體的極為相似，錯(cuò)配度極小，焊絲熔化進(jìn)入焊縫中能起到較好的晶粒細(xì)化作用[8]。

圖5 ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭的偏光組織

焊接接頭各區(qū)域晶粒尺寸列于表4。

表4 ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭各區(qū)晶粒尺寸(μm)

圖6為ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭SEM。焊縫中第二相分布比較均勻，為富含Mg元素的相，與ER5E61鋁合金焊絲得到的焊縫中心位置含Mg相的尺寸相當(dāng)。Al3(ScZr)粒子尺寸較小，彌散分布在焊縫基體中，SEM并未發(fā)現(xiàn)細(xì)小Al3(ScZr)粒子。

圖6 ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭SEM形貌

2.3 焊接接頭的力學(xué)性能

表5為焊接接頭的力學(xué)性能。由表5可以看出，ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭比ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都高，其中抗拉強(qiáng)度高8 MPa，屈服強(qiáng)度高5 MPa，伸長(zhǎng)率提高2.04%。

表5 焊接接頭的力學(xué)性能

圖7為兩種焊絲焊接接頭硬度曲線。由圖7可以看出，焊接接頭焊縫中心位置硬度最低，母材位置硬度最高。其中ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭硬度最小值為82.3 HV，最大值為95.2 HV；ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭硬度最小值為73.9 HV，最大值為93.4 HV。

圖7 焊接接頭硬度曲線

由于ER5B71鋁合金焊絲中Sc、Zr在焊縫中形成的Al3(ScZr)相作為焊縫金屬的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，起強(qiáng)烈細(xì)化晶粒的作用。在同等焊接電流條件下，ER5B71鋁合金焊絲焊接的焊縫中心平均晶粒尺寸為23.33 μm，ER5E61鋁合金焊絲焊接的焊縫中心平均晶粒尺寸為55.4 μm。

3 結(jié) 論

1)母材中Er元素的存在，提高了再結(jié)晶溫度，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大得到了抑制。

2) 采用ER5E61和ER5B71鋁合金焊絲焊接Al-6Mg-0.7Mn-0.2Er-0.12Zr合金板材均可以得到性能較高的焊接接頭，ER5B71鋁合金焊絲焊接接頭力學(xué)性能均高于ER5E61鋁合金焊絲焊接接頭的，其中抗拉強(qiáng)度高8 MPa，屈服強(qiáng)度高5 MPa，伸長(zhǎng)率提高了2.04%。

3)ER5B71鋁合金焊絲中的Sc元素進(jìn)入焊縫中，使得焊縫組織中析出的 Al3(Sc,Zr)粒子起到了明顯細(xì)化晶粒的作用，從而提高了焊接接頭的力學(xué)性能。