任思蒙， 楊陽， 吳浩， 路麗英， 趙丕植， 宋小雨

(1.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司, 北京102209; 2.東北輕合金有限責任公司, 哈爾濱150001)

0 前言

5xxx系A(chǔ)l-Mg合金具有高比強度，同時作為不可熱處理強化鋁合金具有易于加工及較好的焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航天航空、軌道交通及海洋船舶等領(lǐng)域。近年來，隨著鋁合金的推廣，對其力學性能提出了更高的要求。研究發(fā)現(xiàn)，添加微量元素Sc可大大改善鋁合金的性能，可以提高鋁鎂合金的力學性能、焊接性能、耐熱性能和耐腐蝕性能，并可將鋁合金的再結(jié)晶溫度提高到450～550 ℃。然而，Sc的高價格限制了其應(yīng)用，在實際生產(chǎn)中，大范圍推廣高強鋁合金，往往通過加入少量的Sc同時再加入Zr，形成Al3(Sc,Zr)相提高材料性能[1-5]。

在焊接鋁合金時，熔化極惰性氣體保護焊(Metal inert-gas welding, MIG)因高效快速、操作簡單及成本低廉等優(yōu)點常常被用于鋁合金上，MIG以電極和母材之間產(chǎn)生電弧作為主要熱源，在高溫電弧的作用下，有益的低熔點合金元素如Mg，Zn等易被燒損。因此，研究電弧等離子的組成及溫度場分布，從而指導焊絲和母材合金元素的添加是十分有必要的。Chen等學者[6]采用Al-Mg-Zr和Al-Mg-Zr-Sc合金焊絲焊接Al-Mg-Sc合金，發(fā)現(xiàn)Al-Mg-Zr-Sc焊絲作為填充材料時，可使焊縫和熔合區(qū)的晶粒明顯細化，接頭力學性能高于Al-Mg-Zr焊絲；Yang等學者[7]在ER5356焊絲引入Sc，Zr及Er微量元素，對Al-5.6Mg-1.0Zn-0.6Mn合金進行焊接裂紋敏感性分析，Sc，Zr和Er含Ti)參與形核核心Al3(Sc，X)的生成。王東等學者[8]研究了ER5B06，ER5356和ER5A56焊絲對7A52鋁合金焊接接頭力學性能的影響，結(jié)果表明，采用Mg含量較高的5B06焊絲能有效彌補焊接冶金過程中造成的Mg元素燒損情況，形成的焊接接頭力學性能和焊接性能最佳。

采用ER5356，ER5B06和ER5B71焊絲對新型Al-Mg合金進行MIG焊接，探究焊絲及母材中添加Sc，Zr元素對新型Al-Mg合金焊接性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

焊接試驗選用母材為2 mm厚Al-Mg合金板材，采用φ1.2 mm焊絲ER5356，ER5B06和ER5B71進行MIG焊接。母材狀態(tài)為H32，規(guī)格為300 mm×100 mm×2 mm。試驗所用母材及焊絲化學成分見表1，母材力學性能見2。

表1 新型Al-Mg合金和焊絲化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 新型Al-Mg合金拉伸性能

1.2 試驗方法

MIG采用機械手進行焊接，保護氣體為99.999%氬氣，接頭形式為對接接頭，焊接方向沿軋制方向。焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 MIG工藝參數(shù)

焊后將工件沿橫截面用線切割機加工成金相試樣，采用JSM-7800F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對接頭組織和拉伸斷口進行觀察，采用 Fischer HM 2000 型顯微硬度儀沿焊縫中心(橫截面)測試維氏硬度，間隔0.5 mm，壓力荷載0.98 N，加載時間10 s。采用火花直讀光譜儀進行成分分析，在室溫條件下，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》在AG-X Plus-10 KN拉伸試驗機上進行，拉伸速度為3 mm/min，記錄抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率及斷裂位置。

2 試驗結(jié)果

2.1 電弧溫度場

焊接電弧是電場、磁場、流場多場耦合下產(chǎn)生的，是一種高溫、高速的等離子體流。電弧等離子體是由氣體介質(zhì)經(jīng)過電離后產(chǎn)生的電子、離子和再次復合后的原子構(gòu)成的。在電弧等離子體中，相對于其它粒子，電子質(zhì)量較小，在強電場的作用下，很容易獲得較大的初速度，經(jīng)過時間的積累和碰撞次數(shù)的增加，獲得一定能量的電子將部分能量傳遞給其它重粒子，使得重粒子獲得能量基本與電子相一致。這時，電子、離子和中性離子具有相同的特征溫度，等離子體就可像普通氣體那樣用統(tǒng)一的熱力學溫度來描述。圖1為氬弧溫度場分布云圖，由圖可知，電弧最高溫度超過20 000 K，高溫區(qū)分布在電弧中心區(qū)域，電弧溫度分布存在較大的溫度梯度[9]。在高溫電弧作用下，焊絲與母材充分燃燒并發(fā)生冶金反應(yīng)，在母材上形成熔池，冷卻后形成焊縫。

圖1 氬弧溫度場分布云圖

2.2 焊接接頭組織分布

添加不同焊絲的接頭及母材的EBSD組織如圖2所示。母材為加工態(tài)顯微組織，熔合區(qū)的組織形態(tài)不再是粗大的柱狀晶，而是由大量等軸晶組成的細晶組織，主要原因為在熔池的邊緣形成的高溫穩(wěn)定性強的Al3(Sc,Zr)作為異質(zhì)形核質(zhì)點，提高形核率，促進等軸晶形成。Al3(Sc,Zr)高溫質(zhì)點的來源有兩方面：一方面來源于焊絲，焊絲在電弧作用下形成細小熔滴，過渡到熔池內(nèi)部；另一方面來源于母材，電弧溫度遠高于母材熔點，在熔池邊部的少量母材熔化，使熔池獲得了由母材過渡的少量Sc,Zr合金元素。而熔池芯部發(fā)生渦流快速攪動[10]，邊部流速則較緩慢，Al3(Sc,Zr)高溫質(zhì)點隨著液態(tài)金屬的劇烈流動擴散到熔池邊部，在熔池的邊緣造成Al3(Sc,Zr)高溫質(zhì)點的聚集。采用ER5B71焊絲使補充到熔池中Al3(Sc,Zr)的異質(zhì)形核質(zhì)點的增多，該種焊絲形成的熔合區(qū)等軸晶區(qū)域擴大。熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)作用發(fā)生了部分再結(jié)晶。母材中添加的Sc,Zr形成的Al3(Sc,Zr)彌散分布在基體中,可穩(wěn)定晶界結(jié)構(gòu),抑制再結(jié)晶,并強化基體。

圖2 添加不同焊絲的接頭及母材的EBSD組織

圖3為添加不同焊絲的焊縫中心EBSD組織。焊縫與母材相比發(fā)生了較大的變化，組織分布為凝固組織，晶粒分布呈等軸晶，但3種焊絲形成的焊縫晶粒尺寸各異，對焊縫晶粒尺寸進行統(tǒng)計，如圖4所示。采用ER5356，ER5B06，ER5B71焊絲形成的焊縫平均晶粒尺寸為9.85 μm，8.24 μm，6.69 μm。

圖3 添加不同焊絲的焊縫中心EBSD組織

圖4 添加3種焊絲的焊縫晶粒尺寸

造成焊晶粒尺寸有較大的差異的原因是焊縫的結(jié)晶形態(tài)取決于焊縫金屬成分和冷卻條件，在相同焊接工藝下，焊縫的冷卻條件一致，接頭的差異主要由焊絲成分不同引起，在新型Al-Mg合金中雖添加了多種合金元素，但在焊接電弧高溫作用下，熔池內(nèi)有益合金元素易發(fā)生燒損，焊絲中Mg,Sc,Zr等元素能對焊接接頭起到補充作用。ER5B71焊絲添加Sc,Zr等元素，形成均勻、細小等軸晶。采用ER5356焊絲和ER5B06焊絲形成的接頭中心晶粒度較為不均勻，原因為僅靠母材中含有的Sc,Zr元素過渡到焊縫中，沒有充足的Al3(Sc,Zr)作為異質(zhì)形核質(zhì)點在熔池熔化和凝固階段擴散開來。

2.3 焊接接頭的析出相

圖5為添加不同焊絲的焊縫背散射電子形貌。該區(qū)域中存在大量的形狀不規(guī)則的白色析出相，均勻分布在基體上。表4為析出相對應(yīng)點元素分布。根據(jù)亮度和形態(tài)的不同，白色析出相可分為2種：一種為條形狀分布，根據(jù)EDS可推測為Al-Fe-Mg-Mn(Si)相；另一種呈圓球狀或塊狀分布，對應(yīng)EDS元素分析，可推測為Al3(Zr,Sc)復合相。

圖5 添加不同焊絲的焊縫背散射電子形貌

2.4 焊接接頭Mg含量

在焊接過程中，由2.1小節(jié)可知極高的電弧溫度很容易造成低熔點金屬元素Mg的燒損，但可依靠熔化的焊絲對焊縫進行Mg元素的補充，對3種焊絲形成的焊縫進行火花直讀光譜檢測，結(jié)果見表5。采用ER5B71焊絲形成的焊縫Mg元素含量最高，這是由于3種焊絲中，ER5B71焊絲中Mg元素添加最多，焊絲熔化后有充足的Mg元素過渡到熔池中，增強焊縫的固溶強化效果。

表4 圖5中各點元素分布(原子分數(shù)，%)

表5 焊縫區(qū)火花直讀光譜檢測結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.5 焊接接頭力學性能

采用不同焊絲形成接頭橫截面的顯微硬度分布如圖6所示。3組數(shù)據(jù)接頭硬度分布趨勢基本一致，接頭硬度曲線以中心為原點呈對稱分布。采用3種焊絲的焊縫硬度有所不同，ER5356焊絲、ER5B06焊絲和ER5B71焊絲形成焊縫的硬度平均值依次為81 HV，88 HV和90 HV，采用ER5B71焊絲形成的接頭硬度最高，這歸功于該種焊絲中含有較高Mg，Sc，Zr等元素，過渡到焊接接頭，對接頭性能有顯著的改善作用。采用3種焊絲的熱影響區(qū)的硬度差異不大，同時與母材硬度較接近。在相同焊接工藝即相同熱輸入下對母材造成的軟化程度大體一致。

圖6 采用3種焊絲的焊接接頭硬度分布

采用3種焊絲形成的焊接接頭拉伸性能見表6。無論采用哪種焊絲，焊接系數(shù)均高于70%。當采用ER5356焊絲時，接頭抗拉強度達到母材的74%；當采用ER5B71焊絲時，接頭抗拉強度最高，達到母材強度的83%，這不僅歸功于母材新型Al-Mg合金的優(yōu)良改性，同時采用的焊絲也添加了6.09%的Mg和微量元素Sc，Zr，焊絲和母材在化學成分上得到了很好的匹配，使得接頭強度進一步提高。獲得拉伸性能結(jié)果與硬度測試結(jié)果相一致。但無論采用哪種焊絲，接頭斷裂位置均發(fā)生在焊縫，焊縫是整個接頭最薄弱區(qū)域。

表6 接頭拉伸性能

2.6 斷口形貌

圖7為不同焊絲的焊縫在拉伸試驗下形成的斷口形貌，圖8為斷口EDS能譜。可以看出均為韌性斷裂，斷口存在大量的韌窩， 采用ER5B71焊絲的斷口韌窩更細小，更均勻，說明該焊絲形成的焊接接頭強度和韌性更優(yōu)。在3種焊絲形成的斷口位置進行多處能譜分析，結(jié)果顯示斷口成分主要以Al，Sc，Zr等元素為主，推測是由接頭中第二相粒子與基體結(jié)合力較差，在拉應(yīng)力作用下最先開裂，最終導致焊縫斷裂失效。

圖7 不同焊絲的接頭斷口形貌

圖8 斷口EDS能譜

3 分析與討論

MIG產(chǎn)生的電弧等離子體溫度極高，電弧瞬間所產(chǎn)生的熱量熔化焊絲，形成的細小熔滴過渡到熔池中，熔池經(jīng)歷短暫、快速、不均勻的凝固過程形成固態(tài)焊縫，焊縫凝固類似于鑄造過程，其組織和成分存在不均勻性，可依靠調(diào)節(jié)焊絲成分來改善接頭組織，從而提升接頭性能。

對于新型Al-Mg合金，母材中加入較高的Mg元素和Sc，Zr微量元素提升母材性能，但焊接過程發(fā)了金屬重熔和再凝固，焊接接頭強度的提升方法主要依靠固溶強化和細晶強化?？紤]到焊接過程中高溫電弧會對低熔點元素Mg，Zn等造成一定程度的燒損，若焊絲中添加一定的Mg即ER5356焊絲，可加強接頭中固溶強化機制，但Mg添加過少固溶強化效果不佳，同時接頭中晶粒大小分布極為不均，材料焊后接頭性能仍得不到較大提升；若在焊絲中提升Mg含量，同時復合添加微量Ti元素即ER5B06焊絲，接頭組織和性能相對焊絲只加入一定的Mg元素有所改善和提高，但由于Al3Ti質(zhì)點為DO22晶格結(jié)構(gòu)，且與Al基體的錯配度為4.3%，使接頭組織的晶粒未得到充分細化，細晶強化機制未得到充分發(fā)揮導致接頭性能扔不理想；在焊絲添加高Mg復合Sc，Zr微量元素即ER5B71焊絲，焊絲熔化后充足的Mg，Sc，Zr元素過渡到接頭中，有效增強了接頭固溶強化機制，同時形成的高溫質(zhì)點Al3(Sc,Zr)為 LI2晶格結(jié)構(gòu)，與Al基體僅存在約1.04%的錯配度，熔池溶體凝固過程中，Al3Zr首先在溶體中析出，然后在Al3Zr質(zhì)點上再析出Al3Sc，Zr富集在質(zhì)點的中心，Sc包裹在Al3Zr的外層，形成的Al3(Sc,Zr)穩(wěn)定復合相降低了達到形核臨界尺寸所需的Sc含量，初始晶粒在足量有效的Al3(Sc，Zr)粒子上外延生長，形成均勻細小的晶粒組織[11]，在相同體積的金屬材料中，晶粒細小形成高密度晶界，大量的晶界阻礙位錯運動從而提高接頭力學性能。

ER5B71焊絲在成分設(shè)計上與母材最為接近，采用該種焊絲焊接新型Al-Mg合金得到了良好的匹配，但熱影響區(qū)和母材仍以回復組織為主，母材的形變強化、固溶強化和可能存在的彌散析出強化等多種聯(lián)合強化效應(yīng)遠高于焊縫的固溶強化和細晶強化效應(yīng)，相應(yīng)的焊縫硬度低于其它位置，焊縫成為整個接頭最薄弱區(qū)域從未先發(fā)生斷裂[12]。

3種焊絲采用的焊接工藝均為MIG，焊接電流、焊接速度等產(chǎn)生的焊接熱輸入形同，由于母材中加入了Sc,Zr微量元素，形成的Al3(Sc,Zr)等納米彌散相能強烈釘扎位錯及晶界，能有效抑制材料再結(jié)晶發(fā)生[13]，削弱了焊接熱循環(huán)造成的合金軟化效應(yīng)，熱影響區(qū)硬度值與母材硬度值相接近。可見，母材中添加微量Sc,Zr元素，能顯著改善合金的焊接接頭組織，提高合金焊接性能。

4 結(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬方法建立MIG電弧模型，計算電弧等離子體溫度場分布，電弧最高溫度可達20 000 K以上，電弧中心區(qū)域溫度最高。

(2)使用ER5356，ER5B06，ER5B71焊絲對新型Al-Mg鋁合金進行MIG焊接，Al3(Sc,Zr)在焊縫凝固中形成高溫異質(zhì)形核質(zhì)點，焊縫和熔合區(qū)晶粒不同程度得以細化。其中，ER5B71焊絲獲得的焊縫接頭細化效果最佳。

(3)采用焊絲ER5B71獲得的接頭力學性能最優(yōu)，焊接系數(shù)為83%。3種焊絲接頭熱影響區(qū)硬度接近于母材，母材中微量Sc和Zr元素的添加，形成Al3(Sc,Zr)等相起到釘扎位錯作用，提高熱影響區(qū)抗軟化能力，Al-Mg合金材料焊接性能得到較大提升。

(4)焊接接頭拉伸試驗斷裂位置均在焊縫，3種接頭拉伸斷口有明顯的韌窩，呈韌性斷裂，其中采用ER5B71焊絲形成的斷口韌窩最細小均勻，韌性最優(yōu)。