Al-12.7Si-0.7Mg合金焊接熱裂紋傾向性研究

王 東，何長樹，王 浩，劉 建，趙 驤，左 良(.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 089；.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 66)

Al-12.7Si-0.7Mg合金焊接熱裂紋傾向性研究

王 東1，何長樹1，王 浩1，劉 建2，趙 驤1，左 良1
(1.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266111)

在不填絲的情況下，采用自動TIG焊對Al-12.7Si-0.7Mg合金熱擠壓型材進行魚骨狀裂紋試驗.通過目測、金相觀察、EDS分析、顯微硬度測定等方法研究了該合金的焊接熱裂紋傾向性及焊接接頭顯微組織與硬度分布.結果表明：焊縫表面與內部均未發現裂紋，合金焊接熱裂紋傾向性低.焊縫區是母材在焊接熱作用下熔化后激冷形成的鑄態組織，主要由α-Al、Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含Fe相等金屬間化合物構成。經T6處理后，焊縫區中呈密集纖維狀的共晶硅粒狀化.顯微硬度測試結果顯示焊態接頭焊縫區硬度最高，熔合區急劇下降，在熱影響區達到最低，經T6處理后，接頭各區顯微硬度整體提升，且波動較小.

Al-12.7Si-0.7Mg合金； TIG焊；焊接熱裂紋傾向性；顯微組織

鋁硅合金具有低密度、高耐磨性、導熱性好、低熱膨脹系數等諸多優點，被作為鑄造合金廣泛地應用于發動機、汽車、航空航天等領域[1～4].然而，硅含量高的鑄造鋁硅合金由于脆性初生硅或共晶硅的存在使合金變形困難，一般不作為變形合金使用[5,6].本文以東北大學自主研發的Al-12.7Si-0.7Mg合金為研究對象，在不添加任何變質劑的條件下通過半連續鑄造改善鋁硅合金凝固組織、細化共晶相及初生硅相，制備了具有顯著細化組織的合金鑄錠，通過熱擠壓成功實現了Al-12.7Si-0.7Mg合金的熱變形[7].與當前廣泛應用的6063合金相比，在相同的熱處理狀態下，Al-12.7Si-0.7Mg合金具有更加良好的力學性能和廣闊的應用前景[8].作為一種新的合金，研究其焊接性對于該合金的推廣應用是十分必要的.

焊接性是金屬材料，包括鋁及鋁合金的一項非常重要的性能指標.材料焊接性是否良好，是影響焊接工藝難易簡繁、產品質量優劣、經濟效益高低的重要因素.一般來說，在開發一種新合金或為新結構選用新材料時必須進行焊接性實驗.焊接裂紋試驗方法是工藝焊接性的直接實驗法中的主要內容[9].焊接裂紋是一種不被允許的缺陷，因此，開發新合金及研制新結構時，焊接裂紋傾向性試驗常成為首要的焊接性試驗項目[10].

魚骨狀裂紋試驗主要用于評定鋁合金、鎂合金和鈦合金的薄板(1～3 mm)焊縫及熱影響區的熱裂紋敏感性[9].本文通過魚骨狀試件焊接裂紋實驗法研究了Al-12.7Si-0.7Mg合金擠壓型材的焊接熱裂紋傾向性，對于這種含鎂高硅變形鋁合金的推廣應用具有重要的實際意義.

1 實驗材料及方法

在3 mm厚Al-12.7Si-0.7Mg鋁合金熱擠壓型材上切取如圖1所示尺寸為90 mm×50 mm×3 mm的試板(試板長度方向平行于熱擠出方向).按圖1所示尺寸在薄板上利用線切割加工出深度逐漸增加的切口，以造成沿試板長度方向上不同的拘束度，切口間距和寬度分別為9 mm和1 mm，切口越長，該處拘束度越小.從A端到B端拘束度逐漸減小，焊接方向為從A到B.

圖1 魚骨狀試件尺寸/mmFig.1 Size of the fish-bone specimen

焊前用丙酮清潔試板表面的油污并用打磨工具清除其表面氧化膜.所用焊機為CLOOS GLW 300 I-H-P-R 型TIG焊機.焊接時采用不填絲自動TIG焊，沿著試板中心線從A端到B端熔融出一條焊縫.焊接工藝參數為：焊接電流70～80 A，交流頻率70 Hz，焊接速度180 mm/min，氬氣流量15 L/min.焊后通過測量和統計焊縫裂紋長度來評價合金的焊接裂紋敏感性.檢查方法為目測，試驗合金的結晶裂紋傾向C1和液化裂紋傾向C2可以按下式計算：

C1=L1/L

(1)

C2=L2/L

(2)

式中：L1為結晶裂紋長度之和；L2為液化裂紋長度之和；L為焊道總長度.針對鋁合金裂紋傾向性指標，要求C1≤10%，C2=0，即可認定材料的焊接裂紋傾向性低，焊接性良好[10,11].

利用OLYMPUS金相顯微鏡觀察距離焊接初始端10 mm處焊縫橫斷面各區域微觀組織，腐蝕液選用新配置的Dix-Keller試劑(體積比為HF∶HCL∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190).利用JEOL JSM-7001F掃描電子顯微鏡對焊縫區進行了形貌觀察，并對金屬間化合物進行了EDS分析.同時利用Wilson-Wolpert 401 MVD維氏顯微硬度計從焊縫中心向母材方向逐點測量各區顯微硬度(載荷25 g，加載時間10 s).將觀察后金相試樣進行T6處理，即在鹽浴爐中進行520 ℃固溶處理1.5 h，水淬，然后在馬弗爐中進行180 ℃時效3 h處理.對T6處理后的試樣進行金相觀察與顯微硬度測定.

圖2 魚骨試樣熱裂試驗樣品形貌Fig.2 Optical morphologies of the fish-bone specimens

2 結果及討論

魚骨狀裂紋試驗結果如圖2所示，經過嚴格的目視檢測，四個樣品焊縫表面均不存在裂紋，即使在拘束度最大的焊接初始端，也沒有發現裂紋，即C1=C2=0.因此，可認定Al-12.7Si-0.7Mg合金的焊接裂紋傾向性低，焊接性良好.

為了防止在目視檢測中遺漏可能存在的裂紋，取2#試件距焊接初始端10 mm處橫斷面進行金相觀察，此處拘束度最大，如果焊接材料的焊接裂紋傾向性大，則易于在此處產生裂紋.通過金相觀察分析各區域顯微組織，重點觀察其焊縫上部是否存在裂紋.

圖3為魚骨狀焊接試件橫斷面宏觀與微觀組織.在焊縫低倍組織中沒有發現裂紋，在焊縫區存在少量氣孔.由圖3知，經不填絲焊接后的焊縫，其焊接區域分為焊縫區、熔合區和熱影響區.焊縫區主要由母材在焊接熱作用下熔化后凝固結晶組織構成，焊縫區組織主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量金屬間化合物構成.圖4為焊縫區SEM形貌及金屬間化合物EDS分析結果，可以看到呈魚骨狀或漢字狀的黑色相為Mg2Si相，呈長條狀的淡灰色相為含Fe相.焊縫中心晶粒較粗大，呈等軸晶狀，如圖3(d)所示.焊縫區靠近熔合區一側晶粒呈柱狀，且沿著散熱方向具有一定的方向性，如圖3(e)所示.焊接接頭靠近焊縫邊緣有一條很窄的熔合區，熔合區靠近焊縫一側為沿著散熱方向排列的柱狀晶，且熔合線處α-Al晶粒粗大，如圖3(b)、(c)和(f)所示.從熔合區到焊縫中心，溫度梯度逐漸減小，結晶速度逐漸增加，α-Al晶粒從柱狀晶逐漸變為等軸晶.圖3(g)和(h)分別為熱影響區和母材區，可以看到，與母材區相比，熱影響區Si顆粒在焊接熱的影響下發生了明顯粗化.

圖3 魚骨狀焊接試件焊縫橫斷面宏觀與微觀組織Fig.3 Macro and micro structure on cross section of the fish-bone sample (a)—焊縫宏觀形貌; (b)—左側熔合區; (c)—右側熔合區; (d)—焊縫中心; (e)—靠近熔合區的焊縫區; (f)—熔合區; (g)—熱影響區; (h)—母材區

從魚骨狀試件焊接裂紋試驗的結果得知，在無填絲的情況下，試件焊縫表面與內部均未產生結晶裂紋和液化裂紋.距焊接起始端10 mm處(此處拘束度最大)焊縫橫斷面宏、微觀組織觀察結果顯示，焊縫區存在少量氣孔，但未發現顯微裂紋.這與Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si 元素的含量有關，Si能夠有效地改善鋁合金的流動性.在鋁硅合金中，隨著硅含量的增加，合金結晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應減小，根據生產經驗，當含硅質量分數5%～6%時基本不產生熱裂.Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si的質量分數達到12.7%，流動性良好，焊接裂紋傾向性低.

圖5為T6處理(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)后焊縫橫斷面的金相組織.由圖3(d)和5(a)可以看出， T6處理之前，焊縫區中密集纖維狀的共晶硅存在于樹枝晶之間，呈網絡化分布.經T6處理后，共晶硅連續網狀分布的特征消失，密集纖維狀共晶硅粒狀化. 由圖5(b)可知，熔合區靠近焊縫區一側共晶硅變化與焊縫區相似，由密集纖維狀變為粒狀.熔合區靠近熱影響區一側，硅顆粒明顯地粗化.由圖5(c)和(d)可以看出，經T6處理后，熱影響區與母材區內硅顆粒邊緣圓角化、鈍化，形態趨于粒化.

圖6為焊態(As-welded)及T6處理后(T6-treated)焊接接頭不同區域顯微硬度分布.由圖6可知，焊態接頭顯微硬度值在焊縫區達到最高, 在熔合區急劇下降, 在熱影響區達到最低并形成變化平緩臺階.經T6處理后，焊接接頭各區硬度大幅度地提升，且各區域硬度波動較小.

圖4 魚骨狀焊接試件焊縫區SEM形貌及金屬間化合物EDS分析結果Fig.4 SEM micrograph and EDS spectra of the intermetallic phases in weld zone

圖5 T6處理后焊縫橫斷面金相組織(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)Fig.5 Microstructures of T6-treated welded joint (a)—焊縫中心; (b)—熔合區; (c)—熱影響區; (d)—母材區

圖6 焊態及T6處理后焊接接頭顯微硬度分布Fig.6 Micro-hardness distribution of as-welded and T6-treated joints

3 結 論

(1)Al-12.7Si-0.7Mg合金擠壓型材不填絲焊縫表面未發現結晶裂紋和液化裂紋，該合金抗熱裂性能良好，焊接裂紋傾向性低.

(2)焊接接頭焊縫區組織主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含Fe相等金屬間化合物構成.經T6處理后，焊縫區呈密集纖維狀的共晶硅粒狀化.

(3)顯微硬度測試結果顯示，焊態接頭焊縫區的硬度最高, 到熔合區硬度急劇下降, 熱影響區的硬度值最低.經T6處理后，焊接接頭各區硬度大幅度的提升，且各區硬度波動較小.

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ResearchonhotcrackingsusceptibilityofAl-12.7Si-0.7Mgalloy

Wang Dong1, He Changshu1, Wang Hao1, Liu Jian2, Zhao Xiang1, Zuo Liang1

(1.Key Laboratory of Anisotropy and Texture of Materials (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, China;2.Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd., Qingdao 266111, China)

Fish-bone cracking test was carried out on the hot extruded Al-12.7Si-0.7Mg alloy by using automatic TIG welding method without filler metal. The hot cracking susceptibility of the alloy and microstructures as well as micro-hardness distribution of the welded joint were studied by visual inspection, optical microscopy, EDS spectra analysis and micro-hardness test. The results showed that there is no cracking found on surface or in interior of the welded joint, the hot cracking susceptibility is low. The weld zone is a typical casting structure formed during the weld solidification affected by the welding heat input. The weld zone is mainly composed ofα-Al, Al-Si eutectic phase and a few of intermetallics phases (Mg2Si, Fe-containing phase) precipitated in the interdendritic regions. Treated by T6, the fibrous eutectic Si in the weld zone is spheroidized. Distribution of the micro-hardness showed that the hardness of as-welded joint gets maximum values in the weld zone, drops rapidly in the fusion zone and reaches minimum values at the heat affected zone. Treated by T6, hardness on the joints increases entirely and stably.

Al-12.7Si-0.7Mg alloy; TIG welding; welding hot cracking susceptibility; microstructure

2013-11-19.

國家科技支撐計劃項目(節約型高硅變形鋁硅合金生產工藝開發與示范，2009BAE80B01)；國家科技支撐計劃項目(高速列車關鍵材料及部件可靠性，2009BAG12A07-B02)；長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT0713).

王東(1985—)，男，東北大學博士研究生,E-mail:dwwinter@126.com; 趙驤(1956—)，男，東北大學教授，博士生導師; 左良(1963—)，男，東北大學教授，博士生導師.

TG 457.14

A

1671-6620(2014)04-0266-06