2A50鋁合金焊接接頭的制備及組織性能分析

許必玉，龔秋，周六軍，喻穎

（1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 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.湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410117）

通過釬焊的方法對2A50鋁合金板搭接接頭進行了制備。應用SEM及金相顯微鏡觀察了焊接的組織和界面結構。對釬焊接頭試樣進行剪切實驗，并分析了焊接溫度、焊接時間對材料性能的影響。結果表明，焊接界面連接過度良好，焊接接頭與焊接工藝密切相關，得到的最佳工藝路線為釬焊溫度為590℃，釬焊時間為5min。

2A50鋁合金；釬焊；焊接工藝

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

目前，國內的大型飛行器的外殼以及內部壁板、隔板等部位材料無法通過一次軋制成型，主要通過板材與板材間的焊接來獲得大型板材以及復雜形狀的構件。如今對飛行器上復雜零件的焊接主要有熔焊、電子束焊、激光焊等，但是該類方法會產生大量焊接熱裂紋，同時使得焊接接頭軟化，得到的接頭強度系數只有50%～60%。

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

1 實驗

1.1 實驗原料及設備

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，在管式爐中進行焊接。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 釬焊過程

焊前對母材進行表面處理，首先機械刮擦，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。

釬焊時將母材放于準備好的工藝盒中，并準備一定的Mg粉置于母材周圍之后開始進行釬焊。焊接完成后將材料取出，進行組織觀察以及力學性能檢測。

1.3 實驗設備及儀器

焊接采用的是五溫區管式電爐，保護氣體為氬氣（純度高于99.9%）。焊接完成后在場發射掃描電鏡下進行檢測，觀察焊接處組織形貌。

剪切實驗采用的是CSS-4400電子萬能試驗機，在室溫（25℃），加載速率為0.5mm/min的實驗條件下進行。以3個試樣實驗的平均值作為最終的剪切強度。

2 實驗結果與討論

2.1 力學性能分析

表1 實驗主要原料成分

圖1 釬焊溫度與強度的關系

圖1顯示了焊接接頭強度與焊接溫度之間的關系（此時選擇的焊接時間為10min）。從圖1中可以看出，當焊接溫度從580℃增加到590℃時，接頭強度從108MPa增加到了155MPa。而當釬焊溫度繼續增加到600℃后，接頭強度反而呈降低的趨勢，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之一，當釬焊溫度較低時，釬料還未完全熔化，它的活性不足，未能完全潤濕母材，同時釬料與母材間未產生良好的冶金結合，因此使得焊接接頭的強度較低。而當焊接溫度過高時，則會造成焊接過程過于激烈，極易導致母材的燒蝕，這對接頭也會造成不利的影響。因此，選擇的最佳焊接溫度應該為590℃。

圖2 釬焊時間與強度的關系

圖2顯示了焊接接頭強度與焊接時間之間的關系。從圖2中可以看出，當焊接時間從5min增加到10min時，接頭強度從147MPa增加到了155MPa。此時，接頭強度的變化不大，而當釬焊時間繼續增加到15min后，接頭強度反而呈降低的趨勢，從155MPa略微降低到了121MPa。釬焊時間對釬焊接頭性能的影響也不容忽視。當焊接時間從10min增加到15min時，接頭強度急劇下降，這是因為隨著焊接時間在此范圍內的增加造成焊接組織晶粒的長大，粗大的晶粒對接頭的強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。隨著焊接時間的增加，晶粒明顯長大。所以最佳的焊接時間選擇應該在5～10min左右，從環保節能的方面考慮，應選擇5min左右為宜。

圖3 焊接溫度590℃焊接時間5min時焊縫組織晶粒大小

圖4 焊接溫度590℃焊接時間15min時焊縫組織晶粒大小

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，焊接區的SEM圖像。從圖5中可以看出，焊接層結合比較緊密，未出現孔洞及裂紋等缺陷，組織比較致密。從圖5中可以看出，有許多點狀顆粒物分布，這是生成的一些第二相顆粒，如圖5中A點部分所示。

圖6 焊接組織中顆粒的SEM圖像及能譜

對其進行能譜分析，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，強度也比較高，這可以極大地增強焊縫的性能，使得焊縫組織剪切強度大大增加，這也與之前的力學性能檢測結果比較吻合。

2.3 焊接機理研究

由于鋁在高溫下極易氧化，因此在焊接過程中易在母材表面形成一層穩定而致密的氧化膜，由于氧化鋁的熔點超過2000℃，同時，它的性質比較穩定，這將極大地阻礙焊接過程的進行。在焊接過程中，單純地依靠空氣保護條件是很難避免氧化層的產生的，在實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，因此可以與擴散的硅一起形成低熔點的Al—Si—Mg系合金，釬焊時，該合金熔化從而破壞了氧化膜與母材的結合，使熔化的釬料得以潤濕母材，在膜下母材上鋪展，并將表面膜浮起而去除。這就是為什么在實驗開始之前要在爐內準備一定Mg粉的原因。

復合板的釬焊主要依靠板材間的流動性，潤濕性以及釬料的間隙填充能力。自制的釬料熔點低于母材熔點，在釬焊過程中可以完全熔化，較好地起到潤濕板材的作用，使焊接區具有良好的流動性及溶蝕性。從圖5所示的焊縫組織可以看到，母材與釬料之間反應良好，形成良好的冶金結合，這對焊接接頭的力學性能起到非常有益的作用。

3 結語

通過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℃，釬焊時間為5min；

分析了焊接工藝對接頭性能的影響，焊接接頭與焊接工藝密切相關，當焊接溫度由580℃增加到600℃的過程中，接頭強度先增加后下降；當焊接時間為5～10min時，接頭組織晶粒較細小，接頭強度較高；當焊接時間增加到15min時，接頭組織晶粒長大，使得接頭強度降低。

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