電流對ZL114A補焊工藝孔組織及力學性能的影響

康福偉 侯兆敏 宿露 劉洪匯 喬昕

摘要：利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉伸實驗機等設備分別對200A、240A和280A 3種不同焊接電流補焊ZL114A合金工藝孔的組織及力學性能進行了研究。實驗結果表明，在熱影響區隨著電流強度的增加，其寬度增加，但晶粒尺寸基本不變，而在熔凝區隨著電流強度的增加晶粒尺寸明顯增加；在240A時，熔凝區形成的氣孔數量最少，并且熱影響區中共晶相分布均勻，硬度最高。拉伸實驗表明，不同電流強度補焊的ZL114A工藝孔拉伸試樣斷裂位置均發生在熱影響區，但在電流強度為240A時，補焊后的力學性能最接近母材，抗拉強度達到了母材強度的950%，所以240A為ZL114A工藝孔最佳補焊電流。

關鍵詞：ZL114A合金；補焊；電流；組織；力學性能

DOI：1015938/jjhust201705021

中圖分類號： TG445

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0116-05

Effect of Welding Current on Microstructure and Mechanical

Properties of ZL114A Repair Welding Process Holes

KANG Fuwei1，HOU Zhaomin1，SU Lu1，LIU Honghui2，QIAO Xin2

（1School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China； 2Aviation Industry of China Harbin DongAn Engine （Group） Corporation LTD， Harbin 150066， China）

Abstract：The effects of welding currents of 200A， 240A and 280A on microstructure and mechanical properties of ZL114A alloy repair welding process holes were investigated using optical and scanning electronic microscope （SEM）， tensile testing machine， respectively With the increase of current intensity， the heat affected zones widen and grain size almost unchanges， but the grain size increases apparently in fusion zone At 240A， the amount of pore is the least at fusion zone， and the eutectic phases distribute uniformly in heat affected zone， the hardness reaches the maximum value The results of tensile test show that the fracture of tensile samples all locate in heat affected zone At 240A， the sample tensile strength is closest to that of the base metal， and reaches ninetyfive percent of the base metal tensile strength So the optimized repair welding current is 240A

Keywords：ZL114A aluminum alloy； repair welding； current； microstructure； mechanical properties

收稿日期： 2015-10-12

作者簡介：

侯兆敏（1988—），女，碩士研究生；

劉洪匯（1972—），男，研究員

通信作者：

康福偉（1970—），男，教授Email：fuwei_kang@163com

0引言

ZL114A合金是一種典型的高強高韌鑄造AlSi合金，該合金是在ZL101A的基礎上通過增加Mg元素含量發展起來的AlSiMg系合金，國外與之相似的合金為A357（美國軍標，Al7Si06Mg）[1-2]。該合金通過固溶強化和時效強化，可獲得良好的綜合性能，被廣泛應用在航空航天領域，如飛機和導彈上承受高負荷的零部件或蒙皮[3-6]。利用ZL114A鑄造復雜零部件時經常要在鑄型上設計工藝孔，一是保證砂型定位精準，二是便于除砂，這些工藝孔在鑄件成型后不再有使用價值，常采用補焊工藝予以消除；另一方面，鋁合金航空航天零部件，如導彈殼體，是質量要求非常嚴格的產品，不允許存在直徑大于1mm以上的缺陷，為了保證產品質量，也常采用補焊的方法進行修復[7-8]。目前，ZL114A的研究主要集中在性能改善方面[9-13]，關于其補焊方面的研究還未見報道。若補焊工藝不恰當，則補焊區性能與母材性能差異較大，影響工件的使用，甚至使工件報廢，因此優化補焊工藝對于保證這類零件的質量尤為重要。

鋁合金常見的焊接工藝有摩擦攪拌焊（FSW） [14]、激光焊（LW）和激光-電弧復合焊[15-16]、惰性氣體保護焊（TIG或MIG）等[17-19]，每種焊接方法各有優缺點，但TIG法對鋁合金薄壁件焊接非常適用。根據實際鑄件特點，本文采用TIG法補焊ZL114A合金工藝孔，主要研究不同焊接電流下補焊接頭處的顯微組織、硬度、抗拉強度等變化規律，從而優化出最佳焊接電流。endprint

1實驗材料及方法

實驗所用材料為ZL114A合金鑄造的某零部件，成分如表1所示。補焊孔為上部Φ14mm×5mm、

下部Φ8mm×5mm、高10mm的階梯孔。采用YC500WX4型焊機補焊，將Φ12mm×5mm的ZL114A圓柱體置于階梯孔中，兩者之間形成間隙配合，便于補焊。焊條直徑為Φ6mm，成分與母材相同；焊接電流強度分別為200A、240A和280A。焊后切取焊區位置合金，按照標準金相試樣法制備金相試樣，腐蝕劑為05%HF溶液。利用OLYMPUSGX716230A型金相顯微鏡、Philipsquanta200型掃描電子顯微鏡對組織進行觀察；沿熔凝區、熱影響區至母材的順序依次測定試樣的維氏硬度，觀察不同區域硬度變化規律。拉伸實驗所用設備為CSS44300型拉伸實驗機，拉伸速度為1mm/min，拉伸試樣如圖1所示。

2實驗結果與分析

21電流對補焊區組織影響

ZL114A補焊后的顯微組織均可分為3個區，即母材區、熱影響區和熔凝區，如圖2（a）所示。母材區基本保持合金鑄造組織特點，熔凝區晶粒細小，而熱影響區晶粒粗大。分析認為熔凝區產生的熱量被熱影響區快速吸收，凝固速度快，過冷度大，導致晶粒細小；而熱影響區散熱速度慢，晶粒長大時間充分，所以晶粒粗大。圖2（b）是熱影響區放大1000倍的顯微組織照片，根據合金成分及文[1，20]，可知熱影響區組織主要由白色的αAl基體、深色AlSi共晶體及細小白色的Mg2Si相組成，如圖中箭頭所示。

隨著補焊電流強度的變化，熱影響區和熔凝區的組織會隨之發生變化。圖3為不同電流對熱影響區顯微組織的影響。從圖中可見，隨著電流強度增加，熱影響區的晶粒尺寸增加并不明顯，但其寬度明顯增加，如圖中所示。分析認為，隨著電流強度的增加，產生的熱量增多，從熔凝區傳導至熱影響區的熱量也隨之增多，導致熱影響溫度升高，散熱時間延長，區寬度增加。比較200A、240A、280A 3個焊接電流下熱影響區的熔合情況發現，200A時熱影響區和熔凝區之間過渡的細小晶粒很少，兩區之間分界明顯，熔合的不好。240A時，從熱影響區到熔凝區晶粒逐漸變小，兩區之間有過渡的細晶，熔合的很好。280A時，熔合的也比較好。而且200A和280A時熱影響區中共晶相分布不均勻。這是因為電流過大或過小產生的熱量分布不均，局部區域溫度達到共晶溫度發生共晶反應，反之，則沒有發生共晶反應；而240A時共晶相均勻、彌散地分布。

圖4為電流強度對熔凝區顯微組織的影響。由圖可見，隨著電流強度的增加，晶粒尺寸呈增大趨勢。電流強度為200A時，熔凝區晶粒最細小，240A時晶粒尺寸增大的并不多，280A時晶粒尺寸明顯增大。

熔凝區中氣孔數量是影響焊接性能的重要因素。圖5為不同焊接電流在熔凝區產生的氣孔缺陷掃描電鏡照片，如圖中箭頭所示。從圖中可見，在電流強度為240A時熔凝區形成的氣孔數量最少，200A時氣孔稍多，而280A時氣孔數量最多。這是由于隨著電流強度增加，產生的熱量過多，熔凝區凝固速度降低，凝固時間延長，因此氣孔缺陷數量較多。

22電流對補焊ZL114A力學性能的影響

圖6為焊接電流強度對焊區顯微硬度分布的影響（垂直焊縫方向），從圖中可見，從母材區到熱影響區硬度降低，而到熔凝區硬度又升高，熱影響區硬度最低，熔凝區硬度最高。這與前面分析相一致，熔凝區晶粒最小，熱影響區晶粒最大，所以熔凝區硬度最高，而熱影響區硬度最低。在電流200A，240A和280A 3種情況下，電流為240A時，3個區的硬度最高。

分別從母材及包含焊區的母材切取拉伸試樣，進行拉伸實驗。不同焊接電流下補焊ZL114A合金拉伸斷裂位置及抗拉強度如表2所示，由于熱影響區晶粒尺寸粗大且硬度最低，所以斷裂位置均發生在熱影響區。在240A的焊接電流下，焊區抗拉強度最好，達到了母材抗拉強度的950%。在200A時抗拉強度稍低，為母材的818%，280A時拉伸強度最低，僅為母材的749%，這與前面顯微組織和硬度的分析結果相一致。綜上所述，從顯微組織、硬度及強度可見，焊接電流240A是補焊ZL114A工藝孔的最佳電流強度。

3結論

本文主要研究不同焊接電流強度對ZL114A合金補焊工藝孔的組織及力學性能的影響，得到如下結論：

1）3種電流下焊區組織均是熔凝區晶粒最細小，熱影響區晶粒最大；隨著電流強度的增加，熱影響區的寬度增加，晶粒尺寸變化不明顯；

2）隨著電流強度增加，熔凝區的晶粒尺寸隨之增加，而在電流240A時，熔凝區的共晶相均勻、彌散地分布，焊接產生的氣孔最少，焊縫熔合的最好。

3）在三種電流下，均是熔凝區硬度最高，熱影響區硬度最低，拉伸試樣斷裂位置均出現在熱影響區。焊接電流為240A時抗拉強度達到了母材強度的950%，200A時達到了母材強度的818%，280A時只為母材強度的749%，所以240A是最佳補焊電流。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）endprint