7N01鋁合金多層CMT焊對接頭組織與力學性能的影響

陳圣龍，武子琴，朱晉良，王立偉，2＊，梁志敏，2

1.河北科技大學材料科學與工程學院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室 河北石家莊 050018

1 序言

7N01屬于Al-Zn-Mg系鋁合金，不但其硬度、剛度很高，而且也具有耐蝕性優(yōu)良、易成形和密度較低等一系列的特點[1]，在焊接中被廣泛地應用于海洋船舶、航空航天、工業(yè)建筑等各個不同領域中[2-4]。雖然7N01有著一系列的優(yōu)點，但在焊接過程中也容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等較為典型的焊接缺陷，同時會出現(xiàn)因熱影響區(qū)軟化而造成的鋁合金焊接接頭力學性能下降的問題[5，6]。分析其原因，是由于焊接的熱輸入過高，即焊接時需要足夠的熱輸入量來熔化母材和焊料，而較高的熱輸入量會使焊接接頭發(fā)生軟化，其硬度和剛度明顯下降，力學性能也會顯著降低，因而使其在焊接的應用中受到很大的限制。而冷金屬過渡技術（CMT）可以彌補上述不足，其具有焊接熱輸入量較低、無飛濺、焊后變形較小、焊接效率較高，焊縫成形良好等優(yōu)點[7，8]。CMT焊接不僅能夠保證其完全焊透，降低熱裂紋出現(xiàn)的可能，且其影響區(qū)的軟化也會減少，因而可以提高其力學性能[9]。

2 材料與方法

本次試驗是采用冷金屬過渡技術（CMT）進行平板對接的多層多道焊，對接間隙為1.5mm，采用單邊35°V形坡口（見圖1），母材為T4狀態(tài)（固溶處理加自然時效）下的7N01鋁合金材料，其中母材的幾何尺寸為350mm×300mm×12mm。選用的焊絲牌號為ER5356、φ1.2mm，保護氣為高純氬氣。母材7N01鋁合金和焊絲ER5356的化學成分見表1。焊接時采用三層四道焊，其中第一道（S1）為打底焊，第二道（S2）為填充焊，第三、四道（S3、S4）為蓋面焊，具體的焊接參數(shù)見表2。在對接頭進行維氏硬度檢測時，是以焊縫中心為基點，測量間距為：焊縫外1mm，焊縫內(nèi)0.5mm，總共測量6條，分別為中間，從內(nèi)到外每條距離1.8mm。焊后拉伸試樣按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》中的標準加工后再進行拉伸試驗，具體尺寸如圖2所示。對焊后的7N01多層CMT接頭進行金相、硬度和拉伸試驗等，并對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析研究焊后接頭的微觀組織和力學性能。

圖1 坡口形式

圖2 拉伸尺寸

表1 母材和焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 焊接參數(shù)

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 金相顯微組織結(jié)果與分析

焊后的焊接接頭金相組織如圖3所示，從圖中可明顯看出，各個焊道的分界線明顯，整體圖呈現(xiàn)“碗狀”，同時可清楚觀察到每條焊縫的金相組織，且金相中的晶粒從上往下逐漸變細，且焊接接口能夠分為三個晶區(qū)，即細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。

圖3 焊接接頭金相組織

細晶區(qū)形成的原因是在焊接過程中，附近的母材區(qū)溫度比其低，焊縫向母材方向散熱，靠近焊縫的母材區(qū)（即熱影響區(qū)）因吸收熱量而變得粗大，從而使熱影響區(qū)的晶粒比原始母材的晶粒更加粗大；此外，由于母材吸收了部分熱量，所以使得焊縫和母材接觸的表面層溫度比焊縫溫度更低，具有較大的過冷度。同時，母材是一個非均勻結(jié)構(gòu)，在表層區(qū)會立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時向四面八方生長，晶核的數(shù)量足夠多，但空間有限，生長受到抑制，從而在靠近母材的表層區(qū)形成一層很薄的等軸晶粒區(qū)，即細晶區(qū)。細晶區(qū)的晶粒十分細小，組織致密，力學性能很好。

柱狀晶區(qū)形成的原因是在表層細晶區(qū)形成的同時，一方面母材的溫度升高，另一方面因為金屬凝固后會收縮，使細晶區(qū)和母材分離形成一空氣層，給中間的散熱造成困難，并且在細晶區(qū)的形成過程中也會釋放出熱量，這會使溫度梯度變得平緩，所以在此區(qū)域無法再次形核，主要靠晶粒的繼續(xù)長大，并且在垂直于母材方向散熱最快，因此晶體沿其相反方向擇優(yōu)成長形成柱狀晶區(qū)。

中心等軸晶區(qū)的形成，隨著柱狀晶的生長、熔池的散熱，使焊縫中心部分的液態(tài)金屬溫度降至熔點以下，由于液態(tài)金屬中存在的雜質(zhì)，滿足了形核條件，于是在整個剩余金屬液體中開始形成晶核，晶粒在各個方向上自由生長，最終形成中心等軸晶。

圖4中為焊接接頭的焊腳位置金相，焊腳為焊縫表面與母材的交界處。通過圖片可以清楚地分辨出焊縫和母材，母材呈細長條狀，平行且較為均勻，焊縫表面為細小晶粒結(jié)構(gòu)，相對細小且大小不均分布明顯。

圖5為焊縫金相，焊接采用的是三層四道焊。從圖中可以看出，焊道的分布明顯，從上到下晶粒逐漸變小，這是因為后一道的機械作用會導致前一道被拉長，所以底部晶粒變的細小，焊縫晶粒都為等軸晶粒。

圖4 焊腳

圖5 焊縫

圖6為熔合線金相組織。熔合線是焊接接頭橫截面宏觀腐蝕所顯示的焊縫輪廓線，它是焊縫金屬與母材的分界線。從圖中可見，熔合線左右兩側(cè)晶粒差異明顯，熱影響區(qū)的晶粒較母材粗大，但依然保留著板條狀。

圖6 熔合線金相組織

3.2 硬度試驗結(jié)果與分析

圖7為焊接接頭的上中下三部分維氏硬度分布曲線，從圖中橫向?qū)Ρ葋砜?，可以明顯地看出焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分的硬度值不同，焊縫區(qū)的硬度值最高，熱影響區(qū)的硬度值最低，但就整個焊接接頭來看，硬度最高的部分還是來自于母材區(qū)。由圖7數(shù)據(jù)可得出，7N01的硬度值約為135HV。

從圖7縱向?qū)Ρ葋砜矗缚p區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分還是比較均衡的，但是每道打點線的最低硬度值都有差別，其中底部（見圖7a）的打點線的最低硬度值為71HV，中間（見圖7b）的打點線的最低硬度值為73HV，頂層（見圖7c）打點線的最低硬度值為75HV，且三個部分的最低硬度值所對應的區(qū)域為熱影響區(qū)。同時由金相觀察可知，該處的晶粒較為粗大，因此該處的硬度和韌性較低，且底部的最低硬度值最低，從下往上最低硬度值是逐漸增大的，這是因為熱影響區(qū)在焊接過程中吸熱，所以導致了晶粒粗大。由金相觀察可以很明確地看到，熱影響區(qū)的金相從下到上晶粒由粗大變得細小，從而印證了該地方的最小硬度值從頂部到底部逐漸減小。

圖7 焊接接頭硬度

3.3 拉伸試驗結(jié)果與分析

圖8a為拉伸試樣，由圖8可明顯看出，試樣斷裂的位置為熱影響區(qū)。圖9為CMT焊后獲得的7N01鋁合金焊接接頭的拉伸應力應變曲線，抗拉強度平均值為260.2MPa，7N01鋁合金母材的抗拉強度為440MPa，試件的斷面收縮率為4%。

圖8 拉伸試驗斷裂位置

圖9 拉伸應力應變曲線

為了研究7N01鋁合金多層CMT焊接接頭拉伸試驗的斷裂機制，對拉伸后的斷口進行掃描電鏡觀察。圖10為拉伸試件的斷口形貌，存在很多大小不一的韌窩，且韌窩的深淺程度不一，斷口形貌表現(xiàn)為韌性斷口。

由圖中韌窩可以判斷出其為一個典型的韌性斷裂，仔細觀察圖10可發(fā)現(xiàn)，就韌窩數(shù)量而言，中間的韌窩數(shù)量要多于兩邊的韌窩數(shù)量，且熱影響區(qū)的韌窩要比焊縫區(qū)淺。由于焊接過程中熱影響區(qū)吸熱，使其晶粒變得粗大，進而導致該區(qū)域韌性下降，熱影響區(qū)成為焊接接頭中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

圖10 拉伸斷口形貌

4 結(jié)束語

1）7N01鋁合金多層CMT焊接接頭層道分界線明顯，整體呈“碗狀”；焊縫分為細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)，從上至下晶粒逐漸變細，熱影響區(qū)的晶粒較母材晶粒更粗大，但依然保留著板條狀形態(tài)。

2）焊接接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度分布較為均衡，在很大程度上可以減弱容易軟化的問題。焊縫底部的硬度值最低，從下向上硬度值逐漸增大。

3）焊接接頭的抗拉強度平均值為260.2MPa，斷面收縮率為4%，斷裂位置為熱影響區(qū)。拉伸斷口上存在大小、深淺不一的韌窩，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，且由韌窩數(shù)量分布可以得知熱影響區(qū)最為薄弱。