稀土元素對新型Al-Mg合金焊接接頭組織和性能的影響

任思蒙， 楊陽， 吳浩， 路麗英， 趙丕植， 宋小雨

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

0 前言

5xxx系Al-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，被廣泛應用于航天航空、軌道交通及海洋船舶等領域。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。研究發現，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晶溫度提高到450～550 ℃。然而，Sc的高價格限制了其應用，在實際生產中，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點常常被用于鋁合金上，MIG以電極和母材之間產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，發現Al-Mg-Zr-Sc焊絲作為填充材料時，可使焊縫和熔合區的晶粒明顯細化，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。母材狀態為H32，規格為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(質量分數，%)

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。焊接工藝參數見表3。

表3 MIG工藝參數

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經過電離后產生的電子、離子和再次復合后的原子構成的。在電弧等離子體中，相對于其它粒子，電子質量較小，在強電場的作用下，很容易獲得較大的初速度，經過時間的積累和碰撞次數的增加，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，高溫區分布在電弧中心區域，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生冶金反應，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。母材為加工態顯微組織，熔合區的組織形態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定性強的Al3(Sc,Zr)作為異質形核質點，提高形核率，促進等軸晶形成。Al3(Sc,Zr)高溫質點的來源有兩方面：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。而熔池芯部發生渦流快速攪動[10]，邊部流速則較緩慢，Al3(Sc,Zr)高溫質點隨著液態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)高溫質點的聚集。采用ER5B71焊絲使補充到熔池中Al3(Sc,Zr)的異質形核質點的增多，該種焊絲形成的熔合區等軸晶區域擴大。熱影響區受焊接熱循環作用發生了部分再結晶。母材中添加的Sc,Zr形成的Al3(Sc,Zr)彌散分布在基體中,可穩定晶界結構,抑制再結晶,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晶形態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，熔池內有益合金元素易發生燒損，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)作為異質形核質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。該區域中存在大量的形狀不規則的白色析出相，均勻分布在基體上。表4為析出相對應點元素分布。根據亮度和形態的不同，白色析出相可分為2種：一種為條形狀分布，根據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，%)

表5 焊縫區火花直讀光譜檢測結果(質量分數，%)

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組數據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。獲得拉伸性能結果與硬度測試結果相一致。但無論采用哪種焊絲，接頭斷裂位置均發生在焊縫，焊縫是整個接頭最薄弱區域。

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。在3種焊絲形成的斷口位置進行多處能譜分析，結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合力較差，在拉應力作用下最先開裂，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產生的電弧等離子體溫度極高，電弧瞬間所產生的熱量熔化焊絲，形成的細小熔滴過渡到熔池中，熔池經歷短暫、快速、不均勻的凝固過程形成固態焊縫，焊縫凝固類似于鑄造過程，其組織和成分存在不均勻性，可依靠調節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。考慮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質點為DO22晶格結構，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，同時形成的高溫質點Al3(Sc,Zr)為 LI2晶格結構，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質點上再析出Al3Sc，Zr富集在質點的中心，Sc包裹在Al3Zr的外層，形成的Al3(Sc,Zr)穩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合強化效應遠高于焊縫的固溶強化和細晶強化效應，相應的焊縫硬度低于其它位置，焊縫成為整個接頭最薄弱區域從未先發生斷裂[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晶發生[13]，削弱了焊接熱循環造成的合金軟化效應，熱影響區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 結論

(1)采用數值模擬方法建立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形核質點，焊縫和熔合區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，焊接系數為83%。3種焊絲接頭熱影響區硬度接近于母材，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。