徐 振，趙志浩，王高松，陳慶強，韓東月

(東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110819)

5xxx系鋁合金具有優(yōu)異的塑性、耐蝕性和焊接性能，廣泛用于航空、航天及交通運輸?shù)阮I域［1，2］.目前，5xxx 系鋁合金焊接時普遍采用惰性氣體保護焊，但由于焊接時熱輸入較高，焊后焊接接頭軟化嚴重，很大程度上限制了其在工業(yè)方面的應用.鋁合金焊絲是5xxx系鋁合金惰性氣體保護焊焊接過程中所必需的填充材料.有研究表明［3］，在基材一定的條件下，合理地改變焊絲成分可以有效改善焊接接頭的組織與性能.

近年來，普遍采用微合金化的方法來提高鋁合金材料的綜合性能.在鋁合金中加入微量稀土元素，可顯著細化合金組織晶粒，凈化合金成分，去除合金中的氣體和有害夾雜，最終大幅提高合金的力學性能［4］.大量研究［5～8］表明，Sc 作為一種稀土元素添加到鋁合金中可以起到凈化合金、改善組織、抑制再結晶等作用.鋁合金中添加Sc，可以明顯提高合金的強度.此外，適量的Sc還可以降低合金焊接裂紋產(chǎn)生傾向，細化組織晶粒.但是由于Sc是一種戰(zhàn)略資源，其價格十分昂貴，且只有在合金中添加足夠量的Sc元素時才能全面改善合金的組織和性能，這極大的限制了Sc在工業(yè)上的應用.近年來的研究發(fā)現(xiàn)［9～15］，Er和 Zr在鋁合金中具有和Sc相類似的作用，且成本低廉.

基于此，作者采用了傳統(tǒng)的ER5356焊絲及添加Sc、Zr和Er的微合金化鋁合金焊絲對5182鋁合金板材進行手工鎢極惰性氣體保護焊，研究了焊縫處的顯微組織，探究了Sc、Zr和Er元素對焊縫組織的影響機理.

1 試驗方法

采用直徑為3.0 mm的傳統(tǒng)ER5356焊絲及添加Sc、Zr和Er的微合金化焊絲進行焊接，母材為熱軋條件下的4.0 mm厚的5182鋁合金，母材及焊絲的主要化學成分見表1.實驗所用鋁合金焊絲均在東北大學材料電磁過程教育部重點實驗室內(nèi)制備而成，其中Er和Sc以Al-13.2Er和Al-2Sc的中間合金形式加入，Zr采用Zr鹽形式加入.焊接前，使用有機溶劑清理母材及焊絲表面，再用手工鎢極惰性氣體保護焊的方式進行焊接，試樣尺寸為150 mm×100 mm×4 mm，焊接方向垂直于軋制方向，焊接工藝參數(shù)如表2所示.焊接后，沿垂直于焊接方向截取試樣.金相試樣經(jīng)機械拋光和Kerell試劑腐蝕后在Leica DMI5000M光學金相顯微鏡下進行顯微組織觀察.使用TecnaiG220型透視電鏡下觀察組織中的析出相，在焊縫區(qū)截取0.15 mm厚的薄片試樣，機械減薄至0.08 mm，之后沖壓成直徑為3 mm的圓片.再使用30%HNO3+70%CH3OH(體積分數(shù))溶液進行雙噴減薄，雙噴溫度為-25℃，電壓為15 V.

表1 母材及焊絲的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical constituents of welding wires and base metal(mass fraction)%

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Parameters of welding

2 實驗結果

2.1 焊縫處的顯微組織

鋁合金焊接接頭主要由四個區(qū)域組成，分別為焊縫區(qū)、融合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材.其中，焊縫區(qū)是焊接接頭的中心區(qū)域，其晶粒組織主要為鋁合金凝固態(tài)組織，強度最低，是整個焊接接頭最薄弱之處.可以說，焊縫處的組織的優(yōu)良直接決定著整個焊接接頭力學性能的優(yōu)劣.圖1(a)為使用傳統(tǒng)ER5356鋁合金焊絲焊后焊縫處的顯微組織.從圖中可以看出，焊縫中心主要由等軸晶組織構成，但晶粒尺寸較大，且晶粒尺寸不均.而圖1(b)、1(c)和1(d)所示為使用微合金化焊絲焊后的焊縫區(qū)(WZ)的顯微組織.從圖中可以明顯看出，添加微量Sc、Zr和Er后，焊縫處晶粒明顯細化且尺寸較為均勻.圖2所示為焊接接頭熱影響區(qū)(HAZ)的顯微組織.熱影響區(qū)也是焊接接頭較為薄弱的環(huán)節(jié)，由于焊接熱的作用，熱影響區(qū)的殘余應力較大，晶粒組織粗化，常形成柱狀晶組織，嚴重影響焊接質量.從圖中可以看出，添加稀土元素后，焊接接頭的熱影響區(qū)組織也發(fā)生了明顯變化，柱狀晶組織的生長得到了明顯抑制.此外，焊絲微合金化后，焊縫中析出相的數(shù)量增加明顯，析出相主要沿晶界析出.對比四種焊縫組織的晶粒尺寸可以發(fā)現(xiàn)，單獨添加質量分數(shù)為0.3%的Sc，焊后焊縫處晶粒最為細小.

2.2 析出相分析

使用X射線衍射對含Sc焊縫組織進行分析，如圖3所示.從圖中可以看出，合金中添加的Sc形成了Al3Sc相.在透射電鏡下觀察含Sc的焊縫組織可以發(fā)現(xiàn)，許多納米級的顆粒均勻彌散的分布在晶內(nèi)和晶界附近，如圖4所示.這些顆粒的尺寸約為20～30 nm，分析其衍射光斑后認為這些顆粒主要是Al3Sc相，這與XRD的檢測結果相同.

圖1 焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織Fig.1 Microstructures of welding joints in WZ

圖2 焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織Fig.2 Microstructures of welding joints in HAZ

2.3 力學性能

圖5所示為沿軋制方向焊接接頭顯微硬度的分布的情況.從圖5可以看出，兩種焊接接頭硬度分布情況大致相同，均以焊縫中心為軸線，焊縫兩側的硬度的呈近似對稱分布.整個焊接接頭區(qū)域中，焊縫與熱影響區(qū)的硬度值最小.對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，微合金化后的焊接接頭的硬度要明顯高于傳統(tǒng)焊絲焊后的焊接接頭硬度.

3 分析與討論

焊接過程中，由于焊接熱對焊接接頭各區(qū)域影響程度不同，使得焊接接頭各區(qū)域的顯微組織與力學性能存在較大差異.但焊縫處為快速凝固后的鑄態(tài)組織，因而其強度最差，是焊接接頭最為薄弱的環(huán)節(jié).觀察焊縫處的顯微組織可以明顯發(fā)現(xiàn)，使用微合金化ER5356鋁合金焊絲施焊后，焊縫處的晶粒組織細化現(xiàn)象十分顯著，晶界處的析出相數(shù)量明顯增多.焊縫處的組織主要是焊絲熔化后，最后形成的凝固態(tài)組織，其主要成分是焊絲本身的化學成分.在焊接過程中，微合金化焊絲熔化后，焊絲中含有的稀土元素會隨熔化的焊絲填充到焊縫組織中.以單獨添加0.3%Sc的焊絲為例，由于焊接過程較快，焊縫區(qū)組織凝固速度很快，整個焊縫的凝固表現(xiàn)為非平衡凝固狀態(tài).焊縫區(qū)開始凝固時，Sc會富集到固液界面的前沿.當其含量達到其特定的成分點時，就會有Al3Sc相形成.這些納米級的Al3Sc相為L12型，與Al基體的錯配度很低，基本共格.在凝固過程中，先形成這些納米級的質點.由于這些質點滿足作為異質形核核心的要求，顯著提高了形核率，從而細化了合金的晶粒.而Er和Zr與Sc的作用類似，可形成L12型的Al3Zr和 Al3Er相.但是 Al3Zr和 Al3Er與基體的錯配度要略高于Al3Sc，因而其細化效果要稍弱于Sc.同時，由于冷卻速度較快，最后焊縫處會有大量含Sc的過飽和固溶體存在.這些過飽和固溶體可以在自然時效的條件下析出二次的Al3Sc顆粒.

圖3 焊縫區(qū)X射線衍射Fig.3 XRD graph of welding joint

圖4 透射電鏡下含Sc的焊縫組織Fig.4 TEM photos of the welding zone with Sc

圖5 焊接接頭的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of welding joints

4 結論

(1)與傳統(tǒng)ER5356鋁合金焊絲相比，使用微合金化的焊絲焊后焊縫處的晶粒組織更加均勻細小.

(2)焊絲微合金化后，焊縫處晶界上的析出相數(shù)量明顯增加.

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