含铒铝合金TIG焊与激光焊接头组织与性能对比.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 0 4 一l I lI l l l l l l l l l j I l 匝 含铒铝合金T I G 焊与激光焊接头 组织与性能对比 圜李洋黄晖杨东霞苏学宽 北京工业大学材料科学与工程学院北京 1 0 0 1 2 4 摘要测试含铒5 0 8 3 铝合金冷轧板T I G 焊与激光焊接头的显微硬度和力学性能对比观察各区域的微观组织， 探讨稀土铒对焊缝及热影响区组织与性能的影响。结果表明，激光焊接头的抗拉强度平均值为母材抗拉强度 值的8 2 ．舭，T I G 焊接头的抗拉强度平均值为母材抗拉强度值的7 7 ．1 ％。焊接接头力学性能最差的位置，T I G 焊为熔合区，激光焊为焊缝中心处。T I G 焊接头主要强化机制是细晶强化、析出相强化以及由A I ， E r ，Z r 带来 的热循环软化抗力的增加。激光焊焊接接头的主要强化机制是细晶强化。 关键词T I G 焊；激光焊；含铒5 0 8 3 合金；微观组织；性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 5 6 ．9 2文献标志码A 文章编号2 0 9 5 ．1 7 4 4 2 0 1 2 0 6 ．0 0 3 3 ．0 4 铝镁合金是非热处理强化铝合金，具有中等强度、 较好延展性以及高抗腐蚀性，还有比较好的焊接性能”‘2 】。 在工业生产中，铝合金的焊接位置是最容易产生断裂的 位置，直接影响合金的使用寿命，所以铝镁合金的焊接 与接头的力学性能备受关注。 稀土元素对铝合金的重要作用已经众所周知，它能 够增加表面活性，细化微观组织，改善综合力学性能。其 中关于钪在铝合金中所起作用的研究最为深入，可以细 化晶粒、提高合金的强度1 3 - 6 ] ．近几年，聂柞仁等人研究 发现稀土元素铒在铝镁合金中的作用与钪的作用非常接 近”】，而且使用铒的成本大大低于钪的成本。然而关于 铒在铝合金焊接接头中作用的研究还鲜有报道。 对比含铒铝合金T I G 焊和激光焊后的微观组织与力 学性能，研究铒对焊接接头的影响，同时分析两种接头 的软化区和焊接热裂纹。 1实验方法 试验所选用的母材为含铒5 0 8 3 铝合金冷轧态薄板， 具体的成分 ％ M g4 ．9 ，M n0 ．7 ，Z r0 ．1 ，E r0 ．3 ，A l 余 量。母材的厚度为1 ．5m m 。试验前先沿垂直于轧向的方 向将板材切成1 0 0m m 2 0 0m m 的试样，铣端面。焊接 前对板材表面的油污进行化学清洗，以保证最好的焊接 效果。先用浓度为3 0 ％的硝酸酸洗，再用6 0 ℃N a O H 溶 液碱洗。T I G 焊工艺参数为焊接电流8 0A ，焊接速度 3 0m m ／s ，送丝速度7 0m m ／s 。激光焊工艺参数为功率 28 0 0W ，焊接速度3m ／m i n ，离焦量 3 个，保护气是氩 和氦混合气 2 1 ，流量2 0L ／m i n 。拉伸性能测试按照 国标G B 2 2 8 2 0 0 2 进行．加工拉伸样，尺寸见图l 。硬度 测试采用H X D 一1 0 0 0 T M 显微硬度仪。金相试样沿垂直于 焊缝的方向取样，经K e l l e r 试剂腐蚀后，在O L Y M P U S ． B X 5 l 光学显微镜下做金相观察，在J E M - 2 0 1 0 型透射电 镜下观察透射组织。 图1 拉伸试样加工图 收稿日期2 0 1 2 ．0 4 一1 3 作者简介李洋 1 9 8 6 - ，男，北京市人．硕士研究生，主要 从事铝合金焊接性能等方面的研究。 有色金属工程2 0 1 2 年第6 期3 3 万方数据 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 2 试验结果与讨论 2 ．1焊接接头的显微硬度 图2 为含铒5 0 8 3 铝合金冷轧板焊接接头沿垂直于 焊缝方向的硬度分布，由于两种焊接方式的对称性较好， 所以图中只给出了从焊缝中心到一侧的硬度分布。从 图2 可以看出，焊缝和热影响区发生了明显的软化，T I G 焊焊缝区宽度约为2m m ，激光焊焊缝区宽度约为lm m 。 T I G 焊焊缝区的显微硬度平均值为7 9 ．3H V ，约为母材 显微硬度的6 3 ％，离焊缝中心约】．5m m 处硬度达最低 值。激光焊焊缝区的显微硬度平均值为9 0 ．2H V ，约为母 材显微硬度的7 2 ％，硬度最低值出现在焊缝中心处，距 离焊缝中心大约lm m 处出现硬度的次低值。两种焊接 方式从硬度最低点向母材过渡，硬度值也越来越高。T I G 焊在距焊缝中心约1 2m m 处，硬度达到母材硬度的最高 值。激光焊在距焊缝中心约6m m 处，硬度达到母材硬度 的最高值。两种焊接接头的最薄弱环节分别是T I G 焊的 熔合区，激光焊的焊缝中心处。 1 3 0 1 2 0 至1 1 0 ＼ 捌 星1 0 0 蒜 9 0 8 0 o2 4681 01 2 1 4 与焊缝中心的距离／m m 图2 焊缝显微硬度分布 2 ．2 焊接接头的拉伸性能 图3 是母材与两种焊接方式的试验板材焊后拉伸试 样取样示意图，取样的方向垂直与轧制方向。表l 为两种 焊接接头和母材的拉伸力学性能。从表l 可以看到，激光 焊的％为3 0 5M P a ，t r o2 为1 6 4M P a ，6 5 为1 1 _ 3 ％。T I G 焊 接头的％为2 8 5M P a 。t r o2 为1 6 1M P a ，6 5 为1 0 ．7 ％。两个 焊接接头的焊接因数 焊接因数K t r 。”概，％⋯是接头的 抗拉强度，巩是母材的抗拉强度 都在0 ．8 左右，激光焊 接头比T I G 接头强度大一些，这与硬度测试的结果也是 比较匹配的。两种接头断裂的位置都是热影响区。 2 ．3 焊接接头金相组织分析 焊接接头由焊缝区、热影响区和母材区组成。图4 和图5 是两种焊接工艺接头的金相组织。 图4 是T I G 焊缝金相组织的形貌，其中图4 a 是焊 。≥ i i i 删热影响区 纂材 u Z 互焊接接头 一钆㈣ 图3 试验板材焊后拉伸试样取样示意 表1 母材及两种焊接接头的力学性能 缝整体形貌，图4 b 是焊缝中心区组织。从图4 可以看到 许多大小不等的等轴状树枝晶，较大的等轴状树枝晶呈 雪花状，在等轴状树枝晶周围存在着大量细小的柱状晶， 这些柱状晶的分布方向是比较随机的。在这个区域中还 看到气孔的存在，这是由于焊接过程中产生氢气，在焊 缝冷却过程中，氢原子扩散和积聚形成气孑L 。图4 c 是 熔合区组织，是由等轴状树枝晶和等轴晶组成的。因为 焊接过程本身近似于铸造，所以这里的组织会呈现出明 显的铸造组织。在这里发生再结晶，而且再结晶晶粒的 尺寸大于焊缝中心区的组织。图4 d 是热影响区，这里 靠近母材，晶粒尺寸明显比较粗大。图4 e 是母材区。 a 焊缝整体形貌。 b 焊缝中心区， c 熔台区； d 热影响医， e 母材区 图4T I G 焊接头金相组织 图5 是激光焊缝金相组织的形貌。焊缝区为二次 枝晶较为发达的细小等轴品，焊缝熔合线靠近焊缝一侧 3 4 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 为柱状晶。激光焊时焊接速度快，冷却速度快，熔池中 心成分过冷度大，在焊缝中心出现大量的等轴晶，大小 较为均匀。在靠近焊缝中心的一些区域出现树枝柱状晶。 在熔合线附近靠近焊缝区出现有沿散热方向生长的胞 晶。从图5 还可看出，激光焊条件下热影响区更窄，约为 5 0 m ，等轴晶尺寸更为细小，母材晶粒不明显，观察不 到母材的细长型晶粒，可能是因为晶粒的尺寸十分细小， 在轧制过程中被压碎。 a 焊缝整体形貌； b 焊缝区； c 热影响区； d 母材区 图5 激光焊接头金相组织 2 ．4 焊接接头透射电镜显微组织分析 为进一步研究两种焊接接头的更精细组织，对T I G 焊和激光焊的接头分别进行透射电镜分析，结果见图6 和图7 。 图6 是T I G 焊接头的透射电镜组织。从图6 可以看 到，在图6 a 焊缝区中析出相数量极少，这是由于焊缝 中心的组织凝固H , - j I 司短，第二相还来不及析出，完全固 溶在基体中，在焊缝中主要起固溶强化作用。在图6 d 母材中存在着很多位错，以及由A l ，E r 或A I ， E r ，Z r 组 成的亚晶组织，它们与铝基体保持着共格关系，但是会 被高密度的位错所覆盖。在图6 b 、图6 c 和图6 d 母 材和热影响区中，可以看到大量细小的析出相，主要是 以颗粒状的形式存在，尺寸为2 0 3 0n m ，根据文献I s - l o l ， A l ，E r 的晶体结构是L 12 型 与A u C u ，一样 ，晶格常数是 0 ．4 2 15n m ，与铝基体的很相似 f c c ，a 0 ．4 0 4 9n m ，因此 与基体呈共格或半共格关系。因此与焊缝区相比，析出 的次生相A l ，E r 粒子或A I ， E r ，Z r 相粒子数量较多。在 图6 b 热影响区，还可以看到一些板条状第二相粒子， 进一一步分析可知，长条状的是A I 。M n 【l ⋯。 图7 是母材和激光焊接接头的透射电镜显微组织。 从图7 a 和图7 b 可以看出，焊缝中t l , 区和热影响区第 二相粒子的数量都比T I G 焊中的少一些”1 - 1 2 ] 。在这里，大 量位错缠结在一起，而且有很多细小的第二相颗粒，这 些颗粒与T I G 焊接头中的相同，同样是A l ，E r 粒了。在热 影响区中，位错密度有所减小，这是因为在焊接过程中， a 焊缝区的透射组织l b 热影啊区的透射组织， c 母材区靠近焊 缝的透射组织t d 母材远离焊缝的透射组织 图6T I G 焊接头的透射组织照片 热影响区相当于做了不同程度的热处理，A l ，E r 粒子的主 要作用是钉扎位错并阻碍位错的运动””，这会对热影响 区的力学性能有一定的影响。图7 c 是母材的透射组织， 可以看出，母材的晶粒内部存在着许多纳米级的第二相 颗粒。由于母材冷变形较大，在这里可以看到大量位错。 焊接后，第二相的数量及位错数量都发生了很大的变化。 a 焊缝区的透射组织t b 热影响区的透射组织； C 母材区的透射组织 图7 激光焊接头的透射组织照片 2 ．5 焊接接头的力学性能 由于激光焊焊接温度高、冷却速度快，为焊缝中心 的晶粒提供了较大的过冷度，使得这里形核率高，从而 使得焊缝处晶粒得到细化，加上镁元素的烧损比较多， 所以激光焊硬度的最低值出现在了这里。激光焊试样热 影响区很窄 图2 ，也是【六I 为激光焊冷却速度很快，总的 热输入量小，热量传递的距离比较短造成的。 T I G 焊焊接温度相对较低、冷却速度慢，使焊缝中 心的过冷度比较小，所以形核率低，从而使得焊缝处晶 粒发生冉结晶及长大的程度不高，得到细化的程度不如 激光焊。焊缝有充分的时间将热量传给母材，在发生再 结晶之前已经凝同，合金元素的蒸发与烧损在这里也比 激光焊严重，使得这里的热影响区很宽，强度较低。 有色金属工程2 0 1 2 年第6 期3 5 万方数据 I；；iiiji[’；l；j丽19壁FE_RROUS，M⋯一ETA，LSE N G I N E E R ．塑G ⋯．．⋯．，，．．⋯⋯．．，一一一⋯一 ⋯， 2 ．6 含铒5 0 8 3 铝合金的强化机制 母材金属是含铒5 0 8 3 合金的固溶体，它的强化机制 主要包括镁元素的固溶强化、第二相强化、次生A 1 ，E r 和 A 1 ， E r ，z r 的析出强化，以及铒和锆元素的细晶强化。每 种强化机制都对应着接头的硬度和力学性能的变化。研 究表明，前三种强化机制的程度几乎一样，各自都是1 0 0 M P a 左右，细晶强化的贡献比较少，大约是2 5M P a 【l3 。1 4 ] 。 从图2 所示的硬度曲线的T I G 焊部分中可以看到， T I G 焊硬度的最低值出现在距离焊缝中心不远处的焊接 金属中。焊缝中心是由过饱和固溶体、少量的在过饱和 固溶体中析出的极少量的A 1 ，E r 和A 1 ， E r ，Z r 粒子组成， 因此析出相强化的贡献很小。在T I G 焊过程中，焊缝中 心的冷却速度是最慢的，一些A l ，E r 粒子在过饱和固溶体 中析出，因此可以看到在焊缝中心线处的硬度有缓慢的 提升。在热影响区附近是由细小的等轴晶组成，形变强 化和细晶强化起主要作用，所以硬度开始逐渐升高。 从图2 所示的硬度曲线的激光焊部分可以看到，激 光焊的硬度最低值出现在焊缝中心处。从图7 b 可以看 出，由于受到焊接热循环的作用，热影响区的位错密度 减小，导致这里的力学性能下降。由于焊缝金属凝固速 度快，固溶在合金中的铒没有来得及析出，导致焊缝和 热影响区的第二相粒子明显减少，母材中原有的第二 相强化作用被极大地削弱。在激光焊的过程当中，由于 焊接速度很快，熔池凝固速度也很快，以及第二相粒子 A l ，E r 的存在有利于非均质形核，使得焊缝核心区的晶粒 细化，起到细晶强化的作用。 3 结论 1 在T I G 焊接头主要的强化机制是细晶强化、析出 相强化以及由A 1 。 E r ，Z r 带来的热循环软化抗力的增加。 激光焊焊接后，母材的第二相强化作用被减弱，焊接接 头的主要强化机制是细晶强化。 2 力学性能测试结果表明，激光焊接头的抗拉强度 平均值为母材抗拉强度值的8 2 ．4 ％，T I G 焊接头的抗拉 强度平均值为母材抗拉强度值的7 7 ．1 ％。焊接接头力学 性能最差的位置，T I G 焊为熔合区，激光焊为焊缝中心处。 接头软化区宽度，激光焊 单侧 为0 ．6 1 5m m ，T I G 焊 单侧 为1 ．2 5 3m m 。 3 在T I G 焊接头热影响区中，由于A l ，E r 和A 1 。M n 对位错的钉扎作用，使这里的位错密度减小，硬度减小。 在激光焊接头热影响区中，焊缝中心区和热影响区第二 相粒子的数量都比T I G 焊中的少一些，对位错的钉扎作 用有限，使位错密度比T I G 焊中的多一些，所以使得这 里的力学性能优于T I G 焊接头。 参考文献 [ 1 ] 季小兰，邢泽炳，聂祚仁，等．铒对A I 一4 ．5 M g 一0 ．7 M n 合金组 织与性能的影响【J ] ．稀有金属，2 0 0 6 ，3 0 4 4 6 2 4 6 5 ． [ 2 ] 杨军军，徐国富，聂祚仁，等。微量E r 对高强铝合金组织与 性能的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 6 ，7 2 9 3 9 3 3 9 7 ． [ 3 】P a r kS u n g H y e o n ，K i mJ o n g - S h i n ，H a nM i n S u ，e ta 1 ．C o r r o s i o n a n do p t i m u mc o r r o s i o np r o t e c t i o np o t e n t i a lo ff r i c t i o ns t i r w e l d e d5 0 8 3 - OA 1a l l o yf o rl e i s u r es h i p 【J ] ．T r a n sN o n f e r r o u s M e tC h i n a ，2 0 0 9 ，19 4 8 9 8 9 0 3 ． [ 4 】Z i v k o v i cD ，A n z u l o v i cB ．T h ef a t i g u eo f5 0 8 3a l u m i n u ma l l o y w e l d sw i t ht h es h o t p e e n e dc r a t e rh o t c r a c k s [ J 】．M a t e r i a l sa n d D e s i g n ，2 0 0 5 ，2 6 3 2 4 7 2 5 0 ． 【5 】文胜平，林双平，宫博，等．含铒A 1 4 ．5 M g 一0 ．7 M n 一0 ．1 Z r 合 金中A 1 3 E r 相的形成及微观结构【J ] ．稀有金属，2 0 1 0 ，6 3 4 8 0 2 8 0 6 ． [ 6 】B e t h e n c o u r tM ，B o t a n aFJ ，C a l v i n oJJ ，e ta 1 ．L a n t h a n i d e c o m p o u n d sa se n v i r o n m e n t a l f r i e n d l yc o r r o s i o ni n h i b i t o r s o fa l u m i n u ma l l o y 【J 】．C o r r o s i o nS c i e n c e ，1 9 9 8 ，4 0 11 1 8 0 3 一1 8 1 9 ． 【7 ] 高旭东，邢泽炳，季小兰，等．稀土铒对A I 一4 ．5 M g - 0 ．1 5 Z r 合 金组织与性能的影响[ J ] ．金属热处理，2 0 0 7 ，3 2 8 4 0 - 4 3 ． [ 8 】Y a n gJ u n j u n ，N i eZ u o r e n ，J i nT o u n a n ，e ta 1 ．E f f e c to ft r a c er a r e e a r t he l e m e n tE ro nh i g h p u r eA I [ J ] T r a n sN o n 衙o u sM e tS o c C h i n a ，2 0 0 3 ，1 3 5 1 0 3 5 一1 0 9 ． [ 9 ] 杨军军，聂祚仁，金头男，等．微量稀土元素E r 对高纯铝 再结晶行为的影响【J 】．稀有金属材料与工程。2 0 0 3 3 2 1 3 7 ．4 0 ． [ 1 0 ] 张志军．A I M g M n Z r - E r 合金组织和力学性能研究[ D 】．北 京北京工业大学，2 0 0 9 2 7 2 8 ． [ 1 1 ] 朱世旦，黄晖，聂祚仁，等．A 1 一E r 合金中A 1 3 E r 相的形成 及演化【J ] ．稀有金属，2 0 0 9 ，3 3 2 1 6 4 - 1 6 9 ． [ 1 2 ] 邢泽炳，聂祚仁，邹景霞，等．A 1 一E r 合金铸锭中铒的存在 形式及作用研究[ J 】．中国稀土学报，2 0 0 7 ，2 5 2 2 3 4 2 3 8 ． [ 1 3 ] K e n d i gKL ，M i r a c l eDB ．S t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so f a nA I M g S c Z ra l l o y [ J 】A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 ，5 0 1 6 4 1 6 5 ．4 1 7 5 ． 【1 4 ] X uG u o f u ，M o uS h e n z h o u ，Y a n gJ u n j u n ，e ta 1 ．E f f e c to ft r a c e r a r ee a r t he l e m e n tE ro nA I - Z n M ga l l o y [ J ] ，T r a n sN o n f e r r o u s M e tS o cC h i n a ，2 0 0 6 ，1 6 3 5 9 8 6 0 3 ． 3 6 E n g i n e e r i n gT e c h n o l o q y 万方数据