焊接過程中Al-Mg-Zn鋁合金的微觀組織變化

張志毅，汪 認(rèn)，劉 建，張曉鴻，章淑芳，陳 輝

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)，四川成都610031）

焊接過程中Al-Mg-Zn鋁合金的微觀組織變化

張志毅1，汪 認(rèn)1，劉 建1，張曉鴻2，章淑芳2，陳 輝2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)，四川成都610031）

7系A(chǔ)l-Mg-Zn鋁合金是廣泛應(yīng)用于高速列車車體的結(jié)構(gòu)材料，本研究的材料為軋制后經(jīng)過固溶處理并經(jīng)自然時(shí)效的熱處理強(qiáng)化板材。列車的焊接制造過程中，由于焊接熱源作用改變型材的熱處理狀態(tài)，導(dǎo)致接頭區(qū)域的力學(xué)性能弱化。通過采集焊接試驗(yàn)過程中的熱循環(huán)曲線，研究7系鋁合金焊接接頭熱影響區(qū)的溫度變化過程，并根據(jù)熱循環(huán)特征對(duì)T4熱處理狀態(tài)的鋁合金板材進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，劃分熱影響區(qū)的固溶區(qū)和過時(shí)效區(qū)，并分析熱影響區(qū)的組織演變和硬度分布規(guī)律。結(jié)果表明，采用脈沖MIG和激光-MIG復(fù)合焊兩種焊接方法，在接頭的固溶區(qū)域均出現(xiàn)軟化，但經(jīng)過100天的自然時(shí)效，強(qiáng)度可恢復(fù)到母材水平。

7系鋁合金；熱處理強(qiáng)化板材；熱循環(huán)；固溶區(qū)

0 前言

高速列車由于運(yùn)行速度高，運(yùn)輸能力大，能源消耗少，環(huán)境污染輕，乘坐快捷、舒適、安全等特點(diǎn)，成為目前世界客運(yùn)發(fā)展的共同趨勢(shì)。鋁合金材料密度小、比強(qiáng)度高、成型性好，可加工成各種型材，加之優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和耐蝕性，已被廣泛應(yīng)用于高速列車車體。7系鋁合金是高速列車的主要結(jié)構(gòu)材料之一[1-2]。η’相是7系合金的重要強(qiáng)化相[3-5]，與基體保持半共格關(guān)系[6]。在更高或更長(zhǎng)的保溫時(shí)間下，過飽和固溶體會(huì)析出平衡相η，與基體為共格關(guān)系，當(dāng)η相大量出現(xiàn)時(shí)，合金發(fā)生明顯軟化。

熱處理可強(qiáng)化鋁合金的焊接接頭普遍存在的軟化現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代，Martukanitz等人研究了7020和7022鋁合金弧焊接頭性能，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的軟化最嚴(yán)重，并將熱影響區(qū)分為固溶區(qū)和過時(shí)效區(qū)[7]。Ma T、Hu B等人進(jìn)一步研究7XXX系鋁合金焊接接頭軟化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)焊接熱輸入對(duì)接頭軟化有重要影響，即熱輸入越大，接頭軟化也越嚴(yán)重[8-10]。熱處理可強(qiáng)化鋁合金焊接接頭熱影響區(qū)普遍存在的軟化現(xiàn)象與第二相受熱發(fā)生的變化有關(guān)。

本研究將通過Gleeble熱模擬技術(shù)對(duì)T4熱處理狀態(tài)的7系鋁合金材料進(jìn)行焊接熱模擬，研究該材料熱影響區(qū)的微觀組織演變。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為高速列車結(jié)構(gòu)材料7系鋁合金（厚度15 mm），熱處理狀態(tài)為T4狀態(tài)，即固溶處理+淬火+自然時(shí)效狀態(tài)。采用電火花直讀光譜儀測(cè)試材料成分（測(cè)試5個(gè)點(diǎn)求平均值），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 7系鋁合金的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

首先采用熱電偶采集鋁合金對(duì)接接頭熱影響區(qū)的溫度變化，記錄不同位置的焊接熱循環(huán)曲線特征。然后采用Gleeble-3500熱模擬機(jī)結(jié)合實(shí)際測(cè)試的熱循環(huán)特征參數(shù)，設(shè)置不同的加熱和冷卻方式，模擬7系鋁合金焊接接頭的熱模擬固溶區(qū)和過時(shí)效區(qū)。

焊接溫度采集試驗(yàn)用于測(cè)試距焊縫中心不同距離處的焊接熱循環(huán)，具體試驗(yàn)過程如下：

（1）先制備尺寸150 mm×150 mm×15 mm鋁合金試板，然后在試板上畫線布點(diǎn)。

（2）布點(diǎn)完成后，從背面打孔，將兩根熱電偶一起點(diǎn)焊到試板上的小孔中，布孔距離焊接中心線距離為0～30 mm。

（3）將準(zhǔn)備好的試板夾持到工作平臺(tái)，然后通過導(dǎo)線將溫度采集儀上的采集通道接到熱電偶上。

（4）分別采用MIG焊、激光-MIG復(fù)合焊在試板上進(jìn)行堆焊，焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

采用Gleeble-3500試驗(yàn)機(jī)設(shè)置熱循環(huán)參數(shù)，對(duì)T4熱處理狀態(tài)的母材進(jìn)行熱影響區(qū)焊接熱模擬。熱模擬中主要采用升溫速率vh、加熱最高溫度Tm、高溫停留時(shí)間th、冷卻速度vc和冷卻時(shí)間tc模擬焊接試驗(yàn)采集的溫度曲線，如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)束后，采用顯微鏡、掃描電鏡觀察和分析焊接熱模擬后的鋁合金組織。

圖1 焊接熱循環(huán)模擬加載示意

2 7系鋁合金（T4）的微觀組織形貌

平行于擠壓/軋制方向的微觀組織形貌如圖2所示（圖片水平方向?yàn)閿D壓/軋制方向）。鋁合金晶粒經(jīng)軋制成型后，呈明顯的帶狀形貌，晶粒粗大，且在晶界及晶內(nèi)同樣分布著較大的第二相顆粒。

為了進(jìn)一步分析合金表面的第二相，利用掃描電子顯微鏡的原子背散射技術(shù)，觀察結(jié)果如圖3所示。7000系鋁合金中除了鋁基體相外都是第二相，α-Al是鋁合金的基體相，是純Al晶體中溶解Mg、Zn、Cu、Zr等原子，保持與純Al相同結(jié)構(gòu)的固溶體。尺寸在數(shù)十納米的第二相是η相（MgZn2），是7系鋁合金材料中的主要固溶強(qiáng)化相。

經(jīng)EDS分析，這些第二相粒子中含有大量的雜質(zhì)元素Fe和少量的Si，如圖4所示，是合金中的有害雜質(zhì)，主要來自原材料以及熔煉、鑄造中使用的工具和設(shè)備。這些難溶的第二相在變形時(shí)會(huì)破碎并拉長(zhǎng)，出現(xiàn)帶狀組織，對(duì)高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有不利影響。

圖2 7系鋁合金（T4）微觀組織形貌

圖3 析出相分布形貌

圖4 EDS分析圖

3 7系鋁合金（T4）的平衡態(tài)組織

采用JmatPro-6.0軟件（材料數(shù)據(jù)庫(kù)分析軟件）計(jì)算該7系鋁合金的室溫平衡組織（即鑄態(tài)組織）。該鋁合金的室溫平衡組織主要包括以下5種，如圖5所示。

（1）MgZn2：析出溫度319.8℃，室溫平衡質(zhì)量百分比3.83%，重要熱處理強(qiáng)化相。

（2）Al-Cr-Mg-Mn（Al固溶相）：析出溫度為445.74℃，室溫平衡質(zhì)量百分比1.45%。

（3）Al-Cu-Mg-Zn（Al固溶相）：析出溫度為148.54℃，室溫平衡質(zhì)量百分比1.2%。

（4）Al6Mn：析出溫度617.19℃，室溫平衡質(zhì)量百分比1.45%。

圖5 7系鋁合金平衡態(tài)下的室溫組織

（5）Mg2Si：析出溫度393.53℃，室溫平衡質(zhì)量百分比0.081 9%。

試驗(yàn)材料在鑄造、軋制、擠壓等成型工藝過程中帶入了大量的過剩Fe元素，使得Fe元素富集的雜質(zhì)相析出，并沿著擠壓/軋制方向呈帶狀分布。

4 焊接熱循環(huán)對(duì)7系鋁合金（T4）組織的影響

4.1 7系鋁合金（T4）的焊接熱循環(huán)特征

測(cè)試距離焊縫熔合線0mm，3mm，10mm，15mm，20 mm，25 mm，30 mm處的焊接熱循環(huán)曲線。隨著距熔合線距離的增加，峰值溫度從750℃到80℃逐漸降低，升溫速度170～110℃/s。4種焊接熱循環(huán)參數(shù)如表3所示。

4.2 7系鋁合金（T4）的熱影響區(qū)組織形貌

由于鋁合金母材基體為固溶處理后進(jìn)行自然時(shí)效的狀態(tài)，當(dāng)焊接熱循環(huán)的峰值溫度較高時(shí)，熱影響區(qū)相當(dāng)于進(jìn)行了固溶處理。峰值溫度420℃的焊接熱循環(huán)后的微觀組織形貌如圖6a、6b所示，與母材的組織形貌類似。經(jīng)過100天的自然時(shí)效，強(qiáng)度和硬度恢復(fù)到母材水平。

表3 熱模擬試驗(yàn)參數(shù)

當(dāng)焊接熱循環(huán)的峰值溫度較低時(shí)，相當(dāng)于對(duì)原始母材進(jìn)行了短時(shí)人工時(shí)效處理。峰值溫度320℃的焊接熱循環(huán)后的微觀組織如圖6c、6d所示，在鋁合金基體上析出了彌散細(xì)小的強(qiáng)化相MgZn2（均勻分布在基體上的細(xì)小白點(diǎn)）。因此焊接接頭的熱影響區(qū)的強(qiáng)度和硬度與母材相當(dāng)，沒有明顯的軟化區(qū)。

圖6 焊接熱循環(huán)后的7系鋁合金（T4）微觀組織

5 結(jié)論

（1）焊接熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明，處于T4熱處理狀態(tài)的7系鋁合金接頭的焊縫位置強(qiáng)度最低。

（2）焊接熱模擬結(jié)果表明，7系鋁合金焊接接頭的熱影響區(qū)可分為固溶區(qū)和時(shí)效區(qū)。在距離焊縫約10 mm的區(qū)域經(jīng)歷了峰值溫度較高的熱循環(huán)，相當(dāng)于進(jìn)行了固溶處理；當(dāng)該區(qū)域經(jīng)歷峰值溫度較低的熱循環(huán)時(shí)，使熱影響區(qū)處于200℃～100℃的短時(shí)保溫，相當(dāng)于進(jìn)行了人工時(shí)效處理。

（3）7系鋁合金焊接接頭的熱影響區(qū)經(jīng)歷100天的自然時(shí)效，硬度基本可恢復(fù)到母材的初始硬度。

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Microstructure evolution of Al-Mg-Zn alloy during welding procedure

ZHANG Zhiyi1，WANG Ren1，LIU Jian1，ZHANG Xiaohong2，ZHANG Shufang2，CHEN Hui2
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

7XXX Al-Mg-Zn alloy was a widely used structure material in high-speed train body production manufacturing.In this paper,the aluminum alloy was heat treated by solution treatment along with natural aging process.During the welding process，the heattreated condition of aluminum alloy would be transformed by the welding heat source，resulting in the weakening of the mechanical properties of weldment.In this paper，the thermal cycling curve was collected during welding procedure test.Subsequently，the temperature evolution in HAZ was analyzed，and HAZ was subdivided into two sections of solid-solution area and aging area by peak temperature.Furthermore，the microstructure evolution and hardness distribution of two kinds of HAZ was concluded.After pulsed-MIG welding and laser-MIG hybrid welding procedure tests，hardness softening was recovered after 100 days natural aging process.

Al-Zn-Mg aluminum alloy；heat treatment reinforced plate；thermal cycling；solid solution region

TG457.14

B

1001－2303（2017）03－0088-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.17

獻(xiàn)

張志毅，汪認(rèn)，劉建，等.焊接過程中Al-Mg-Zn鋁合金的微觀組織變化[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：88-92.

2016-03-21；

2016-12-13

張志毅（1980—），男，浙江金華人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事焊接工藝及設(shè)備研發(fā)工作。