Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)ER5356焊絲焊后接頭組織性能的影響

徐振，賈品峰，侯忠霖，郭菁，龐啟航，于德川

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)ER5356焊絲焊后接頭組織性能的影響

徐振，賈品峰，侯忠霖，郭菁，龐啟航，于德川

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

為了提高焊絲焊后接頭力學(xué)性能，研究了Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)ER5356焊絲焊后接頭組織性能的影響，優(yōu)化了焊絲成分。焊接母材選用7A52鋁合金板材，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行板材對(duì)接焊，觀察焊接接頭的顯微組織，進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。研究表明，焊縫區(qū)是上述焊接接頭最為薄弱的環(huán)節(jié)。隨著焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，焊接接頭的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，延伸率隨之下降。

ER5356焊絲；焊接接頭；顯微組織；力學(xué)性能

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外建筑、船舶、低溫工程、車(chē)輛、橋梁、化工機(jī)械和航空航天事業(yè)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)︿X合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求也日益增多。但由于鋁合金自身特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)大、對(duì)氫的溶解度隨溫度變化大、極易氧化等，鋁合金焊接過(guò)程中極易存在一些難以解決的問(wèn)題。使用鋁合金焊接鋁合金結(jié)構(gòu)時(shí)，熱輸入量較高，焊后接頭軟化嚴(yán)重，這極大地制約了鋁合金焊接件在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用［1-6］。大量研究表明，在不改變焊接母材與焊接工藝的條件下，優(yōu)化焊接填充材料成分可以有效提高焊絲焊接性能［7-10］。趙志浩等研究發(fā)現(xiàn)，在ER5183焊絲和ER4043焊絲中添加微量的Zr、Sc、Mg等可以大幅提高ER5183焊絲焊后焊接接頭的強(qiáng)度，增強(qiáng)ER4043焊絲焊后堆焊層的耐磨性［11］?；诖?，本文以傳統(tǒng)Al-Mg焊絲（ER5356）合金成分為基礎(chǔ)，改變焊絲中主合金元素Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，配合使用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)等設(shè)備研究了Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)傳統(tǒng)ER5356焊絲焊后焊接接頭組織與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用ER5356焊絲直徑為3.1 mm，對(duì)接焊用鋁合金母材為7A52鋁合金板材，厚度為4 mm，板材為T(mén)6態(tài)，母材與焊絲合金成分如表1所示。焊接試驗(yàn)采用手工鎢極惰性保護(hù)焊，焊接形式為板材對(duì)接焊，單面焊接，雙面成形，焊接用母材的尺寸規(guī)格為250 mm×100 mm×4 mm。

焊接前，配合使用物理與化學(xué)的方法對(duì)母材進(jìn)行焊前預(yù)處理，先用機(jī)械打磨的方式去除母材表面及坡口附近的氧化膜，再使用丙酮等有機(jī)溶劑清洗母材表面，去除母材表面的油污，之后將處理后的母材裝入密封袋中密封，在15 min內(nèi)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。焊接工藝參數(shù)為焊接電流190 A，電壓9 V，速率0.8 mm/s，保護(hù)氣流量15 L/min，使用100%氬氣進(jìn)行保護(hù)。

表1 母材與焊絲合金成分，%Tab.1 Chemical composition of base metal and welding wires，%

從焊縫處截取金相試樣，截取試樣時(shí)應(yīng)垂直于焊縫方向，試樣經(jīng)機(jī)械拋光和Kerell試劑腐蝕后在Leica DMI5000M光學(xué)金相顯微鏡下觀察焊接接頭的顯微組織，同時(shí)采用島津SHIMADZU SSX-550掃描電子顯微鏡觀察焊后焊接接頭組織，使用能譜測(cè)試分析組織中的物相成分。利用TECNAI G220型透射電子顯微鏡觀察并分析合金的微觀組織形貌時(shí)，使用線切割機(jī)在焊縫處切取出1 mm的薄片后，在2000#粒度的砂紙上減薄至80 μm，最后用雙噴法化學(xué)減薄。使用SANS CMT-5150微機(jī)控制電子萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)焊絲焊后焊接接頭進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，每組數(shù)據(jù)均為三次測(cè)量結(jié)果的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 力學(xué)性能

不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ER5356焊絲焊后接頭進(jìn)行常溫拉伸實(shí)驗(yàn)，斷裂均發(fā)生在焊縫處，這表明焊縫區(qū)是上述焊絲焊后焊接接頭最為薄弱的環(huán)節(jié)。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1示。隨著ER5356焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，焊絲焊后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨之增大，但延伸率隨之下降。當(dāng)焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)由4.8%增加到5.1%時(shí)，焊絲焊后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了2.9%和5.9%，延伸率下降了2.2%；當(dāng)焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5.1%增加到5.4%時(shí)，焊絲焊后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度僅分別提高了1.0%和1.9%，延伸率則下降了5.6%。上述結(jié)果表明，提高ER5356焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于提高焊絲焊后焊接接頭的強(qiáng)度，但會(huì)降低焊接接頭的延伸率。此外，當(dāng)焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)（5.1%），進(jìn)一步增加焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)法再顯著提高焊接接頭的強(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)造成焊接接頭延伸率的明顯下降。

2.2 顯微組織

焊接接頭主要由焊縫區(qū)（WZ）、熔合區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）以及母材（BM）所組成，其中焊縫區(qū)、熔合區(qū)合熱影響區(qū)均可以成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。圖2為不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ER5356焊絲焊后焊縫區(qū)組織。焊縫區(qū)組織由明顯的等軸晶組成，不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ER5356焊絲焊后焊縫區(qū)組織晶粒尺寸無(wú)明顯區(qū)別，但組織中非平衡相數(shù)量隨著焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增多。

圖1 不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ER5356焊絲焊后接頭常溫拉伸強(qiáng)度Fig.1 Tensile strength at room temperature of welded joints welded by ER5356 welding wires with different Mg contents

圖2 不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)ER5356焊絲焊后焊縫組織Fig.2 Microstructures of WZ with ER5356 welding wires with different Mg contents

使用掃描電鏡觀察焊縫組織中的非平衡相，如圖3所示。焊縫組織中存在非平衡相主要為Al3Mg2相。Al3Mg2相的存在主要是由于焊接時(shí)焊縫冷卻速度較快，合金中的Mg元素不能完全固溶于基體中，從而導(dǎo)致部分的Mg與Al結(jié)合生成了Al3Mg2相。使用透射電鏡觀察焊縫組織，如圖4所示。焊縫組織存在納米級(jí)的析出相，能譜分析結(jié)果表明這些析出相是含Mn相，并不是含Mg相。

圖3 ER 5356-2焊絲焊后焊縫組織掃描電鏡圖像及能譜分析結(jié)果Fig.3 SEM image and EDS analysis result of WZ with welding wire ER 5356-2

圖4 ER 5356-2焊絲焊后焊縫組織透射電鏡圖像及能譜分析結(jié)果Fig.4 TEM bright field image and EDS analysis result of WZ with welding wire 5356-2

顯微組織觀察與力學(xué)性能測(cè)試表明，Mg主要通過(guò)固溶強(qiáng)化的方式對(duì)焊接接頭進(jìn)行強(qiáng)化，而不是彌散強(qiáng)化。這主要是由于Mg在α-Al中的固溶度較高，在焊接接頭凝固結(jié)晶過(guò)程中難以形成含Mg的過(guò)飽和固溶體，因此組織中無(wú)法析出納米級(jí)的含Mg析出相，這使得ER5356焊絲焊后焊縫組織中無(wú)法形成納米級(jí)的Al3Mg2析出相。隨著焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋁基體中固溶的Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)，從而使得焊接接頭強(qiáng)度提高。但是由于Mg在α-Al中的固溶度是一定的，因此當(dāng)Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，進(jìn)一步在焊絲中添加Mg元素已經(jīng)無(wú)法明顯提高基體中Mg元素的固溶量，反而會(huì)在組織中形成尺寸較大的Al3Mg2相（圖3所示），此時(shí)焊后焊接接頭強(qiáng)度提高效果較小，而延伸率則明顯下降，這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相符。綜合以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，ER5356焊絲中較為合理的Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%。

3 結(jié)論

（1）使用不同Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ER5356焊絲焊接7A52鋁合金板材后發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的強(qiáng)度隨焊絲中Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)，而延伸率則隨之降低，ER5356焊絲中較為合理的Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%。

（2）常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，拉伸斷裂均發(fā)生在焊接接頭的焊縫區(qū)，這表明焊縫區(qū)為此焊接接頭最為薄弱的環(huán)節(jié)。

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［］［］

Effects of Mg content on microstructures and properties of welded joints welded with ER5356 aluminum welding wires

XU Zhen，JIA Pinfeng，HOU Zhonglin，GUO Jing，PANG Qihang，YU Dechuan
（School of Material and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

The effects of Mg content on microstructures and properties of welding joints welded with ER5356 aluminum welding wires were studied.The composition of welding wires were optimized to improve the microstructure and properties of the welded joints.The 7A52 aluminum alloy sheets used as base metal were welded by tungsten inert gas welding.The microstructures of welded joints were observed and the mechanical properties were tested.The result shows that the weld zone is the weakest of welded joints.With the increase of Mg content，the strength of the welded joints increase and the elongation decreases.

ER5356 welding wire；welded joint；microstructure；mechanical property

September 20，2016）

TG146.2

A

1674-1048（2017）02-0112-05

10.13988/j.ustl.2017.02.007

2016-09-20。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（N130709001）。

徐振（1987—），男，遼寧鞍山人，講師。