王 東,何長(zhǎng)樹,王 浩,劉 建,趙 驤,左 良(.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 089;.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 66)
Al-12.7Si-0.7Mg合金焊接熱裂紋傾向性研究
王 東1,何長(zhǎng)樹1,王 浩1,劉 建2,趙 驤1,左 良1
(1.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110819;2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266111)
在不填絲的情況下,采用自動(dòng)TIG焊對(duì)Al-12.7Si-0.7Mg合金熱擠壓型材進(jìn)行魚骨狀裂紋試驗(yàn).通過(guò)目測(cè)、金相觀察、EDS分析、顯微硬度測(cè)定等方法研究了該合金的焊接熱裂紋傾向性及焊接接頭顯微組織與硬度分布.結(jié)果表明:焊縫表面與內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋,合金焊接熱裂紋傾向性低.焊縫區(qū)是母材在焊接熱作用下熔化后激冷形成的鑄態(tài)組織,主要由α-Al、Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含F(xiàn)e相等金屬間化合物構(gòu)成。經(jīng)T6處理后,焊縫區(qū)中呈密集纖維狀的共晶硅粒狀化.顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示焊態(tài)接頭焊縫區(qū)硬度最高,熔合區(qū)急劇下降,在熱影響區(qū)達(dá)到最低,經(jīng)T6處理后,接頭各區(qū)顯微硬度整體提升,且波動(dòng)較小.
Al-12.7Si-0.7Mg合金; TIG焊;焊接熱裂紋傾向性;顯微組織
鋁硅合金具有低密度、高耐磨性、導(dǎo)熱性好、低熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn),被作為鑄造合金廣泛地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、航空航天等領(lǐng)域[1~4].然而,硅含量高的鑄造鋁硅合金由于脆性初生硅或共晶硅的存在使合金變形困難,一般不作為變形合金使用[5,6].本文以東北大學(xué)自主研發(fā)的Al-12.7Si-0.7Mg合金為研究對(duì)象,在不添加任何變質(zhì)劑的條件下通過(guò)半連續(xù)鑄造改善鋁硅合金凝固組織、細(xì)化共晶相及初生硅相,制備了具有顯著細(xì)化組織的合金鑄錠,通過(guò)熱擠壓成功實(shí)現(xiàn)了Al-12.7Si-0.7Mg合金的熱變形[7].與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的6063合金相比,在相同的熱處理狀態(tài)下,Al-12.7Si-0.7Mg合金具有更加良好的力學(xué)性能和廣闊的應(yīng)用前景[8].作為一種新的合金,研究其焊接性對(duì)于該合金的推廣應(yīng)用是十分必要的.
焊接性是金屬材料,包括鋁及鋁合金的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo).材料焊接性是否良好,是影響焊接工藝難易簡(jiǎn)繁、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣、經(jīng)濟(jì)效益高低的重要因素.一般來(lái)說(shuō),在開發(fā)一種新合金或?yàn)樾陆Y(jié)構(gòu)選用新材料時(shí)必須進(jìn)行焊接性實(shí)驗(yàn).焊接裂紋試驗(yàn)方法是工藝焊接性的直接實(shí)驗(yàn)法中的主要內(nèi)容[9].焊接裂紋是一種不被允許的缺陷,因此,開發(fā)新合金及研制新結(jié)構(gòu)時(shí),焊接裂紋傾向性試驗(yàn)常成為首要的焊接性試驗(yàn)項(xiàng)目[10].
魚骨狀裂紋試驗(yàn)主要用于評(píng)定鋁合金、鎂合金和鈦合金的薄板(1~3 mm)焊縫及熱影響區(qū)的熱裂紋敏感性[9].本文通過(guò)魚骨狀試件焊接裂紋實(shí)驗(yàn)法研究了Al-12.7Si-0.7Mg合金擠壓型材的焊接熱裂紋傾向性,對(duì)于這種含鎂高硅變形鋁合金的推廣應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義.
在3 mm厚Al-12.7Si-0.7Mg鋁合金熱擠壓型材上切取如圖1所示尺寸為90 mm×50 mm×3 mm的試板(試板長(zhǎng)度方向平行于熱擠出方向).按圖1所示尺寸在薄板上利用線切割加工出深度逐漸增加的切口,以造成沿試板長(zhǎng)度方向上不同的拘束度,切口間距和寬度分別為9 mm和1 mm,切口越長(zhǎng),該處拘束度越小.從A端到B端拘束度逐漸減小,焊接方向?yàn)閺腁到B.
圖1 魚骨狀試件尺寸/mmFig.1 Size of the fish-bone specimen
焊前用丙酮清潔試板表面的油污并用打磨工具清除其表面氧化膜.所用焊機(jī)為CLOOS GLW 300 I-H-P-R 型TIG焊機(jī).焊接時(shí)采用不填絲自動(dòng)TIG焊,沿著試板中心線從A端到B端熔融出一條焊縫.焊接工藝參數(shù)為:焊接電流70~80 A,交流頻率70 Hz,焊接速度180 mm/min,氬氣流量15 L/min.焊后通過(guò)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)焊縫裂紋長(zhǎng)度來(lái)評(píng)價(jià)合金的焊接裂紋敏感性.檢查方法為目測(cè),試驗(yàn)合金的結(jié)晶裂紋傾向C1和液化裂紋傾向C2可以按下式計(jì)算:
C1=L1/L
(1)
C2=L2/L
(2)
式中:L1為結(jié)晶裂紋長(zhǎng)度之和;L2為液化裂紋長(zhǎng)度之和;L為焊道總長(zhǎng)度.針對(duì)鋁合金裂紋傾向性指標(biāo),要求C1≤10%,C2=0,即可認(rèn)定材料的焊接裂紋傾向性低,焊接性良好[10,11].
利用OLYMPUS金相顯微鏡觀察距離焊接初始端10 mm處焊縫橫斷面各區(qū)域微觀組織,腐蝕液選用新配置的Dix-Keller試劑(體積比為HF∶HCL∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190).利用JEOL JSM-7001F掃描電子顯微鏡對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行了形貌觀察,并對(duì)金屬間化合物進(jìn)行了EDS分析.同時(shí)利用Wilson-Wolpert 401 MVD維氏顯微硬度計(jì)從焊縫中心向母材方向逐點(diǎn)測(cè)量各區(qū)顯微硬度(載荷25 g,加載時(shí)間10 s).將觀察后金相試樣進(jìn)行T6處理,即在鹽浴爐中進(jìn)行520 ℃固溶處理1.5 h,水淬,然后在馬弗爐中進(jìn)行180 ℃時(shí)效3 h處理.對(duì)T6處理后的試樣進(jìn)行金相觀察與顯微硬度測(cè)定.
圖2 魚骨試樣熱裂試驗(yàn)樣品形貌Fig.2 Optical morphologies of the fish-bone specimens
魚骨狀裂紋試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的目視檢測(cè),四個(gè)樣品焊縫表面均不存在裂紋,即使在拘束度最大的焊接初始端,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋,即C1=C2=0.因此,可認(rèn)定Al-12.7Si-0.7Mg合金的焊接裂紋傾向性低,焊接性良好.
為了防止在目視檢測(cè)中遺漏可能存在的裂紋,取2#試件距焊接初始端10 mm處橫斷面進(jìn)行金相觀察,此處拘束度最大,如果焊接材料的焊接裂紋傾向性大,則易于在此處產(chǎn)生裂紋.通過(guò)金相觀察分析各區(qū)域顯微組織,重點(diǎn)觀察其焊縫上部是否存在裂紋.
圖3為魚骨狀焊接試件橫斷面宏觀與微觀組織.在焊縫低倍組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋,在焊縫區(qū)存在少量氣孔.由圖3知,經(jīng)不填絲焊接后的焊縫,其焊接區(qū)域分為焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū).焊縫區(qū)主要由母材在焊接熱作用下熔化后凝固結(jié)晶組織構(gòu)成,焊縫區(qū)組織主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量金屬間化合物構(gòu)成.圖4為焊縫區(qū)SEM形貌及金屬間化合物EDS分析結(jié)果,可以看到呈魚骨狀或漢字狀的黑色相為Mg2Si相,呈長(zhǎng)條狀的淡灰色相為含F(xiàn)e相.焊縫中心晶粒較粗大,呈等軸晶狀,如圖3(d)所示.焊縫區(qū)靠近熔合區(qū)一側(cè)晶粒呈柱狀,且沿著散熱方向具有一定的方向性,如圖3(e)所示.焊接接頭靠近焊縫邊緣有一條很窄的熔合區(qū),熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)為沿著散熱方向排列的柱狀晶,且熔合線處α-Al晶粒粗大,如圖3(b)、(c)和(f)所示.從熔合區(qū)到焊縫中心,溫度梯度逐漸減小,結(jié)晶速度逐漸增加,α-Al晶粒從柱狀晶逐漸變?yōu)榈容S晶.圖3(g)和(h)分別為熱影響區(qū)和母材區(qū),可以看到,與母材區(qū)相比,熱影響區(qū)Si顆粒在焊接熱的影響下發(fā)生了明顯粗化.
圖3 魚骨狀焊接試件焊縫橫斷面宏觀與微觀組織Fig.3 Macro and micro structure on cross section of the fish-bone sample (a)—焊縫宏觀形貌; (b)—左側(cè)熔合區(qū); (c)—右側(cè)熔合區(qū); (d)—焊縫中心; (e)—靠近熔合區(qū)的焊縫區(qū); (f)—熔合區(qū); (g)—熱影響區(qū); (h)—母材區(qū)
從魚骨狀試件焊接裂紋試驗(yàn)的結(jié)果得知,在無(wú)填絲的情況下,試件焊縫表面與內(nèi)部均未產(chǎn)生結(jié)晶裂紋和液化裂紋.距焊接起始端10 mm處(此處拘束度最大)焊縫橫斷面宏、微觀組織觀察結(jié)果顯示,焊縫區(qū)存在少量氣孔,但未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋.這與Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si 元素的含量有關(guān),Si能夠有效地改善鋁合金的流動(dòng)性.在鋁硅合金中,隨著硅含量的增加,合金結(jié)晶溫度范圍變小,流動(dòng)性顯著提高,收縮率下降,熱裂傾向也相應(yīng)減小,根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~6%時(shí)基本不產(chǎn)生熱裂.Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12.7%,流動(dòng)性良好,焊接裂紋傾向性低.
圖5為T6處理(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)后焊縫橫斷面的金相組織.由圖3(d)和5(a)可以看出, T6處理之前,焊縫區(qū)中密集纖維狀的共晶硅存在于樹枝晶之間,呈網(wǎng)絡(luò)化分布.經(jīng)T6處理后,共晶硅連續(xù)網(wǎng)狀分布的特征消失,密集纖維狀共晶硅粒狀化. 由圖5(b)可知,熔合區(qū)靠近焊縫區(qū)一側(cè)共晶硅變化與焊縫區(qū)相似,由密集纖維狀變?yōu)榱?熔合區(qū)靠近熱影響區(qū)一側(cè),硅顆粒明顯地粗化.由圖5(c)和(d)可以看出,經(jīng)T6處理后,熱影響區(qū)與母材區(qū)內(nèi)硅顆粒邊緣圓角化、鈍化,形態(tài)趨于粒化.
圖6為焊態(tài)(As-welded)及T6處理后(T6-treated)焊接接頭不同區(qū)域顯微硬度分布.由圖6可知,焊態(tài)接頭顯微硬度值在焊縫區(qū)達(dá)到最高, 在熔合區(qū)急劇下降, 在熱影響區(qū)達(dá)到最低并形成變化平緩臺(tái)階.經(jīng)T6處理后,焊接接頭各區(qū)硬度大幅度地提升,且各區(qū)域硬度波動(dòng)較小.
圖4 魚骨狀焊接試件焊縫區(qū)SEM形貌及金屬間化合物EDS分析結(jié)果Fig.4 SEM micrograph and EDS spectra of the intermetallic phases in weld zone
圖5 T6處理后焊縫橫斷面金相組織(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)Fig.5 Microstructures of T6-treated welded joint (a)—焊縫中心; (b)—熔合區(qū); (c)—熱影響區(qū); (d)—母材區(qū)
圖6 焊態(tài)及T6處理后焊接接頭顯微硬度分布Fig.6 Micro-hardness distribution of as-welded and T6-treated joints
(1)Al-12.7Si-0.7Mg合金擠壓型材不填絲焊縫表面未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶裂紋和液化裂紋,該合金抗熱裂性能良好,焊接裂紋傾向性低.
(2)焊接接頭焊縫區(qū)組織主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含F(xiàn)e相等金屬間化合物構(gòu)成.經(jīng)T6處理后,焊縫區(qū)呈密集纖維狀的共晶硅粒狀化.
(3)顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示,焊態(tài)接頭焊縫區(qū)的硬度最高, 到熔合區(qū)硬度急劇下降, 熱影響區(qū)的硬度值最低.經(jīng)T6處理后,焊接接頭各區(qū)硬度大幅度的提升,且各區(qū)硬度波動(dòng)較小.
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ResearchonhotcrackingsusceptibilityofAl-12.7Si-0.7Mgalloy
Wang Dong1, He Changshu1, Wang Hao1, Liu Jian2, Zhao Xiang1, Zuo Liang1
(1.Key Laboratory of Anisotropy and Texture of Materials (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, China;2.Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd., Qingdao 266111, China)
Fish-bone cracking test was carried out on the hot extruded Al-12.7Si-0.7Mg alloy by using automatic TIG welding method without filler metal. The hot cracking susceptibility of the alloy and microstructures as well as micro-hardness distribution of the welded joint were studied by visual inspection, optical microscopy, EDS spectra analysis and micro-hardness test. The results showed that there is no cracking found on surface or in interior of the welded joint, the hot cracking susceptibility is low. The weld zone is a typical casting structure formed during the weld solidification affected by the welding heat input. The weld zone is mainly composed ofα-Al, Al-Si eutectic phase and a few of intermetallics phases (Mg2Si, Fe-containing phase) precipitated in the interdendritic regions. Treated by T6, the fibrous eutectic Si in the weld zone is spheroidized. Distribution of the micro-hardness showed that the hardness of as-welded joint gets maximum values in the weld zone, drops rapidly in the fusion zone and reaches minimum values at the heat affected zone. Treated by T6, hardness on the joints increases entirely and stably.
Al-12.7Si-0.7Mg alloy; TIG welding; welding hot cracking susceptibility; microstructure
2013-11-19.
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(節(jié)約型高硅變形鋁硅合金生產(chǎn)工藝開發(fā)與示范,2009BAE80B01);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(高速列車關(guān)鍵材料及部件可靠性,2009BAG12A07-B02);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT0713).
王東(1985—),男,東北大學(xué)博士研究生,E-mail:dwwinter@126.com; 趙驤(1956—),男,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師; 左良(1963—),男,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.
TG 457.14
A
1671-6620(2014)04-0266-06