王麗萍，王 操，苗承義，徐靖淳，屈 林

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金材料由于其比強度高、耐腐蝕性能好、塑性較高等一系列優(yōu)點，且滿足輕量化使用要求，被廣泛用于高鐵、船舶、巨型游輪、航天飛機、宇宙飛船等交通運輸設(shè)備中[1]。鋁合金材料需要通過熱處理獲得高強度與高韌性，而在熱處理強化過程中形成較大的殘余應(yīng)力，目前降低與消除殘余應(yīng)力的方法主要有時效處理、振動時效、深冷處理、機械拉伸(壓縮)法等，深冷處理能夠有效減少鋁合金構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性[2]。

深冷處理又稱超低溫處理，是指以液氮為冷卻介質(zhì)，對材料在-130℃以下金相處理的一種工藝方法[3]。本試驗通過對不同熱處理狀態(tài)下的TIG焊接材料進行深冷處理實驗，分析深冷處理對TIG焊接件組織及力學(xué)性能的影響。

1 實驗方案

本試驗用材料為TIG焊接板材，母材為6005A擠壓型材，焊絲為5356鋁合金焊絲，長度為600mm、寬度為200mm、厚度為2.5mm;采用單道焊接方式，焊接電流為105A，焊接速度為6mm/s，宏觀形貌如圖1所示，力學(xué)拉伸試樣尺寸如圖2所示。拉伸試樣經(jīng)表1中所示熱、冷處理工藝，每個處理工藝取3個平行試樣，結(jié)果取3個拉伸數(shù)據(jù)的平均值。室溫力學(xué)拉伸速率均設(shè)定為12mm/min。

表1 熱、冷處理工藝

使用掃描電子顯微鏡觀察分析拉伸斷口形貌，并對斷口附近組織進行金相觀察與分析。為在樣品制備過程中不破壞斷口組織，試驗樣品金相制備前對其進行鑲嵌。

2 實驗結(jié)果

2.1 常溫拉伸性能

表2為不同制度下TIG焊接板材力學(xué)性能數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，與固溶處理后的焊接板材相比，焊接板材經(jīng)過深冷處理后其屈服強度降低，抗拉強度有所提高，斷后伸長率明顯降低；與固溶后直接時效處理的焊接板材相比，深冷處理后進行時效處理試驗材料的屈服強度及抗拉強度明顯提高，而斷后伸長率大幅下降；固溶、固溶+深冷處理后的斷口斷裂位置為母材處；固溶+時效、固溶+深冷+時效處理后的斷口斷裂位置為熔合線處；固溶+深冷+時效處理后的焊接板材，其強度強于母材的強度。

表2 不同制度下TIG焊接板材力學(xué)性能

2.2 斷口形貌

圖3為TIG焊接板材在不同制度處理后室溫拉伸斷口形貌。

由圖3可知,TIG焊接板材經(jīng)固溶后的拉伸斷口出現(xiàn)縮頸，斷裂部位母材處、斷口中心及邊緣均出現(xiàn)大量撕裂棱，高倍數(shù)下觀察整體斷口處分布大量韌窩且韌窩較深，韌窩尺寸大小不一。固溶后進行深冷的斷口試樣，斷裂位置處于母材處，其撕裂狀斷口與固溶斷口相比較寬，邊部平滑斷口較多，高倍數(shù)下觀察其中心撕裂出韌窩較大，韌窩尺寸相近，韌窩附近存在大量準解理特征。固溶后未經(jīng)深冷處理直接時效的拉伸斷口，其斷口截面均由韌窩及撕裂棱組成，斷裂位置在熔合線處斷裂，高倍數(shù)下觀察其韌窩較多且尺寸較大。固溶+深冷+時效后的拉伸斷口，其斷裂位置位于熔合線處，斷裂痕跡清晰明顯，斷口由韌窩及撕裂棱組成，高倍數(shù)下觀察斷口，其韌窩尺寸較小，韌窩連接處存在層疊狀準解理面。

2.3 金相組織觀察

圖4為TIG焊接板材在不同制度處理后拉伸斷口側(cè)面金相組織形貌。圖中，(a)(b)(c)為焊接板經(jīng)固溶處理后截面顯微組織，(b)(c)分別為(a)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，可知焊接板材經(jīng)固溶后的拉伸斷口試樣邊緣較為圓滑，斷口斷裂位置為母材處，熔合線附近晶粒明顯拉長，由陽極覆膜圖可知其晶粒被明顯拉長后穿晶斷裂；(d)(e)(f)為焊接板經(jīng)固溶+深冷處理后截面顯微組織，(e)(f)分別為(d)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，可知固溶后進行深冷的拉伸試樣，其斷口邊緣較為平整，較少出現(xiàn)曲線斷口，斷口位置為母材處，熔合線位置晶粒向母材處延伸，由陽極覆膜圖片可知其晶粒被拉長至斷裂；(g)(h)(i)為焊接板經(jīng)固溶+時效處理后截面顯微組織，(h)(i)分別為(g)斷裂位置的顯微組織及晶粒形貌，可知固溶后進行時效的拉伸斷口試樣其斷口較為圓滑，斷口為母材與焊絲交接處，熔合線處組織較細小，由陽極覆膜圖可知其晶粒變形程度明顯降低，沿晶界處發(fā)生斷裂；(j)(k)(l)為焊接板經(jīng)固溶+深冷+時效處理后截面顯微組織，(k)(l)分別為(j)中熔合線處組織及斷裂處晶粒形貌，深冷后進行時效的拉伸斷口試樣其斷裂位置位于熔合線偏向于焊絲處，斷口較為圓滑，熔合線處出現(xiàn)4種遞進組織，由陽極覆膜圖片可知，其晶粒沿晶界線斷裂。

3 分析與討論

TIG焊是以純鎢或活化鎢為電極，利用電弧產(chǎn)生大量熱熔化待焊處，焊接過程中母材金屬與熔敷金屬為熔融態(tài)，焊接及冷卻過程中電極噴嘴噴出惰性氣體進行保護，因此焊縫區(qū)域組織較粗大，母材與焊接接頭區(qū)域存在較大的過渡區(qū)域。焊接板材熔敷金屬為5356鋁合金，母材為6005A鋁合金。焊接板材在固溶過程中，其固溶溫度接近母材固相線溫度，由于5356鋁合金受熱處理影響較低，因此焊縫區(qū)域組織形貌變化不明顯。母材區(qū)組織第二相溶解度較大，大部分第二相溶于基體中，使得材料屈服強度與抗拉強度降低，塑性大幅度提高，在進行室溫拉伸時母材處的晶粒被拉長至斷裂，宏觀表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯縮頸，斷口部位較圓滑。焊接板材經(jīng)固溶后進行深冷處理，由于深冷處理是在-196℃條件下進行，相當(dāng)于在材料時效之前進行了一次預(yù)時效處理，大大消除了焊接及固溶過程中的殘余應(yīng)力。同時，深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)[5]，阻礙位錯滑移起到位錯釘扎作用，使得母材及焊接接頭區(qū)域的屈服強度及抗拉強度有所提升，但總體上母材強度低于焊接接頭區(qū)域強度，因此材料斷裂位置處于母材區(qū)域。通過固溶+時效與固溶+深冷+時效對比試驗可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過深冷處理的試樣由于提前析出部分析出相Mg2Si，在時效過程中，其析出第二相更為徹底，且時效前經(jīng)過深冷處理的組織時效時由于晶粒轉(zhuǎn)動在熔合線區(qū)域出現(xiàn)過渡型組織，提高了母材強度的同時，也提高了焊接接頭處的屈服強度與抗拉強度。

4 結(jié)論

(1)TIG板材經(jīng)深冷處理后屈服強度與抗拉強度有所提升，深冷后時效試樣屈服強度與抗拉強度分別提升6%和8%；

(2)TIG板材焊接接頭經(jīng)固溶+深冷+時效后屈服及抗拉強度與母材相近，而塑性有所下降；

(3)深冷處理使晶粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，位錯滑移受阻，時效后在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生過渡型等軸晶組織，使材料的抗拉強度及屈服強度進一步提高。