陳圣龍,武子琴,朱晉良,王立偉,2*,梁志敏,2
1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018
2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點實驗室 河北石家莊 050018
7N01屬于Al-Zn-Mg系鋁合金,不但其硬度、剛度很高,而且也具有耐蝕性優(yōu)良、易成形和密度較低等一系列的特點[1],在焊接中被廣泛地應(yīng)用于海洋船舶、航空航天、工業(yè)建筑等各個不同領(lǐng)域中[2-4]。雖然7N01有著一系列的優(yōu)點,但在焊接過程中也容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等較為典型的焊接缺陷,同時會出現(xiàn)因熱影響區(qū)軟化而造成的鋁合金焊接接頭力學(xué)性能下降的問題[5,6]。分析其原因,是由于焊接的熱輸入過高,即焊接時需要足夠的熱輸入量來熔化母材和焊料,而較高的熱輸入量會使焊接接頭發(fā)生軟化,其硬度和剛度明顯下降,力學(xué)性能也會顯著降低,因而使其在焊接的應(yīng)用中受到很大的限制。而冷金屬過渡技術(shù)(CMT)可以彌補上述不足,其具有焊接熱輸入量較低、無飛濺、焊后變形較小、焊接效率較高,焊縫成形良好等優(yōu)點[7,8]。CMT焊接不僅能夠保證其完全焊透,降低熱裂紋出現(xiàn)的可能,且其影響區(qū)的軟化也會減少,因而可以提高其力學(xué)性能[9]。
本次試驗是采用冷金屬過渡技術(shù)(CMT)進行平板對接的多層多道焊,對接間隙為1.5mm,采用單邊35°V形坡口(見圖1),母材為T4狀態(tài)(固溶處理加自然時效)下的7N01鋁合金材料,其中母材的幾何尺寸為350mm×300mm×12mm。選用的焊絲牌號為ER5356、φ1.2mm,保護氣為高純氬氣。母材7N01鋁合金和焊絲ER5356的化學(xué)成分見表1。焊接時采用三層四道焊,其中第一道(S1)為打底焊,第二道(S2)為填充焊,第三、四道(S3、S4)為蓋面焊,具體的焊接參數(shù)見表2。在對接頭進行維氏硬度檢測時,是以焊縫中心為基點,測量間距為:焊縫外1mm,焊縫內(nèi)0.5mm,總共測量6條,分別為中間,從內(nèi)到外每條距離1.8mm。焊后拉伸試樣按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》中的標準加工后再進行拉伸試驗,具體尺寸如圖2所示。對焊后的7N01多層CMT接頭進行金相、硬度和拉伸試驗等,并對試驗數(shù)據(jù)進行處理,分析研究焊后接頭的微觀組織和力學(xué)性能。
圖1 坡口形式
圖2 拉伸尺寸
表1 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)
表2 焊接參數(shù)
焊后的焊接接頭金相組織如圖3所示,從圖中可明顯看出,各個焊道的分界線明顯,整體圖呈現(xiàn)“碗狀”,同時可清楚觀察到每條焊縫的金相組織,且金相中的晶粒從上往下逐漸變細,且焊接接口能夠分為三個晶區(qū),即細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。
圖3 焊接接頭金相組織
細晶區(qū)形成的原因是在焊接過程中,附近的母材區(qū)溫度比其低,焊縫向母材方向散熱,靠近焊縫的母材區(qū)(即熱影響區(qū))因吸收熱量而變得粗大,從而使熱影響區(qū)的晶粒比原始母材的晶粒更加粗大;此外,由于母材吸收了部分熱量,所以使得焊縫和母材接觸的表面層溫度比焊縫溫度更低,具有較大的過冷度。同時,母材是一個非均勻結(jié)構(gòu),在表層區(qū)會立即產(chǎn)生大量的晶核,并同時向四面八方生長,晶核的數(shù)量足夠多,但空間有限,生長受到抑制,從而在靠近母材的表層區(qū)形成一層很薄的等軸晶粒區(qū),即細晶區(qū)。細晶區(qū)的晶粒十分細小,組織致密,力學(xué)性能很好。
柱狀晶區(qū)形成的原因是在表層細晶區(qū)形成的同時,一方面母材的溫度升高,另一方面因為金屬凝固后會收縮,使細晶區(qū)和母材分離形成一空氣層,給中間的散熱造成困難,并且在細晶區(qū)的形成過程中也會釋放出熱量,這會使溫度梯度變得平緩,所以在此區(qū)域無法再次形核,主要靠晶粒的繼續(xù)長大,并且在垂直于母材方向散熱最快,因此晶體沿其相反方向擇優(yōu)成長形成柱狀晶區(qū)。
中心等軸晶區(qū)的形成,隨著柱狀晶的生長、熔池的散熱,使焊縫中心部分的液態(tài)金屬溫度降至熔點以下,由于液態(tài)金屬中存在的雜質(zhì),滿足了形核條件,于是在整個剩余金屬液體中開始形成晶核,晶粒在各個方向上自由生長,最終形成中心等軸晶。
圖4中為焊接接頭的焊腳位置金相,焊腳為焊縫表面與母材的交界處。通過圖片可以清楚地分辨出焊縫和母材,母材呈細長條狀,平行且較為均勻,焊縫表面為細小晶粒結(jié)構(gòu),相對細小且大小不均分布明顯。
圖5為焊縫金相,焊接采用的是三層四道焊。從圖中可以看出,焊道的分布明顯,從上到下晶粒逐漸變小,這是因為后一道的機械作用會導(dǎo)致前一道被拉長,所以底部晶粒變的細小,焊縫晶粒都為等軸晶粒。
圖4 焊腳
圖5 焊縫
圖6為熔合線金相組織。熔合線是焊接接頭橫截面宏觀腐蝕所顯示的焊縫輪廓線,它是焊縫金屬與母材的分界線。從圖中可見,熔合線左右兩側(cè)晶粒差異明顯,熱影響區(qū)的晶粒較母材粗大,但依然保留著板條狀。
圖6 熔合線金相組織
圖7為焊接接頭的上中下三部分維氏硬度分布曲線,從圖中橫向?qū)Ρ葋砜矗梢悦黠@地看出焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分的硬度值不同,焊縫區(qū)的硬度值最高,熱影響區(qū)的硬度值最低,但就整個焊接接頭來看,硬度最高的部分還是來自于母材區(qū)。由圖7數(shù)據(jù)可得出,7N01的硬度值約為135HV。
從圖7縱向?qū)Ρ葋砜?,焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分還是比較均衡的,但是每道打點線的最低硬度值都有差別,其中底部(見圖7a)的打點線的最低硬度值為71HV,中間(見圖7b)的打點線的最低硬度值為73HV,頂層(見圖7c)打點線的最低硬度值為75HV,且三個部分的最低硬度值所對應(yīng)的區(qū)域為熱影響區(qū)。同時由金相觀察可知,該處的晶粒較為粗大,因此該處的硬度和韌性較低,且底部的最低硬度值最低,從下往上最低硬度值是逐漸增大的,這是因為熱影響區(qū)在焊接過程中吸熱,所以導(dǎo)致了晶粒粗大。由金相觀察可以很明確地看到,熱影響區(qū)的金相從下到上晶粒由粗大變得細小,從而印證了該地方的最小硬度值從頂部到底部逐漸減小。
圖7 焊接接頭硬度
圖8a為拉伸試樣,由圖8可明顯看出,試樣斷裂的位置為熱影響區(qū)。圖9為CMT焊后獲得的7N01鋁合金焊接接頭的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線,抗拉強度平均值為260.2MPa,7N01鋁合金母材的抗拉強度為440MPa,試件的斷面收縮率為4%。
圖8 拉伸試驗斷裂位置
圖9 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線
為了研究7N01鋁合金多層CMT焊接接頭拉伸試驗的斷裂機制,對拉伸后的斷口進行掃描電鏡觀察。圖10為拉伸試件的斷口形貌,存在很多大小不一的韌窩,且韌窩的深淺程度不一,斷口形貌表現(xiàn)為韌性斷口。
由圖中韌窩可以判斷出其為一個典型的韌性斷裂,仔細觀察圖10可發(fā)現(xiàn),就韌窩數(shù)量而言,中間的韌窩數(shù)量要多于兩邊的韌窩數(shù)量,且熱影響區(qū)的韌窩要比焊縫區(qū)淺。由于焊接過程中熱影響區(qū)吸熱,使其晶粒變得粗大,進而導(dǎo)致該區(qū)域韌性下降,熱影響區(qū)成為焊接接頭中最為薄弱的環(huán)節(jié)。
圖10 拉伸斷口形貌
1)7N01鋁合金多層CMT焊接接頭層道分界線明顯,整體呈“碗狀”;焊縫分為細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū),從上至下晶粒逐漸變細,熱影響區(qū)的晶粒較母材晶粒更粗大,但依然保留著板條狀形態(tài)。
2)焊接接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度分布較為均衡,在很大程度上可以減弱容易軟化的問題。焊縫底部的硬度值最低,從下向上硬度值逐漸增大。
3)焊接接頭的抗拉強度平均值為260.2MPa,斷面收縮率為4%,斷裂位置為熱影響區(qū)。拉伸斷口上存在大小、深淺不一的韌窩,呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征,且由韌窩數(shù)量分布可以得知熱影響區(qū)最為薄弱。