陳今良，魯心雨

(攀枝花學(xué)院 釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

7075鋁合金具有強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，是應(yīng)用前景較佳的輕質(zhì)高強(qiáng)航空材料，可采用激光焊、電子束焊、TIG焊等方法，激光焊、電子束焊雖然焊接質(zhì)量較好，但其成本較高，適應(yīng)場(chǎng)所具有一定得局限性，而最常用的焊接方法為TIG焊接[1-3](非熔化極惰性氣體保護(hù)焊)，盡管焊縫的力學(xué)性能較高，但依然存在氣孔、組織粗化等問(wèn)題而影響力學(xué)性能，針對(duì)此類焊接缺陷帶來(lái)得問(wèn)題，前人開(kāi)展了部分TIG試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其主要影響因素與焊接熱輸入有關(guān)，而焊接電流與熱輸入呈正相關(guān)，熱輸入的大小不僅影響微觀晶粒粗細(xì)，還能影響α-Al在7075中的固溶關(guān)系，但具體焊接電流與接頭質(zhì)量關(guān)系尚未進(jìn)行描述。本研究針對(duì)焊接電流區(qū)間110 A-150 A，通過(guò)對(duì)比不同的電流參數(shù)，最終得出最佳的焊接電流，進(jìn)而為7075航空用鋁合金TIG焊接提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)設(shè)置

本次實(shí)驗(yàn)采用的7075鋁合金，尺寸為10.0 cm×4.0 cm×0.5 cm、ER5056直徑為2 mm焊絲，二者的主要化學(xué)成分分別如表1、表2所示。TIG焊接電流為110 A-130 A，焊接速度為2 mm/s，保護(hù)氣體采用氬氣，氣體流量為(7L/min)[4-5]，焊接方案如表3所示，焊接后得到的試樣如圖1所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)

表2 ER5056焊絲化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)

表3 焊接方案

圖1 焊后試樣 圖2 接頭應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

對(duì)焊接接頭進(jìn)行電火花線切割分塊，再進(jìn)行相應(yīng)的硬度測(cè)試、拉伸力學(xué)性能測(cè)試、金相顯微組織觀察及拉伸斷口形貌觀察。對(duì)試樣表面打磨光滑后，采用HVS-50數(shù)字維氏硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為98 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)量區(qū)域?yàn)槟覆?、熱影響區(qū)和焊縫這三個(gè)區(qū)域的硬度值，在所測(cè)硬度區(qū)域取五個(gè)點(diǎn)，算平均值。采用INSTRON5582型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.02 mm/s，拉伸后斷口采用保鮮膜封裝以保護(hù)斷口，將拉伸數(shù)據(jù)采用Origin軟件作圖。選用制好的金相試樣，采用王水為腐蝕劑，腐蝕時(shí)間為20～25 s，在ZEISS光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織。將拉伸斷口在INDUSTRIECHNIK型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 硬度分析

通過(guò)硬度測(cè)量，區(qū)域?yàn)槟覆摹嵊绊憛^(qū)和焊縫這三個(gè)區(qū)域的硬度值如下表4所示。從表4中可以看出，當(dāng)焊接電流為110 A、120 A時(shí)，母材到焊縫的硬度顯著降低，較小的電流，產(chǎn)生的熱輸入也小，對(duì)于熱影響區(qū)母材本身組織的影響也小，故110 A、120 A試樣的熱影響區(qū)硬度與焊縫硬度相差不大，當(dāng)電流增加到130 A時(shí)，熱輸入隨之增大，焊縫的硬度也隨著電流的升高而上升，電流繼續(xù)增加到140 A時(shí)，焊縫的硬度最高，而熱影響區(qū)硬度繼續(xù)下降，而在150 A時(shí)，焊縫區(qū)硬度出現(xiàn)下降，熱影響區(qū)硬度達(dá)到最低值。綜上可知，當(dāng)焊接電流為140 A時(shí)，接頭的硬度最佳。

表4 接頭三個(gè)區(qū)域的維氏硬(HV)值

3.2 拉伸力學(xué)性能

將拉伸數(shù)據(jù)采用Origin作圖，結(jié)果如圖2所示，可以看出試樣的最大值拉伸應(yīng)力隨著電流的增加而升高在達(dá)到最高后下降，在140 A電流處達(dá)到最高，在120 A處出現(xiàn)下降，這可能是在焊接過(guò)程中120A試樣的焊縫出現(xiàn)了夾渣、氣孔等焊接缺陷。ER5056焊絲中的主要元素Mg在焊縫中形成了強(qiáng)化相，但是當(dāng)電流達(dá)到150 A時(shí)焊縫最大值拉伸應(yīng)力下降，這是由于熱量過(guò)大，造成組織過(guò)熱、晶粒粗大使其性能降低。綜上可知，當(dāng)焊接電流為140 A時(shí)，接頭的拉伸強(qiáng)度最佳。

3.3 焊縫顯微組織

試樣腐蝕后在金相顯微鏡下觀察，得到不同電流條件下焊縫區(qū)的金相組織如圖3所示?？梢钥闯龊缚p主要是由α-Al固溶體和析出相組成，金相圖中灰白色色組織為被王水腐蝕過(guò)的α-Al固溶體，黑色組織為析出相。從110 A與120 A電流焊縫組織圖中可以看出，其白色的α-Al固溶體組織數(shù)量較少，且形狀也較小，到了130 A焊縫組織圖，可以看出灰白色α-Al固溶體[6-7]的數(shù)量有了明顯的增多，并且其形狀大小也有了增加，當(dāng)電流達(dá)到140 A時(shí)，白色組織反而減小，大小也更也變小，這是由于電流達(dá)到了最佳狀態(tài)，但是到了150 A焊縫組織圖時(shí)，從圖中可以看出灰白色α-Al固溶體變成了長(zhǎng)條形狀。這是因?yàn)楹附与娏髟谳^小的時(shí)候，多產(chǎn)生的熱量也較小，熔池中的金屬液體流動(dòng)性較差，冷卻快。隨著電流的增加，產(chǎn)生的熱量也逐漸增多，金屬焊絲與母材之間的熔合變得更好，金屬熔池的流動(dòng)性也變得更好，α-Al固溶體也變得更多，更大。隨著電流繼續(xù)增大，產(chǎn)生的熱量也變得更大，導(dǎo)致其冷卻速度下降，α-Al固溶體長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下，所以變成了長(zhǎng)條形。焊縫區(qū)的組織性能不僅和焊縫中的熔池結(jié)晶有關(guān)，還和焊縫中的相變有關(guān)，在焊接過(guò)程中焊縫區(qū)所收到的熱量是三個(gè)區(qū)域中最大的，但是即使在焊縫區(qū)各個(gè)位置的組織所獲得的的熱量也不是完全的相同的，焊縫最中心的熱量是最高的，到兩邊逐漸降低，所以焊縫區(qū)組織結(jié)晶的先后和結(jié)晶的速度也有了差異，先結(jié)晶部分的晶粒成分越純，所含溶質(zhì)濃度越低，由于結(jié)晶順序不同，造成成分過(guò)冷，溶質(zhì)濃度不同，冷卻凝固至完全結(jié)晶后焊縫組織的成分不均勻。熔池中不同的溫度梯度和成分過(guò)冷使晶粒呈現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)，即使在焊縫區(qū)也會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)晶組織。靠近熱影響區(qū)的焊縫相對(duì)焊縫中心是焊縫區(qū)離熱源最遠(yuǎn)的位置，溫度梯度也最大，同時(shí)該區(qū)域附近的母材組織作為現(xiàn)成表面有利于晶粒結(jié)晶生長(zhǎng)，所以熔池冷卻凝固起始于靠近熱影響區(qū)的焊縫處，該區(qū)域容易最先結(jié)晶，形成柱狀晶，柱狀晶晶粒沿垂直于熔池壁方向生長(zhǎng)。因?yàn)橐话愫附尤鄢爻蕶E圓狀，晶體生長(zhǎng)方向也在不斷改變。

(a)110 A； (b)120 A； (c)130 A； (d)140 A； (e)150 A (a)100倍； (b)800倍

3.4 斷口形貌分析

對(duì)焊接電流為140 A時(shí)的接頭拉伸斷口進(jìn)行形貌觀察如下圖4所示，圖中可以看出，焊接接頭在拉伸過(guò)程中在熱影響區(qū)斷裂。圖中可見(jiàn)明顯的頸縮區(qū)和斷口，也能看出明顯的韌窩與頸縮區(qū)，韌窩粗細(xì)分布不均，左側(cè)較大的空洞為焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔缺陷，較小的則是斷裂產(chǎn)生的韌窩。在拉伸時(shí)，試樣慢慢變形、被拉長(zhǎng)，最終在熱影響區(qū)的附近產(chǎn)生斷裂。

4 結(jié)論

(1)在本課題實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)對(duì)比不同焊接電流，當(dāng)焊接電流為140 A時(shí)，接頭的硬度最佳，具有最高抗拉強(qiáng)度，拉伸斷口屬于韌性斷裂，韌窩中出現(xiàn)夾雜顆粒。

(2)電流增加，熱輸入增加，組織中α-Al固溶體增加，形狀變長(zhǎng)，主要由于熔池時(shí)間變長(zhǎng)，結(jié)晶出現(xiàn)柱狀晶所致。