5B70铝合金变极性等离子焊接接头组织与性能的研究

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  摘要: 以5B71合金焊丝为填充材料,采用变极性等离子弧焊法对6 mm厚5B70合金板材进行焊接,并对焊接接头进行显微组织和力学性能的研究。结果表明:接头的抗拉强度达到370.13 MPa,强度系数为0.89,断后伸长率为10.35%;断裂发生在靠近熔合区的热影响区处,断口形貌为韧窝,属于塑性断裂;焊缝中心的硬度是整个焊接接头最低的区域;焊缝组织由大量树枝晶和少量等轴晶组成,熔合区界限明显,形成了等轴晶层,热影响区范围很窄,保留了与母材类似的纤维状组织。
  关键词: 铝镁钪合金;变极性等离子;焊缝组织;力学性能
  Abstract: Al-Mg-Sc alloy 5B70 plates whose thickness is 6 mm was welded by variable polarity plasma arc welding and the microstructures and mechanical properties of the joints were investigated. Results indicated that the joints with excellent mechanical properties can be obtained. The tensile strength could reach up to 370.13 MPa which was the 89% of that of the parent metal and the maximum elongation at fracture was 10.35%. This is comparable with that of the parent metal. The microstructures in the weld zone was composed by equiaxed crystals and little dendrite crystals. A fine equiaxed crystals cladding emerged in the fusion zone and the columnar crystals were not found out. The microstructures coarsening phenomena did not occur in the heat affected zone. The fine microstructures of the welding joints contributed to the enhancement of its mechanical properties. The analysis concluded that the microstructures and mechanical properties features of the welding joint benefited from the addition of the microelement Sc.
  Key words: Al-Mg-Sc alloy; variable polarity plasma arc; weld microstructures; mechanical properties
  0 前言
  含钪铝合金的研究最早由前苏联学者HAYMKИH
  等人提出[1],由于含钪铝合金具有较高的强度和韧性,以及优良的耐蚀性、耐热性和可焊性,所以国内外大量学者对此进行了研究,尤其在俄罗斯和美国等国家的航天、航空和舰船等领域的焊接荷重结构件上均取得了应用且性能优异[2,3]。而我国对含钪铝合金的研究虽取得了一定进展,但尚未达到实际应用的程度,尤其对含钪铝合金焊接接头组织与性能的研究较少,在这些领域仍需深入研究。
  变极性等离子弧焊综合了变极性TIG焊和等离子弧焊的优点,是一种针对中厚板铝合金的高效的“零缺陷焊接”方法,所以采用变极性等离子弧焊法对Al-Mg-Sc合金板材进行焊接,对所得的焊接接头进行拉伸力学性能测试,显微硬度测试,金相及扫描电子显微镜分析的试验,从而对含钪铝合金焊接接头的组织与性能进行研究。
  本文旨在从微观组织角度研究钪元素对其焊接性能的影响,为Al-Mg-Sc合金焊接构件在我国航空航天领域取得应用提供实验基础和理论依据。
  1 试验方法及设备
  试验材料采用东北轻合金公司生产的6 mm轧制铝镁钪合金板材,其牌号为5B70;焊丝选用中南大学研制的5B71铝合金焊丝,化学成分见表1。
  采用Liburdi公司的LTP400-VP型VPPA焊接电源进行变极性等离子焊接,其中钨极直径4.8 mm,焊丝直径1.6 mm,喷嘴内径3.2 mm,钨极内缩3.5 mm,其他焊接工艺参数如表2所示。
  在焊接好的Al-Mg-Sc板材上沿垂直焊缝方向截取拉伸试样,采用INSTRON5569电子万能材料试验机进行拉伸力学性能测试以确定焊接接头的抗拉强度和强度系数。采用HVS-1000维氏显微硬度测试仪沿焊接接头垂直焊道方向进行硬度测试,观察焊接接头不同部位硬度的变化。采用Olympus-SZX12体式显微镜分析焊接接头宏观组织形貌;用Olympus-MPG3光学显微镜观察焊缝成形及各区的晶粒形态。采用Hitachi-S4700扫描电子显微镜对断口进行显微分析,并确定断裂性质和第二相质点的分布。
  2 试验结果
  2.1 焊接接头拉伸力学性能
  铝镁钪合金板材VPPA焊接接头的拉伸性能测试数据见表3。从表3可以看出,接头的断后伸长率与母材相接近,达到了10.35%,抗拉强度为370.13 MPa,达到了母材金属抗拉强度的89.06%,说明采用VPPA所得铝镁钪合金板材的焊接接头具有优异的力学性能。   2.1.1 宏观分析
  图1所示为接头拉伸试样拉断后的宏观照片,可以看出焊接接头在有余高补强的情况下,几乎均在靠近熔合区的热影响区处发生断裂。
  从拉伸件的宏观断口来看,断裂面呈暗灰色,金属光泽较弱,其上有细小的凹凸,呈纤维状,而且试件在拉断前有明显的颈缩和大量的塑性变形。断裂面的放射区花样粗糙,剪切唇表面比较光滑,与拉应力方向成45°角。
  2.1.2 微观分析
  图2为VPPA焊缝断口的扫描电镜照片,可以看出,断口处有大量的圆形等轴韧窝存在,并且韧窝尺寸较大、较深,此外,仔细观察韧窝的内部,可以发现部分底部存在梅花状的第二相粒子,综合宏观与微观的分析,可以确定其属于典型的切断型塑性韧窝断口。
  2.2 焊接接头显微硬度分布
  从图3中可以清晰地看出,VPPA焊接接头各区域显微硬度的分布规律。接头的硬度整体呈“V”形分布,焊缝中心的硬度是整个焊接接头最低的区域,向两侧伸展硬度呈现提高趋势,在熔合区附近硬度略有下降,但仍高于焊缝中心硬度值,向热影响区和母材方向,硬度逐渐提高,母材处的硬度值最高。从显微硬度值的分布情况大致可以确定热影响区的位置距离焊缝中心约为3~6 mm。
  2.3 焊接接头组织分析
  2.3.1 宏观形貌分析
  图4为铝镁钪合金VPPA焊接接头的宏观形貌,其焊缝成形良好,正面和反面熔宽较窄且隆起均匀,焊趾处过渡平滑,不存在咬边等缺陷。可观察到焊缝处显微组织均匀致密,熔合线对称良好且清晰可见,热影响区范围较窄。
  2.3.2 微观组织分析
  采用VPPA法所得的焊接接头金相显微组织如图5所示。焊缝主要是由大量树枝晶以及少量等轴晶组成的铸态组织。
  熔合区主要由一层细小的等轴晶组织构成,促进了焊缝与基材的相容性,大大降低了热裂纹倾向。
  热影响区范围很窄[4~7],未发现再结晶现象,且晶粒也未发生明显长大,仍呈现为与母材类似的纤维状组织。
  3 分析与讨论
  3.1 钪对焊接接头组织的影响
  冷却时,熔池结晶首先从熔合区开始,由于熔合区附近液相温度梯度最大,而结晶速度又最小,不易满足组分过冷的形成条件,所以熔合区附近易形成粗大的柱状晶组织。但是由于Sc元素的添加,使得溶质含量增加,也就从而增加了过冷度。因此,以联生结晶方式形成的柱状晶的生长被抑制,且Sc能与Al形成第二相难熔粒子,其晶格类型以及晶格尺寸均与基体相近,成为了非均质形核的核心[8],所以在熔合区出现了细小的等轴晶层[4,5,9,10]。
  焊缝区凝固时,由于向焊缝中心靠近,温度梯度逐渐减小,结晶速度逐渐增大,溶质含量逐渐增大,成分过冷区也逐渐加大[9,10],同时焊缝区也会形成含Sc的第二相粒子,其作为非均质形核的核心质点[11],使得焊缝组织得到细化。但由于VPPA方法冷却快的特点,结晶速度较一般熔焊方法快,所以过冷度并未达到能出现大部分等轴晶的程度,所以焊缝组织主要是由大量树枝晶伴随少量等轴晶组成。
  热影响区处含Sc的第二相粒子可以起到对位错和亚晶界的钉扎作用,提高了再结晶温度,有效地抑制了合金的再结晶;由于VPPA电弧加热的范围集中、温度高且温度梯度大,热量主要靠传导作用向外扩散,致使热影响区的组织在焊接重熔冷却结晶过程中得以细化,所以热影响区的晶粒未发生明显长大[4~7]。
  3.2 钪对焊接接头强度的影响
  3.2.1 细晶强化作用
  基材和焊丝中Sc元素的加入,使合金在凝固过程中析出含Sc的第二相粒子,这些第二相质点在合金凝固结晶时起到了很好的非均质形核的作用而且有对位错和亚晶界的钉扎作用。因此,在熔合区形成了一层细小的等轴晶组织,增强了焊缝金属与基材的相容性,也就减小了焊接热裂纹倾向,有助于提高强度和塑性;焊缝组织得到了一定程度的细化,提高了接头的抗拉强度;热影响区未发生再结晶且晶粒没有明显长大。这些都是细晶强化的作用[12,13]。
  3.2.2 析出强化作用
  由于Sc元素的微合金化添加,除有细晶强化作用外,在焊缝快速凝固过程中还会以弥散、细小的方式析出含Sc的微米级强化相粒子,这些相的析出使得焊缝合金具有了极为显著的析出强化作用,从而提高了焊缝的强度[14]。
  3.3 钪对焊接接头断口的影响
  由于铝镁钪合金存在第二相粒子,空洞会优先在这些粒子处形核,仔细观察韧窝内部,发现确实有部分韧窝底部存在第二相粒子,进行拉伸时,由于局部塑形变形使第二相粒子界面上首先形成微裂纹并不断扩展,在第二相粒子与基体金属间局部区域产生“内缩颈”,当缩颈的尺寸达到一定程度后就被撕裂,空洞也就连接在一起,从而形成了韧窝断口形貌。
  3.4 钪对焊接接头硬度的影响
  焊缝主要是由大量的树枝晶伴随少量等轴晶组织构成的,所以硬度值是整个焊接接头最低的;熔合区由细小的等轴晶层组成,所以硬度比焊缝区高;由于热影响区的组织未发生再结晶且得到了一定程度的细化,呈现与母材类似的纤维状组织,因此硬度进一步提高。
  4 结论
  (1)基材和焊丝中Sc元素的加入能改善焊接接头的显微组织,再加上成分过冷度的变大,焊缝处组织得到了一定程度的细化;抑制熔合区内柱状晶的生长并形成细小等轴晶层;有效抑制了热影响区的再结晶和晶粒长大。
  (2)含Sc的第二相粒子对焊接接头起到了细晶强化和析出强化的作用,所以获得了高达370.13MPa的抗拉强度,此时强度系数为0.89,断后伸长率为10.35%。
  (3)在应力作用下,含Sc的第二相粒子与基体金属界面脱离而形成微小孔洞,然后这些微孔不断形核、长大、连接聚集并继续产生新的微孔,最终导致整个接头的断裂,在断口上就显示出韧窝结构。   (4)焊缝区主要为树枝晶,硬度最低;熔合区主要为等轴晶,硬度有所提高;热影响区为与母材类似的纤维状组织,硬度进一步提高。
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  收稿日期:2014-07-29
  苏志强简介:1985年出生,工程师;主要从事运载火箭贮箱焊接工艺及焊接结构方面的工作。
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