CN104084768A - 一种高强度铝合金焊接接头的制备方法 - Google Patents

一种高强度铝合金焊接接头的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度的铝合金焊接接头制备方法属于高强度铝合金加工技术领域。本发明采用Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er母材和Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er焊丝，经全自动TIG填丝焊接和适当的焊后热处理，微合金化元素Er、Zr形成的纳米级二次析出相在熔池中作为有效的形核核心，细化焊缝晶粒，在热影响区钉扎位错和亚晶界，有效抑制热影响区再结晶，减少热影响区的软化。本技术制备出的焊接接头的具有高的抗拉强度、焊缝成形良好、无明显缺陷等特点，具有工业应用的潜力。

Description

一种高强度铝合金焊接接头的制备方法
技术领域
本发明属于高强度铝合金加工技术领域，涉及Al-Zn-Mg-Cu型合金(中国国标中命名为7XXX系铝合金)的焊接，更具体地，涉及一种Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Zr-Er变形铝合金板材的焊接接头制备。
背景技术
文献调查结果表明，在航空航天、交通运输等领域，随着轻量化、高性能的发展趋势，高强度铝合金已成为这些领域重要的结构材料，
其中最具代表性的为Al-Zn-Mg-Cu型合金，其屈服强度基本在500MPa以上，是铝合金体系中强度最高的一类。大量的该型合金板材和管材需要连接后使用，其连接工艺目前主要为铆接和螺栓连接。焊接相对于铆接和螺栓连接具有节省材料、降低自重、密封性好、生产效率高等优点，但应用成熟的该型合金如7075、7050、7055等，由于主合金元素含量较高，且在铝基体中的平衡分配系数k0<1，焊接熔池结晶时，在晶界处偏聚形成含Cu的复合析出相，该相共晶温度较低，结晶温度区间较大，在拉伸应力作用下极易产生焊接热裂纹，同时，焊接接头强度损失严重，难以应用于焊接结构，长期以来该型合金被认为是不可焊接材料。Cu是导致该型合金焊接热裂纹敏感性大的主要元素，但Cu元素在该型合金中可以提高沉淀相的弥散度，且自身具有固溶强化效果，另外Cu原子溶入沉淀相η′和η相中，降低晶内和晶界的电位差，抑制沿晶开裂的趋势，从而提高合金的耐腐蚀性能，所以不含Cu的Al-Zn-Mg合金虽然具有较好的焊接性能，但是难以满足高强度、良好耐腐蚀性的要求。目前，一些研究者通过适度降低Cu元素含量、调控Zn、Mg元素含量平衡合金的焊接性、强度、耐腐蚀性，同时，微量Er、Zr元素在铝合金中的有益作用也已被证实，包括细化铸态晶粒、抑制再结晶、促进时效析出等，主要原因是Al、Er、Zr元素能够形成与Al基体共格的纳米级二次析出相。基于上述调查，本专利选择黄晖等人发明的Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67
Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14E合金作为母材，该合金T6状态下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别达到631.7MPa、675.9Mpa、8.8％，力学性能优于或相当于目前应用成熟的7075、7050、7055等合金。在焊丝选择上，目前中国国标中有5种焊丝成分：1系纯Al、2系Al-Cu、3系Al-Mn、4系Al-Si、5系Al-Mg，其中1系、3系、4系焊丝中未含有母材主合金元素，难以保证接头的力学性能，2系焊丝中Cu元素显著增加热裂纹敏感性，5系焊丝可以较好的抑制热裂纹和接头软化，同时基于Er、Zr元素在铝合金中的有益作用，本专利选择一种Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er合金作为焊丝，其主合金元素成分与目前广泛应用的ER5356焊丝相当。
采用上述母材和焊丝，选择适当的焊接工艺和焊后热处理制备焊接接头，其具有高的抗拉强度、焊缝成形良好、无明显缺陷等特点，以期取代目前7075、7050、7055等合金的铆接和螺栓连接结构，具备工业应用的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度铝合金焊接接头的制备方法，采用Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er母材和Al-4.70
Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er焊丝，选择适当的焊接工艺参数，使焊缝成形良好，无明显宏观和微观缺陷，微合金化元素Er、Zr在焊缝和热影响区的有益作用及适当的焊后热处理工艺，使接头具有优异的力学性能。
本发明采用的焊接方法为全自动TIG填丝焊接，母材厚度为2mm，状态分别为热轧和T6(固溶+单级时效)，焊后对接头进行显微硬度测试和拉伸力学性能试验，并观察不同区域的金相组织。
焊接工艺为：电流类型为正弦波交流，焊丝直径1.6mm，钨极直径3mm，钨极到母材的距离3mm，焊接电流125A，焊接速度27cm/min，送丝速度40cm/min，保护气体为Ar，正面和背面气体流量分别为20L/min和10L/min。焊后对热轧状态母材的焊接接头进行热处理，工艺为：470℃保温2h→室温水中淬火→120℃保温24h。
在上述焊接工艺条件下，焊缝成形良好，未出现明显的宏观和微观缺陷，如咬边、未焊透、下塌、错边、热裂纹等。微合金化元素Er、Zr在母材和焊丝中形成纳米级二次析出相，其为L12型结构，面心立方晶格，晶格常数与Al基体相近，且回熔温度较高，在熔池结晶时作为有效的形核核心，提高形核率，细化焊缝晶粒；同时，微合金化元素Er、Zr的纳米级二次析出相与Al基体共格，强烈钉扎位错和亚晶界，稳定合金的亚结构，有效抑制热影响区的再结晶，减少热影响区在焊接热循环作用下的软化。T6状态母材的焊接接头抗拉强度达到436.2MPa，为T6状态母材的64.5％，热轧状态母材的焊接接头抗拉强度达到380.4MPa，为热轧状态母材的59.5％，对其热处理之后达到589.2MPa，为T6状态母材的87.2％。
采用本发明的技术方案，可制备高强度的铝合金焊接接头，该接头焊缝成形良好，无明显缺陷，强度和接头系数较高。
附图说明
图1：实施例1后T6状态母材的焊接接头焊缝区金相组织；
图2：实施例1后T6状态母材的焊接接头热影响区金相组织；
图3：实施例1后T6状态母材的焊接接头母材区金相组织；
图4：实施例1和例2后接头横截面的显微硬度分布，其中a是T6状态母材的焊接接头，b是热轧状态母材的焊接接头，c是经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头；
具体实施方式
2mm厚Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Zr-Er变形铝合金板材制备工艺：
(1)根据合金名义成分Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr
-0.14Er，计算并配制熔炼所需原材料，包括纯Al、纯Zn、纯Mg、Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Er中间合金，Zn、Mg烧损率分别为10％和14％。
(2)使用熔炼炉将铝锭加热至710-720℃，待其充分熔化之后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Er中间合金，完全熔化之后依次加入纯Zn、纯Mg，待所有原料充分熔化之后，使用C2Cl6精炼除杂并进行扒渣，最后将熔体浇注到水冷模中，浇注温度控制在690-710℃。
(3)铸锭进行均匀化处理，温度为460℃，保温20h，随炉冷却到室温。
(4)使用挤压机对铸锭挤压，挤压温度400℃，保温2h，挤压比为22:1，得到的挤压板材宽210mm，厚13mm。
(5)对挤压板材进行热轧，热轧温度430℃，保温1.5h，轧制方向与挤压方向一致，最终变形量为85％，获得2mm厚热轧板材。
(6)对热轧板材进行单级峰值时效(T6)处理，工艺为470℃保温1h→室温水中淬火→135℃保温20h。
实施例1：对2mm厚Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-
0.14Er热轧和T6状态板材进行全自动TIG填丝焊接。
(1)将板材剪裁成约105mm×100mm的大小，进行化学清洗(70℃8-10％NaOH溶液→清水冲洗→30-40％HNO3溶液→清水冲洗→风干)，焊前使用不锈钢丝刷对板材对接处打磨。
(2)焊接采用全自动TIG焊机，焊接方向垂直于母材轧制方向，电流类型为正弦波交流，焊丝直径1.6mm，钨极直径3mm，钨极到母材的距离3mm，焊接电流125A，焊接速度27cm/min，送丝速度40cm/min，保护气体为Ar，正面和背面气体流量分别为20L/min和10L/min。焊后进行宏观检查和X射线无损探伤，检验合格之后进行后续测试。
(3)对热轧状态母材的焊接接头进行焊后热处理，工艺为：470℃保温2h→室温水中淬火→120℃保温24h。
实施例2：对例1得到的焊接接头进行金相组织分析和力学性能测试。
(1)对T6状态母材的焊接接头，垂直于焊缝截取金相试样，经机械打磨并抛光之后分别使用Keller试剂(1mlHF+1.5mlHCL+2.5mlHNO3+95mlH2O)和电化学侵蚀的方法(电解液为40mlH3PO4+38mlC2H5OH+20mlH2O)侵蚀接头，然后在OLYMPUS-BX51M型金相显微镜下观察接头各区域金相组织，图1为焊缝区金相组织形貌，其形态为较小的等轴树枝晶，晶粒尺寸约为40μm，图2、3分别为热影响区和母材的晶粒形貌，均为轧制拉长并部分再结晶的组织，晶粒度大小不均匀，但热影响区相对于母材没有发生明显的晶粒长大。微合金化元素Er、Zr对晶粒形貌有一定影响，主要是Er、Zr在母材和焊丝中形成纳米级二次析出相，其为L12型结构，面心立方晶格，晶格常数与Al基体相近，且回熔温度较高，在熔池结晶时作为有效的形核核心，提高形核率，细化焊缝晶粒；同时，微合金化元素Er、Zr的纳米级二次析出相与Al基体共格，强烈钉扎位错和亚晶界，稳定合金的亚结构，有效抑制热影响区的再结晶和晶粒长大。
(2)分别对a(T6状态母材的焊接接头)、b(热轧状态母材的焊接接头)、c(经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头)三种焊接接头横截面进行显微硬度测试，测试载荷500gf，测点间距0.2mm，如图3所示，a、b两种接头具有相似的硬度分布规律，均以焊缝为中心对称分布，焊缝宽度约5mm，平均硬度值分别为104.4HV和120.5HV；其热影响区宽度分别约为13mm和19mm，紧邻焊缝的热影响区硬度值迅速升高，分别约为165.5HV和155.2HV；随着到焊缝中心的距离增加，硬度又迅速降低到热影响区内最低值，分别约为109.5HV和129.4HV；随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值缓慢回升，到达母材区之后硬度值分别约为202.8HV和186.7HV；c接头热影响区硬度值恢复到T6态母材水平，达到约206.9HV，焊缝区硬度也有大幅度升高，达到约196.2HV。
(3)分别对a(T6状态母材的焊接接头)、b(热轧状态母材的焊接接头)、c(经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头)三种焊接接头和d(T6状态母材)、e(热轧状态母材)两种状态的母材进行拉伸力学性能试验，拉伸试样尺寸和拉伸试验过程按照GB/T228.1-2010和GB/T2651-2008进行，拉伸试验机型号为MTS-810。a-e五种试样的抗拉强度如下表1所示，T6状态母材的焊接接头抗拉强度达到436.2MPa，为T6态母材的64.5％，热轧状态母材的焊接接头抗拉强度达到380.4MPa，为热轧态母材的59.5％，对其热处理之后达到589.2MPa，为T6态母材的87.2％。
表1焊接接头和母材的抗拉强度

Claims (1)

1.一种高强度的铝合金焊接接头制备方法，其特征在于：
(1)母材为Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er合金，焊丝为Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er合金，焊接方法为全自动TIG填丝焊接，焊接工艺：电流类型为正弦波交流，焊丝直径1.6mm，钨极直径3mm，钨极到母材的距离3mm，焊接电流125A，焊接速度27cm/min，送丝速度40cm/min，保护气体为Ar，正面和背面气体流量分别为20L/min和10L/min；
(2)焊后对接头进行热处理，工艺为：470℃保温2h→室温水中淬火→120℃保温24h。
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