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含钪与不含钪铝镁钪合金焊接接头的组织与性能

来源期刊:中国有色金属学报2006年第5期

论文作者:陈苏里 姜锋 尹志民 雷学锋 聂波

文章页码:835 - 840

关键词:铝镁钪合金焊接; 焊丝; 熔合区; 焊接接头; 组织与性能

Key words:weld of Al-Mg-Sc alloy; weld wire; fusion zone; weld joint; microstructure and properties

摘    要:分别采用Al-Mg-Zr和Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料, 对2 mm厚的Al-Mg-Sc合金薄板进行惰性气体保护焊接, 然后对两种焊接接头的显微组织和力学性能进行对比研究。 结果表明: 采用两种焊丝焊接的Al-Mg-Sc合金薄板的焊接接头强度系数均大于0.9。 但采用Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料时, 焊缝晶粒组织明显细化, 熔合区形成的细小等轴晶层提高了基材与焊缝填充材料的结合力, 焊接接头的屈服强度比采用Al-Mg-Zr合金焊丝为填充材料时提高了100 MPa, 显著提高了Al-Mg-Sc合金焊接构件的许用强度, 因此焊接Al-Mg-Sc板材更宜采用Al-Mg-Sc-Zr焊丝。

Abstract: The Al-Mg-Sc alloy sheets with 2 mm thickness were welded by manual labor inert-gas arc welding method, the mechanical properties and microstructures of Al-Mg-Sc alloy weld joints filled with Al-Mg-Zr or Al-Mg-Zr-Sc welding wires were studied comparatively. When the Al-Mg-Zr-Sc welding wire was used as filling material, the grains of welding seam were refined obviously, and the weld joint was greatly strengthened by forming of fine equiaxial grains layer in fusion zone. The results show that, the coefficients of welded joints are both greater than 0.9, but the yield strength of weld joint filled with Al-Mg-Zr-Sc welding wire is greater 100 MPa than that of filled with Al-Mg-Zr welding wire. It indicates that the Al-Mg-Zr-Sc welding wire is the best alteration of filling materials to weld of Al-Mg-Sc alloy.



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文章编号: 1004-0609(2006)05-0835-06

含钪与不含钪铝镁钪合金焊接接头的组织与性能

陈苏里1, 姜 锋1, 尹志民1, 雷学锋1, 2, 聂 波1, 3

(1. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083;

2. 航天材料及工艺研究所, 北京100076;

3. 东北轻合金有限责任公司, 哈尔滨 150060)

摘 要: 分别采用Al-Mg-Zr和Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料, 对2mm厚的Al-Mg-Sc合金薄板进行惰性气体保护焊接, 然后对两种焊接接头的显微组织和力学性能进行对比研究。 结果表明: 采用两种焊丝焊接的Al-Mg-Sc合金薄板的焊接接头强度系数均大于0.9。 但采用Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料时, 焊缝晶粒组织明显细化, 熔合区形成的细小等轴晶层提高了基材与焊缝填充材料的结合力, 焊接接头的屈服强度比采用Al-Mg-Zr合金焊丝为填充材料时提高了100MPa, 显著提高了Al-Mg-Sc合金焊接构件的许用强度, 因此焊接Al-Mg-Sc板材更宜采用Al-Mg-Sc-Zr焊丝。

关键词: 铝镁钪合金焊接; 焊丝; 熔合区; 焊接接头; 组织与性能 中图分类号: TG146

文献标识码: A

Microstructure and properties of Al-Mg-Sc alloy weld joints filled with Al-Mg-Zr and Al-Mg-Zr-Sc weld wires

CHEN Su-li1, JIANG Feng1, YIN Zhi-min1, LEI Xue-feng1, 2, NIE Bo1, 3

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University,

Changsha 410083, China;

2. Institute of Spaceflight Material and Technology, Beijing 100076, China;

3. Northeast Light Alloy Co. Ltd., Harbin 150060, China)

Abstract: The Al-Mg-Sc alloy sheets with 2mm thickness were welded by manual labor inert-gas arc welding method, the mechanical properties and microstructures of Al-Mg-Sc alloy weld joints filled with Al-Mg-Zr or Al-Mg-Zr-Sc welding wires were studied comparatively. When the Al-Mg-Zr-Sc welding wire was used as filling material, the grains of welding seam were refined obviously, and the weld joint was greatly strengthened by forming of fine equiaxial grains layer in fusion zone. The results show that, the coefficients of welded joints are both greater than 0.9, but the yield strength of weld joint filled with Al-Mg-Zr-Sc welding wire is greater 100MPa than that of filled with Al-Mg-Zr welding wire. It indicates that the Al-Mg-Zr-Sc welding wire is the best alteration of filling materials to weld of Al-Mg-Sc alloy.

Key words: weld of Al-Mg-Sc alloy; weld wire; fusion zone; weld joint; microstructure and properties

                       

自从前苏联学者提出以来, Sc对Al合金的变质作用已经引起国内外研究者的关注与深入研究。 到目前为止, Sc为最有效的优化铝合金性能的合金元素, 在铝合金中添加微量钪能显著提高铝合金的综合性能[1], 特别是在钪与其他过渡金属元素(如Zr, Ti)复合添加时, 效果更佳[2]。 Sc在铝合金中主要起显著的铸态组织细化作用, 与Al基体共格的L12型Al3Sc粒子的沉淀强化作用, 弥散分布的Al3Sc质点强烈钉扎位错能有效地抑制合金再结晶的作用[3-5]

Sc能显著改善铝合金的焊接性能, 焊接时不易出现液化裂纹, 能有效降低焊接热裂纹的敏感系数, 焊后热处理能保持完整的非再结晶结构, 且强度更高[6-9]。 在传统的不可热处理强化的Al-Mg合金中添加微量钪, 使这种耐蚀性最好的铝合金同时具有更好的强度和焊接性, 大大提高了这类合金的应用范围, Al-Mg-Sc合金已在俄罗斯被应用于航天航空等领域[10]

本文作者分别采用Al-Mg-Zr和Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料对Al-Mg-Sc合金薄板进行惰性气体保护焊接, 然后对两种焊接接头的显微组织和力学性能进行了对比研究, 旨在从微观组织角度研究Sc对其焊接性能的影响, 为铝镁钪合金焊接构件的设计提供实验依据。

1 实验

1.1 实验材料

焊接用基材为2mm厚的Al-Mg-Sc合金薄板, 分别采用Al-Mg-Zr和Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝(中南大学研制)为填充材料进行惰性气体保护焊接。 焊丝及基材的化学成分如表1所列。

表1   基材和焊丝合金的化学成分

Table 1   Chemical composition of base metal and welding wire (mass faction, %)

1.2 焊丝制备工艺

焊丝的制备工艺为合金焊丝成分设计→配料→熔化→熔剂精炼→熔体过滤→半连续急冷铸造→挤压→拉拨与中间退火→组合模拉拨→表面精刮→盘卷→真空包装。 Sc采用Al-2Sc中间合金(中南大学制备)的形式加入, Zr采用Al-10Zr中间合金的形式加入, 特别设计的组合模拉伸工艺顺序完成焊丝的减径、 表面刮削、 定径工序, 刮削工艺可以彻底清理焊丝表面的油污、 吸湿及疏松的氧化层。

1.3 焊接接头组织性能测试方法

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Instron8019 电子拉伸机进行拉伸力学性能测试以确定焊接接头的强度系数。 采用低负荷硬度计(载荷为29.4N)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。 通过电解抛光以及阳极覆膜来制备焊接接头的金相样品, 用光学显微镜(POLTAR-MET)进行偏光观察。 为了观察和分析焊接接头上焊缝和热影响区的显微组织及其变化, 在焊接接头不同区域取样制成电镜薄膜样品, 在透射电镜(Tecnai G220 S-TWIN)上观察其显微组织。

2 结果及分析

2.1 焊接接头拉伸力学性能

采用Al-Mg-Zr及Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝为填充材料时, Al-Mg-Sc合金板材焊接接头的拉伸性能如表2所列。 一般焊接接头的拉伸性能不测其屈服强度, 但有文献报告微量钪能显著提高Al-Mg合金的强度(特别是屈服强度), 为了研究微量钪对焊缝组织和性能的影响, 本研究同时对焊接接头的屈服强度进行了测试。

由表2可看出, 两种焊丝的焊接接头强度系数均大于0.9, 采用Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝时焊接接头抗拉强度较高。 应当注意的是, 采用Al-Mg-Zr合金焊丝时焊接接头屈服强度为188MPa, 但采用Al-Mg-Zr-Sc合金焊丝时焊接接头屈服强度高达287MPa(约提高了100MPa), 由此可看出, 这可显著提高焊接构件的许用强度。

表2   焊接接头的拉伸性能

Table 2   Mechanical properties of welded joint

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