网络首发时间: 2016-10-19 08:35
喷射成形7055铝合金激光焊接头组织性能研究
兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室
摘 要：
采用激光焊接方法对2 mm厚喷射成形的7055铝合金进行了焊接实验。通过背散射电子衍射技术 (EBSD) 、扫描电镜 (SEM) 、能谱仪 (EDS) 、透射电镜 (TEM) 、显微硬度和室温拉伸试验等测试方法对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明:7055铝合金激光焊接头热影响区无明显的软化, 焊缝显微硬度最低, 约为母材的77%, 接头的抗拉强度和伸长率分别约为母材的61%和4.1%。热影响区观察到发生了再结晶的等轴晶粒, 但晶内可观察到弥散的η'相;熔合线附近形成了晶粒取向随机分布的细小的等轴非枝晶区;焊缝区靠近熔合线为柱状枝晶, 靠近焊缝中心为胞状枝晶, 晶内无弥散强化相。综上所述, 这些区域的微观组织特征揭示了焊接接头的不均匀性, 其综合机械性能较母材有所下降, 焊缝成为接头的最薄弱环节。
关键词：
中图分类号： TG457.14
作者简介：王鹏建 (1987-) , 男, 甘肃庆阳人, 硕士, 研究方向:铝合金激光焊;E-mail:18793118631@163.com;;乔及森, 教授;电话:13893138956;E-mail:qiaojisen@lut.cn;
收稿日期：2016-02-01
基金：甘肃省国际科技合作专项 (144WCGA164) 资助;
Development of Microstructures and Mechanical Properties of Laser Welded Joint for Spray Formed 7055 High Strength Aluminum Alloy
Wang Pengjian Qiao Jisen Zhang Yangyang Zhao Wenjun Chen Jianhong
State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology
Abstract：
The laser welded joint was made for 7055 aluminum alloy sheet with the thickness of 2 mm. The microstructure and mechanical properties of the laser welded joint were investigated by backscattered electron diffraction (EBSD) , scanning electron microcopy (SEM) , energy dispersive spectrometer (EDS) , transmission electron microscope (TEM) , hardness identification and uniaxial tension test. The results showed that there was no obvious soften change in the heat affected zone, and the hardness of the welding seam was the lowest of the joint, which was about 77% of that of base metal. The ultimate strength of the joint was 61% of that of the base metal with 4% of the elongation. In the heat affected zone, some equiaxed recrystallized grains could be observed, meanwhile the η'phase particles could also be observed in the matrix. Along the fusion boundary non-dendritic equiaxed grain zone with random orientations was formed. The columnar coarse grains came into being in the edge of the welding seam, the center was cellular dendrite, and the η' strengthening precipitates in the matrix were rare. According to the microstructural observation, the mechanism of inhomogeneous mechanical behavior was revealed for the laser welded joint of 7055 aluminum alloy sheet and the welding seam was the weakest part of the joint.
Keyword：
7055 aluminum alloy; spray formed process; laser welding; mechanical property; microstructure;
Received： 2016-02-01
7055铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu可时效强化铝合金, 经喷射成形技术制备的7055铝合金具有出色的比强度和硬度、断裂韧度、抗疲劳、耐腐蚀性和加工性能, 被广泛应用在飞机机身、机翼上臂板、龙骨架、座轨、货运滑轨、核工业和火箭等高强度结构件的制造[1,2,3,4,5,6]。与铆接相比, 焊接作为喷射成形铝合金7055连接的重要手段, 可使结构实现轻量化, 提高结构强度, 节省装配时间。因此喷射成形的7055铝合金的焊接性研究对扩大在航空等工业上的应用具有重要的理论和实际意义。近几年, 严铿和吴豫陇等研究了喷射成型的7055铝合金TIG焊和搅拌摩擦焊焊接的微观组织和性能[7,8,9]。左玉婷等[10]研究了喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金电子束焊接接头组织。采用普通的熔焊焊接喷射成形7055铝合金, 由于热输入大, 焊件变形大, 接头软化明显, 很难达到喷射成形7055铝合金高强度的要求;而搅拌摩擦焊缺乏相对的工艺柔性, 难以焊接复杂焊缝;电子束焊虽然克服了普通熔焊方法的热影响区宽、焊件变形大等缺陷, 但对高强铝合金焊接时发现, 由于电子束焊加热冷却速度非常快, 容易产生气孔和根部未焊透的缺陷, 热影响区析出相尺寸较大, 在微米级以上, 使热影响区软化明显[10], 且焊件形状和尺寸受到真空室的限制。这些局限性制约了喷射成形的7055铝合金在大型高强结构件上的应用。而激光焊接由于热输入低, 接头变形小, 焊缝深宽比大, 热影响区小、接头气孔较少和质量好等特点, 可以克服传统焊接方法的不足[9]。但是, 目前有关喷射成形的7055铝合金激光焊焊缝组织和性能的研究鲜见报道。本文通过对喷射成形7055铝合金进行激光焊接, 分析了焊缝区的相和组织特性, 揭示了焊接接头的不均匀性及其影响因素, 探索了7055铝合金的焊接工艺。
1 实验
焊接所用7055铝合金的名义成分为7.6%Zn, 2.3%Cu, 1.92%Mg, 0.15%Zr, 0.10%Si, 0.15%Fe, 0.05%Mn, 0.04n%Cr, 0.06%Ti, 其余为Al (质量分数) 。该合金采用喷射成形工艺制备成铸锭, 通过均匀化处理后经反向挤压加工成排材, 再经T76511热处理 (即固溶处理淬火后进行预拉伸处理) 。最终机械加工成2 mm×40 mm×70 mm的焊接试板。
采用快速轴流式CO2激光器对喷射成形的7055铝合金以平板对接方式进行焊接实验, 焊接方向沿着材料挤压方向。焊接速度6.7 mm·s-1, 激光功率1.2 k W, 激光离焦量0 mm, 焊前采用丙酮去除油脂, 然后用砂纸和钢刷去除氧化膜, 焊接过程采用99.99%高纯度氦气作为正反面保护气体 (流量15 L·min-1) 。
焊后在室温放置30 d后, 进行后续试验。采用HVS-15显微维氏硬度仪对接头的硬度进行测试, 硬度测点间距0.20 mm, 加载力1.96 N, 持续时间15 s, 每个点测3次, 取其平均值。根据GB/T 228-2010标准沿垂直于焊缝方向切取拉伸试样, 在DW-300 J万能材料拉伸试验机上进行室温拉伸测试, 拉伸速度为0.5 mm·min-1, 结果取3组试样的平均值。制备EBSD试样时, 先机械抛光, 再用Gatan PECS进行离子刻蚀后, 在FEI quanta 450扫描电子显微镜 (SEM) 上, 利用电子背散射衍射 (EBSD) 分析焊接接头不同区域内晶粒取向及组织演化。用能谱仪 (EDS) 元素线分析确定元素烧损情况。对于焊缝不同区域的微观组织观察采用Tecnai G220型透射电镜 (TEM) , 加速电压200 k V。
2 结果与讨论
2.1 焊接接头显微硬度分布特征
焊接接头横截面的微观硬度云图如图1所示。焊接接头硬度云图以焊缝中心为对称轴, 近似对称分布。焊缝中心距两侧约2 mm区域内为焊缝区, 硬度值在HV 130~140之间, 约为母材77%, 有少量区域硬度呈同心圆从中心向四周升高, 是由于熔池中有残留少量未逸出的气孔缺陷所致;有部分区域硬度为HV 140~150, 是由于焊缝部分区域晶粒存在亚晶和小角度晶界, 气孔、亚晶和小角度晶界使焊接接头焊缝区产生硬度不均匀性。距焊缝中心约2.0~2.2 mm范围, 硬度值为HV140~150, 约为母材80%, 是因为宽度较窄的熔合区 (FZ) 内形成了尺寸细小的等轴晶粒所致。随着距离焊缝中心的增大而快速升高, 距焊缝中心约2.2~2.8 mm范围, 硬度为HV 165~180, 距焊缝中心约3 mm处, 部分区域硬度降至HV 158左右, 距焊缝中心超过3 mm区域硬度约为HV 165~180达到母材 (BM) 的硬度。
图1 7055铝合金激光焊焊接接头的显微硬度云图Fig.1 Micro-hardness maps of 7055 aluminum alloy welded joint BM:base metal;HAZ:heat affected zone;FZ:fusion zone;WZ:weld zone
2.2 拉伸性能
表1所示为7055铝合金基材及焊接接头的室温拉伸实验结果。母材的抗拉强度610 MPa, 伸长率为14.3%, 而焊接试件的抗拉强度为372 MPa, 伸长率仅为4.1%, 相对于母材分别下降了39.0%和71.3%, 拉伸试样均断裂在焊缝处。
表1 7055铝合金基材及激光焊焊接接头拉伸性能Table 1Mechanical properties of 7055 aluminum alloy base metal and laser welded joint 下载原图
表1 7055铝合金基材及激光焊焊接接头拉伸性能Table 1Mechanical properties of 7055 aluminum alloy base metal and laser welded joint
2.3 晶粒形貌及取向
图2为7055铝合金激光焊接头横截面EBSD像。由图2 (a, b) 可知, 7055激光焊接头由母材BM (base metal) 、热影响区HAZ (heat affected zone) 、熔合线FB (fusion boundary) 及焊缝区WZ (weld zone) 组成。母材为典型的等轴细晶组织, 粒径约20μm。热影响组织从近焊缝到母材晶粒尺寸呈梯度变化, 从20~30μm减小到10~20μm, 部分晶粒发生了再结晶, 晶粒取向和母材相同, 为<111>和<001>。溶合线附近靠近热影响区发现了细小的等轴非枝晶区 (non-dendritic equiaxed grain zone, EQZ) , 粒径为3~8μm, 最宽处达150μm, 晶粒取向随机分布。EQZ组织抑制了焊缝的联生结晶生长。熔合线附近的近焊缝区形成了粗大的柱状枝晶, 晶粒直径为10~20μm之间, 长度为30~100μm之间, 晶粒取向随机分布无择优取向。焊缝为胞状枝晶, 粒径为10~20μm。从图2 (c) 可以发现, 热影响区与母材存在的大、小角度晶界相当, 均有少量亚晶界存在;EQZ区存在大量的大角度晶界, 仅有少量小角度晶界。在EQZ区, 大量大角度晶界的存在可能是EQZ区晶粒比母材小而硬度比母材低的一个原因。焊缝区粗大晶粒内部仅有少量亚晶和小角度晶界存在, 因此, 焊缝区硬度较低, 塑性较差。
根据合金凝固理论, EQZ区的形成与7055铝合金中的Zn, Mg, Ti, Zr元素有关。Mg和Zn在Al中分配系数小于1, 且由图3溶合线附近的线扫描可以看出, Mg, Zn元素在EQZ区与热影区交界处出现了富集。熔池在凝固过程中, 固-液界面前沿的Mg, Zn元素在液体富集使液体中的浓度增大, 从而使成分过冷增加。另一方面激光焊时熔池结晶速度很快, 这将进一步增加成分过冷, 这为EQZ区的形成提供了动力学条件。其次, 7055铝合金中含有少量的变质剂 (0.15%Zr, 0.06%Ti) 可与Al在晶内形成金属间化合物 (Al3Zr, Al3Ti) [12,13]。在熔池凝固过程中, 这些物质符合“界面共格对应原则”, 不但使固-液界面张力减小, 降低金属异质形核的临界形核功, 而且能够提供异质形核所需的界面, 促进了异质形核[14]。根据熔池温度场分布特征, 熔池边缘温度略高于母材熔点, 存在一层运动速度很低的附面层。在该附面层中, 聚集大量Al3Ti和Al3Zr难熔质点, 造成该区域形核率和形核速度均极高[15], 即形成EQZ区。
图2 7055铝合金激光焊接接头横截面组织的EBSD像Fig.2 EBSD maps of microstructure along fusion boundary in transverse weld of 7055 aluminum alloy (a) Band contract map; (b) Orientation map and inverse pole map; (c) Grain boundaries of (a)
根据霍尔-佩奇 (Hall-Petch) 公式[16]:
式中σ0为晶内变形阻力, K为晶界变形系数。即晶粒大小与材料硬度和强度相对应。但由于EQZ区较窄且EQZ区晶粒四周被共晶组织所包围, 可能具有较高的热裂纹倾向[17]。所以EQZ组织对焊缝整体力学性能的影响有待进一步研究。
随着EQZ区的形成, 结晶潜热的释放, 结晶速度减小, 且温度梯度较大, 不满足成分过冷条件。以至于形核过程变得困难, 只有以EQZ中现有的晶粒向焊缝中心生长形成柱状枝晶[18]。柱状枝晶的生长将部分溶质元素排挤到焊缝中心, 导致焊缝中心产生较大成分过冷, 生成胞状枝晶。
2.4 焊缝处成分分布
由于激光焊属于高等密度焊接, 在焊接过程中, 焊接接头发生重熔, 温度过高, 部分元素可能会发生烧损。图3为7055激光焊焊接熔合区附近的二次电子相和Al, Zn, Mg, Cu元素的线扫描。由图3可知, 在EQZ区与热影响区交界处, Zn, Mg元素略高于母材和焊缝, 发生了富集。Al元素焊缝金属成分不均, Cu元素焊缝金属与母材差别不大。
2.5 TEM观察
图4为焊接接头不同区域的TEM像。由图4 (a) 可知:母材中弥散分布细小的棒状沉淀强化相, 棒状粒径为25 nm左右, 长度约为40~70 nm, 对应的<011>选区衍射花样显示这些强化相主要是亚稳的η'相。这些细小的η' (Mg2Zn) 相可有效地阻碍位错的运动, 强化基体, 因此母材具有高的强度和硬度。由图4 (b) 可知:与母材相比热影响区中沉淀强化相均为片状的η', 粒径稍大于母材, 约为60 nm左右, 但其弥散性比母材略高, 这是由于7055铝合金激光焊热影响区温度高于7055铝合金固溶温度, 全部强化相溶于α相形成过饱和固溶体, 焊件在室温下经过一段时间放置, 在过饱和固溶体中形成GP (guinier preston) 区, 在GP区析出大量的η', 后续自然时效过程温度较低, 使η'相尺寸略大于母材, 因此, 热影响近焊缝区硬度仅低于母材HV10左右, 形成了图1的硬度分布。图4 (b) 还能观察到球状的Al3Zr弥散粒子, 粒径约为50 nm, 可以强烈钉扎变形组织, 从而抑制再结晶, 并阻止再结晶晶粒长大[19]。由图4 (c) 可以看出, 焊缝区无明显的析出相。由于激光焊焊接时熔池凝固速度快, 焊缝区急冷结晶无纳米级沉淀强化相析出, 因此, 该区强度、硬度较低, 塑性较差, 成为焊接接头最薄弱的环节。
图3 7055铝合金激光焊接熔合线附近的EDS分析Fig.3 EDS line analysis of fusion between 7055 base material and weld seam
(a) Secondary electron image of fusion boundary; (b) Distribution of element intensity
图4 焊接头不同区域的TEM照片Fig.4 TEM bright-field images of different zones in joint (a) Base metal; (b) Heat affected zone; (c) Welding zone
图5 7055铝合金基材和焊接试样断口的SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of base metal and tensile fracture of welded joint of 7055 aluminum alloy (a) Base metal; (b) Welded joint
2.6 焊接接头拉伸断口的SEM形貌
图5所示为7055铝合金基材和焊接接头拉伸的SEM断口形貌。从图5 (a) 可以看出, 母材断口呈典型的等轴韧窝形貌, 为延性断裂特征, 一次和二次韧窝分布均匀, 尺寸统一, 部分韧窝底部发现未脱落的第二相颗粒, 由此判断母材韧性较好。从图5 (b) 看出, 在撕裂断口观测面分布有大量微孔聚合后的小韧窝, 说明晶粒内仍为延性断裂, 但在晶界处混杂有沿晶断裂特征, 说明焊缝铸造组织晶界处产生偏析, 脆性相的出现降低了材料韧性, 因此与母材相比, 焊缝韧性较低。
3 结论
1.焊接接头硬度云图关于焊缝中心近似对称分布, 焊缝和熔合区显微硬度分别约为HV 130~40和HV 140~150之间, 热影响区无明显软化, 喷射成形7055铝合金激光焊焊接接头抗拉强度372 MPa, 抗拉强度为母材的61.0%, 伸长率为4.1%, 拉伸试样均断裂在焊缝处。
2.7055铝合金激光焊接焊缝的EBSD像清晰地显示了焊缝熔合线附近EQZ的存在, 靠近中心为胞状枝晶, 靠近熔合区焊缝为柱状枝晶, 熔合区生成的EQZ组织, 没有继承母材晶粒取向, 焊缝形成为一种典型非联生结晶生长方式, 热影响区为部分再结晶的等轴晶粒, 晶粒取向与母材相同。
3.母材粒径为10~20μm, 热影响区粒径为20~30μm, 虽然热影响区晶粒比母材略大, 但热影响区晶内η'相比母材更弥散, 因此, 热影响区硬度与母材相当无明显软化。焊缝中柱状枝晶粗大, 而且晶内无析出相, 因此, 焊缝成为焊接接头最薄弱环节。
参考文献
