Al-12.7Si-0.7Mg合金焊接热裂纹倾向性研究

王 东，何长树，王 浩，刘 建，赵 骧，左 良(.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 089；.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 66)

Al-12.7Si-0.7Mg合金焊接热裂纹倾向性研究

王 东1，何长树1，王 浩1，刘 建2，赵 骧1，左 良1
(1.东北大学 材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110819；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111)

在不填丝的情况下，采用自动TIG焊对Al-12.7Si-0.7Mg合金热挤压型材进行鱼骨状裂纹试验.通过目测、金相观察、EDS分析、显微硬度测定等方法研究了该合金的焊接热裂纹倾向性及焊接接头显微组织与硬度分布.结果表明：焊缝表面与内部均未发现裂纹，合金焊接热裂纹倾向性低.焊缝区是母材在焊接热作用下熔化后激冷形成的铸态组织，主要由α-Al、Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含Fe相等金属间化合物构成。经T6处理后，焊缝区中呈密集纤维状的共晶硅粒状化.显微硬度测试结果显示焊态接头焊缝区硬度最高，熔合区急剧下降，在热影响区达到最低，经T6处理后，接头各区显微硬度整体提升，且波动较小.

Al-12.7Si-0.7Mg合金； TIG焊；焊接热裂纹倾向性；显微组织

铝硅合金具有低密度、高耐磨性、导热性好、低热膨胀系数等诸多优点，被作为铸造合金广泛地应用于发动机、汽车、航空航天等领域[1～4].然而，硅含量高的铸造铝硅合金由于脆性初生硅或共晶硅的存在使合金变形困难，一般不作为变形合金使用[5,6].本文以东北大学自主研发的Al-12.7Si-0.7Mg合金为研究对象，在不添加任何变质剂的条件下通过半连续铸造改善铝硅合金凝固组织、细化共晶相及初生硅相，制备了具有显著细化组织的合金铸锭，通过热挤压成功实现了Al-12.7Si-0.7Mg合金的热变形[7].与当前广泛应用的6063合金相比，在相同的热处理状态下，Al-12.7Si-0.7Mg合金具有更加良好的力学性能和广阔的应用前景[8].作为一种新的合金，研究其焊接性对于该合金的推广应用是十分必要的.

焊接性是金属材料，包括铝及铝合金的一项非常重要的性能指标.材料焊接性是否良好，是影响焊接工艺难易简繁、产品质量优劣、经济效益高低的重要因素.一般来说，在开发一种新合金或为新结构选用新材料时必须进行焊接性实验.焊接裂纹试验方法是工艺焊接性的直接实验法中的主要内容[9].焊接裂纹是一种不被允许的缺陷，因此，开发新合金及研制新结构时，焊接裂纹倾向性试验常成为首要的焊接性试验项目[10].

鱼骨状裂纹试验主要用于评定铝合金、镁合金和钛合金的薄板(1～3 mm)焊缝及热影响区的热裂纹敏感性[9].本文通过鱼骨状试件焊接裂纹实验法研究了Al-12.7Si-0.7Mg合金挤压型材的焊接热裂纹倾向性，对于这种含镁高硅变形铝合金的推广应用具有重要的实际意义.

1 实验材料及方法

在3 mm厚Al-12.7Si-0.7Mg铝合金热挤压型材上切取如图1所示尺寸为90 mm×50 mm×3 mm的试板(试板长度方向平行于热挤出方向).按图1所示尺寸在薄板上利用线切割加工出深度逐渐增加的切口，以造成沿试板长度方向上不同的拘束度，切口间距和宽度分别为9 mm和1 mm，切口越长，该处拘束度越小.从A端到B端拘束度逐渐减小，焊接方向为从A到B.

图1 鱼骨状试件尺寸/mmFig.1 Size of the fish-bone specimen

焊前用丙酮清洁试板表面的油污并用打磨工具清除其表面氧化膜.所用焊机为CLOOS GLW 300 I-H-P-R 型TIG焊机.焊接时采用不填丝自动TIG焊，沿着试板中心线从A端到B端熔融出一条焊缝.焊接工艺参数为：焊接电流70～80 A，交流频率70 Hz，焊接速度180 mm/min，氩气流量15 L/min.焊后通过测量和统计焊缝裂纹长度来评价合金的焊接裂纹敏感性.检查方法为目测，试验合金的结晶裂纹倾向C1和液化裂纹倾向C2可以按下式计算：

C1=L1/L

(1)

C2=L2/L

(2)

式中：L1为结晶裂纹长度之和；L2为液化裂纹长度之和；L为焊道总长度.针对铝合金裂纹倾向性指标，要求C1≤10%，C2=0，即可认定材料的焊接裂纹倾向性低，焊接性良好[10,11].

利用OLYMPUS金相显微镜观察距离焊接初始端10 mm处焊缝横断面各区域微观组织，腐蚀液选用新配置的Dix-Keller试剂(体积比为HF∶HCL∶HNO3∶H2O=2∶3∶5∶190).利用JEOL JSM-7001F扫描电子显微镜对焊缝区进行了形貌观察，并对金属间化合物进行了EDS分析.同时利用Wilson-Wolpert 401 MVD维氏显微硬度计从焊缝中心向母材方向逐点测量各区显微硬度(载荷25 g，加载时间10 s).将观察后金相试样进行T6处理，即在盐浴炉中进行520 ℃固溶处理1.5 h，水淬，然后在马弗炉中进行180 ℃时效3 h处理.对T6处理后的试样进行金相观察与显微硬度测定.

图2 鱼骨试样热裂试验样品形貌Fig.2 Optical morphologies of the fish-bone specimens

2 结果及讨论

鱼骨状裂纹试验结果如图2所示，经过严格的目视检测，四个样品焊缝表面均不存在裂纹，即使在拘束度最大的焊接初始端，也没有发现裂纹，即C1=C2=0.因此，可认定Al-12.7Si-0.7Mg合金的焊接裂纹倾向性低，焊接性良好.

为了防止在目视检测中遗漏可能存在的裂纹，取2#试件距焊接初始端10 mm处横断面进行金相观察，此处拘束度最大，如果焊接材料的焊接裂纹倾向性大，则易于在此处产生裂纹.通过金相观察分析各区域显微组织，重点观察其焊缝上部是否存在裂纹.

图3为鱼骨状焊接试件横断面宏观与微观组织.在焊缝低倍组织中没有发现裂纹，在焊缝区存在少量气孔.由图3知，经不填丝焊接后的焊缝，其焊接区域分为焊缝区、熔合区和热影响区.焊缝区主要由母材在焊接热作用下熔化后凝固结晶组织构成，焊缝区组织主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量金属间化合物构成.图4为焊缝区SEM形貌及金属间化合物EDS分析结果，可以看到呈鱼骨状或汉字状的黑色相为Mg2Si相，呈长条状的淡灰色相为含Fe相.焊缝中心晶粒较粗大，呈等轴晶状，如图3(d)所示.焊缝区靠近熔合区一侧晶粒呈柱状，且沿着散热方向具有一定的方向性，如图3(e)所示.焊接接头靠近焊缝边缘有一条很窄的熔合区，熔合区靠近焊缝一侧为沿着散热方向排列的柱状晶，且熔合线处α-Al晶粒粗大，如图3(b)、(c)和(f)所示.从熔合区到焊缝中心，温度梯度逐渐减小，结晶速度逐渐增加，α-Al晶粒从柱状晶逐渐变为等轴晶.图3(g)和(h)分别为热影响区和母材区，可以看到，与母材区相比，热影响区Si颗粒在焊接热的影响下发生了明显粗化.

图3 鱼骨状焊接试件焊缝横断面宏观与微观组织Fig.3 Macro and micro structure on cross section of the fish-bone sample (a)—焊缝宏观形貌; (b)—左侧熔合区; (c)—右侧熔合区; (d)—焊缝中心; (e)—靠近熔合区的焊缝区; (f)—熔合区; (g)—热影响区; (h)—母材区

从鱼骨状试件焊接裂纹试验的结果得知，在无填丝的情况下，试件焊缝表面与内部均未产生结晶裂纹和液化裂纹.距焊接起始端10 mm处(此处拘束度最大)焊缝横断面宏、微观组织观察结果显示，焊缝区存在少量气孔，但未发现显微裂纹.这与Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si 元素的含量有关，Si能够有效地改善铝合金的流动性.在铝硅合金中，随着硅含量的增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小，根据生产经验，当含硅质量分数5%～6%时基本不产生热裂.Al-12.7Si-0.7Mg合金中Si的质量分数达到12.7%，流动性良好，焊接裂纹倾向性低.

图5为T6处理(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)后焊缝横断面的金相组织.由图3(d)和5(a)可以看出， T6处理之前，焊缝区中密集纤维状的共晶硅存在于树枝晶之间，呈网络化分布.经T6处理后，共晶硅连续网状分布的特征消失，密集纤维状共晶硅粒状化. 由图5(b)可知，熔合区靠近焊缝区一侧共晶硅变化与焊缝区相似，由密集纤维状变为粒状.熔合区靠近热影响区一侧，硅颗粒明显地粗化.由图5(c)和(d)可以看出，经T6处理后，热影响区与母材区内硅颗粒边缘圆角化、钝化，形态趋于粒化.

图6为焊态(As-welded)及T6处理后(T6-treated)焊接接头不同区域显微硬度分布.由图6可知，焊态接头显微硬度值在焊缝区达到最高, 在熔合区急剧下降, 在热影响区达到最低并形成变化平缓台阶.经T6处理后，焊接接头各区硬度大幅度地提升，且各区域硬度波动较小.

图4 鱼骨状焊接试件焊缝区SEM形貌及金属间化合物EDS分析结果Fig.4 SEM micrograph and EDS spectra of the intermetallic phases in weld zone

图5 T6处理后焊缝横断面金相组织(520 ℃/1.5 h+180 ℃/3h)Fig.5 Microstructures of T6-treated welded joint (a)—焊缝中心; (b)—熔合区; (c)—热影响区; (d)—母材区

图6 焊态及T6处理后焊接接头显微硬度分布Fig.6 Micro-hardness distribution of as-welded and T6-treated joints

3 结 论

(1)Al-12.7Si-0.7Mg合金挤压型材不填丝焊缝表面未发现结晶裂纹和液化裂纹，该合金抗热裂性能良好，焊接裂纹倾向性低.

(2)焊接接头焊缝区组织主要由亮白色α-Al、黑色的Al-Si共晶相以及少量Mg2Si、含Fe相等金属间化合物构成.经T6处理后，焊缝区呈密集纤维状的共晶硅粒状化.

(3)显微硬度测试结果显示，焊态接头焊缝区的硬度最高, 到熔合区硬度急剧下降, 热影响区的硬度值最低.经T6处理后，焊接接头各区硬度大幅度的提升，且各区硬度波动较小.

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ResearchonhotcrackingsusceptibilityofAl-12.7Si-0.7Mgalloy

Wang Dong1, He Changshu1, Wang Hao1, Liu Jian2, Zhao Xiang1, Zuo Liang1

(1.Key Laboratory of Anisotropy and Texture of Materials (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, China;2.Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd., Qingdao 266111, China)

Fish-bone cracking test was carried out on the hot extruded Al-12.7Si-0.7Mg alloy by using automatic TIG welding method without filler metal. The hot cracking susceptibility of the alloy and microstructures as well as micro-hardness distribution of the welded joint were studied by visual inspection, optical microscopy, EDS spectra analysis and micro-hardness test. The results showed that there is no cracking found on surface or in interior of the welded joint, the hot cracking susceptibility is low. The weld zone is a typical casting structure formed during the weld solidification affected by the welding heat input. The weld zone is mainly composed ofα-Al, Al-Si eutectic phase and a few of intermetallics phases (Mg2Si, Fe-containing phase) precipitated in the interdendritic regions. Treated by T6, the fibrous eutectic Si in the weld zone is spheroidized. Distribution of the micro-hardness showed that the hardness of as-welded joint gets maximum values in the weld zone, drops rapidly in the fusion zone and reaches minimum values at the heat affected zone. Treated by T6, hardness on the joints increases entirely and stably.

Al-12.7Si-0.7Mg alloy; TIG welding; welding hot cracking susceptibility; microstructure

2013-11-19.

国家科技支撑计划项目(节约型高硅变形铝硅合金生产工艺开发与示范，2009BAE80B01)；国家科技支撑计划项目(高速列车关键材料及部件可靠性，2009BAG12A07-B02)；长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0713).

王东(1985—)，男，东北大学博士研究生,E-mail:dwwinter@126.com; 赵骧(1956—)，男，东北大学教授，博士生导师; 左良(1963—)，男，东北大学教授，博士生导师.

TG 457.14

A

1671-6620(2014)04-0266-06