热处理工艺对Al-12.7Si-0.6Mg合金焊接接头组织性能的影响

张明达，郭菁，滕莹雪，周中浩，王洪斌，侯忠霖，徐振，庞启航

（辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051）

热处理工艺对Al-12.7Si-0.6Mg合金焊接接头组织性能的影响

张明达，郭菁，滕莹雪，周中浩，王洪斌，侯忠霖，徐振，庞启航

（辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051）

采用ER5356焊丝对厚度为6 mm的T6态Al-12.7Si-0.6Mg合金进行平板对接试验，使用交流脉冲TIG单面双道焊缝成形工艺，获得了良好的焊缝成形并且对焊接后材料分别进行了T5和T6态热处理。研究表明：热处理前，焊接接头热影响区内存在软化现象，接头抗拉强度为157.58 MPa，经T5态和T6态热处理后，焊接接头强度分别增至265.34 MPa和308.09 MPa；焊后热处理使熔合区析出的Si颗粒重新固溶到基体中，形成Al-Si固溶体及细小的α-Al枝晶组织，与焊缝区的等轴晶过渡良好，热影响区的显著硬度提高，使断裂位置由热影响区转移至熔合区，接头的抗拉强度和屈服强度大幅度提高。

热处理；焊接接头；含镁高硅铝合金；金相组织；力学性能

具有优良性质的Al-Si合金被广泛用在汽车发动机部件中［1-2］。T6态Al-12.7Si-0.6Mg合金在拥有良好的耐磨性能同时兼具了良好的可加工性能，包括挤压、轧制和焊接等性能，这为该合金应用在运煤敞车和挂车车厢等需要具有良好的耐磨耐腐蚀性的要求下提供了可能。但是由于焊接缺陷的问题［3］，大大限制了该种合金的应用［4-5］。经过T6态热处理的Al-12.7Si-0.6Mg合金母材在焊接热循环的作用下，材料接头会发生严重软化［6-8］。在实际生产中，常采用降低热输入的方法来提高接头的力学性能。本文采用钨极惰性气体保护焊（Tungsten inert gas welding，TIG）焊的焊接方式，单面焊双面成形，并对所选取的两种不同焊后热处理的焊接接头进行初步的组织性能测试与分析，研究它们对焊缝组织和性能的影响，为这种合金的推广提供一些理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 材料与焊接方法

试验选用WSE-500焊机，采用TIG交流脉冲，保护气为99.9%的氩气。成形方式为对接接头单面双道焊，母材尺寸为400 mm×120 mm×6 mm，母材及焊丝的化学成分如表1所示，母材和焊丝熔敷金属力学性能如表2所示，母材显微组织如图1所示。坡口为80°的V形坡口，相应钝边0.5 mm，板隙0.5～1.0 mm，紫铜材质作为成形槽。

表1 母材和焊丝的化学成分Tab.1 Chemical component of base metal and welding stick

表2 母材和焊丝熔敷金属力学性能Tab.2 Mechanical property of base metal and wire deposition

图1 母材显微组织Fig.1 Microstructure of base metal

焊前严格清理工件表面的氧化膜，并用丙酮擦拭干净，打底焊接后，焊道表面的氧化膜等杂质也要清理。焊好后分别对焊件进行T5和T6态热处理，如表3所示。

1.2 力学性能测试方法

在焊好后的板材上选取样品，方向垂直，试样的制作应按照GB/T228一2002《金属材料室温拉伸实验方法》的要求。采用Zwick2.5万能拉伸机进行焊接接头拉伸力学性能测试。采用Wilson-Wolpert 401 MVD维氏硬度计对接头进行测试，载荷为200 g，载荷加载时间为10 s。测试时，从焊缝中心处开始测试并逐步向母材区域过渡，以0.5 mm作为焊缝区与熔合区内相邻两个测量点之间的间距，其余区域内两个相邻测量点间距为1 mm，硬度测试如图2所示。采用OLYMPUS金相显微镜和Laica DMR型扫描电子显微镜（SEM）观察金相组织和断口形貌。

表3 热处理工艺参数Tab.3 Heat treatment process parameters

图2 接头硬度测试示意图，mmFig.2 Diagram of hardness test for welded splice，mm

2 试验结果与分析

2.1 焊缝成形与接头横截面宏观图

图3为ER5356焊丝进行脉冲TIG焊接对应的焊缝成形图。可以看出，在选取的焊接参数下，获得了成形连续、美观并有一定余高的焊缝。

图3 焊缝宏观照片Fig.3 Macrograph of section weld

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能拉伸实验结果如图4所示。经T5态160℃/14 h人工时效和T6态500℃/l.5 h的固溶+180℃/l.5 h时效后，焊接接头的抗拉强度明显提高，抗拉强度分别提高了108 MPa和151 MPa，延伸率分别降低了5.4%和5.9%，热处理后焊接接头断裂位置从热影响区转移到了熔合区。

图4 不同热处理制度的焊接接头的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of welded joint for different heat treating regime

2.2.2 硬度焊接接头各区域热处理前后的硬度分布情况如图5所示。综合接头的硬度分布与接头的形貌可知，距离焊缝中心线1.5 mm范围内的区域可判定为焊缝区（Weld metal zone）；与焊缝区相邻的区域为熔合区（Bond），该区域的范围为距焊缝中心线1.5～4 mm；与熔合区相邻且远离焊缝区的区域为热影响区（Heat affect zone），该区域的范围为距焊缝中心线4～12 mm。由图5可知，热处理前热影响区的硬度最低，焊缝区和母材的硬度均明显高于热影响区的硬度。但热处理后，各区域内硬度的分布情况发生了明显变化，此时熔合区的硬度最低，而热影响区的硬度则大幅提高，其硬度提高了30～45 HV。热处理前、后合金母材和焊缝区硬度变化不大。

2.3 金相组织

图6为使用热处理前后焊接接头的金相组织形貌。未热处理前后的母材组织（图6a，图6d，图6g）均由黑色区域的Al-Si共晶组织、少量弥散分布的Mg2Si第二相以及白色区域的α-Al枝晶组成；焊缝区均为急冷铸造组织。由于焊丝中镁的质量分数为4.5%～5.5%，焊接过程中会烧损大量的镁元素，使其质量分数降低，结合Al-Mg合金相图可以看出，这时的焊缝组织（图6c，图6f，图6i）会有极少量的β-Al8Mg5共晶组织生成或者固溶在α-Al中形成固溶体。而熔合区为填充金属与母材形成的交混组织，熔合线附近（图6b）的α-Al晶粒和硅颗粒受到较大的热输入后尺寸变大，附近冶金结合不良，存在从母材到焊缝金属的一个中间过渡层。经过T5和T6态热处理后（图6e，图6h），焊缝金属沿着熔合线以联生方式长大，过渡层消失，硅颗粒明显减小，冶金结合良好。

图5 热处理前后焊接接头的维氏硬度Fig.5 Vickers hardness of welded joint before and after heat treatment

2.4 断口形貌

图7为热处理前、后焊接接头的拉伸试样断口组织。热处理前的焊接接头的拉伸断裂位置在热影响区内。观察其断口形貌可知，断口处同时存在着穿晶剪切棱与韧窝，而且韧窝少且浅。热处理后，拉伸断裂发生在熔合区，在其断口处呈明显的韧窝形貌，而且其韧窝大且深。

图6 热处理前后的接头金相组织形貌Fig.6 Microstructure morphology before and after heat treatment

图7 不同焊丝的接头断口形貌Fig.7 Morphology of joint fracture for different wire

3 结论

（1）用ER5356焊丝为填充材料对T6态Al-12.7Si-0.6Mg合金板进行交流脉冲TIG焊，焊接接头热影响区内存在软化现象，接头的抗拉强度降为157.58 MPa；经T5态160℃/14 h人工时效和T6态500℃/l.5 h的固溶+180℃/l.5 h人工时效热处理后，焊接接头强度分别增至265.34 MPa和308.09 MPa。

（2）焊后热处理消除了焊接热应力，改善了焊缝区态组织，从母材到焊缝金属的中间过渡层消失，硅颗粒明显减小，熔合区组织细化，焊缝金属沿着熔合线以联生方式长大，过渡层冶金结合良好，从而提高了热影响区的显微硬度；拉伸断裂由热影响区变成了熔合区，其断口处也由少且浅的韧窝与穿晶剪切棱共存的形貌转变为了完全由大且深的韧窝组成的韧性断裂断口形貌。

（3）对接头进行热处理后，熔合区内大量Si颗粒会重新固溶到基体中形成Al-Si固溶体，形成了细小的α-Al枝晶组织，与焊缝区的等轴晶完美过渡，使焊缝区的硬度、抗拉强度和屈服强度大幅度提高。

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Effect of Post-weld heat treatment on microstructure and properties of T6 treated Al-12.7Si-0.6Mg alloy joints

ZHANG Mingda，GUO Jing，TENG Yingxue，ZHOU Zhonghao，WANG Hongbin，HOU Zhonglin，XU Zhen，PANG Qihang
（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

Experiment of flat butt-welding is conducted on the Al-12.7Si-0.6Mg alloy plates with the thickness of 6 mm.The pulse TIG is used in the process of single side with double pass welding，and the weld seams were excellent.Besides，T5 and T6 heat treatment were carried out after welding.The results show that the softening phenomenon appears in the welding joints due to the weld thermal cycle and，the strength of welded joint 157.58 MPa.the strength reached to 265.34 MPa and 308.09 MPa respectively，after the T5 and T6 postweld heat treatment.After the post-weld heat treatment，precipitated Si particles solved into the base metal，formed short α-Al dendrites and，columnar structure of heat treatment zone merged together.The strengthened hardness，tensile strength and yield strength of this zone improved significantly and，the fracture position moved to the bond from heat treatment zone.

welding wires；welding joint；T6 treated Al-12.7Si-0.6Mg alloy；microstructure；mechanical properties

September 16，2016）

TG406

A

1674-1048（2017）02-0107-05

10.13988/j.ustl.2017.02.006

2016-09-16。

国家自然科学基金（51374128）；2016年校大学生创新创业计划项目（DC2016038）。

张明达（1994—），男，辽宁鞍山人。

郭菁（1982—），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师。