5R60铝合金焊接接头微观组织与力学性能研究*

2022-09-21李清波周古昕李金宝

新技术新工艺 2022年7期

李清波，周古昕，毛华，李金宝

(1.哈尔滨第一机械集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150000；2.中国兵器工业集团第五二研究所，浙江宁波 315103)

俄罗斯自20世纪70年代开始含钪铝合金的研究，至今已研发出十余种应用于舰船、航天器、特种车辆等领域的高性能工业含钪铝合金，至今俄罗斯含钪铝合金材料基础与工程应用研究已基本成熟[1-3]。我国通过中俄合作项目、“十五”规划项目等先后开展了铝钪中间合金、高强高韧可焊含钪铝合金板材及配套焊丝等研究，取得了一系列科技成果[4-5]。5R60铝合金是中国兵器工业集团第五二研究所开发的一种新型高强、耐蚀、可焊铝合金，合金成分体系在主合金化元素Mg、Zn、Mn、Zr、Ti基础上添加微量稀土Sc元素，有效地促进和提高了其加工性能和使用性能，已经应用于兵器、舰船及各类有高强耐蚀要求的焊接结构中。5R60铝合金H131状态板材在防高速冲击性能与7xxx系铝合金相当的情况下，焊接、耐蚀性能突出且由于密度较低而表现出一定的减重效果；H136状态板材在防爆应用中效果优良，综合性能明显优于5059合金。H116状态5R60板材在较高力学性能条件下，表现出优异的耐海水盐雾腐蚀及硝酸腐蚀失重性能，尤其适合在船舶和海洋环境下应用，效果优于俄罗斯01561合金。5R60作为高强、耐蚀、易焊铝合金在未来轻型铝合金材料先进制造领域具有广阔的应用前景。

为进一步全面评价5R60铝合金的焊接性能，本文以13 mm厚5R60铝合金为研究对象，使用5R59高性能铝合金焊丝对其进行焊接，并对焊接接头微观组织、力学性能进行研究，为5R60铝合金工程应用提供指导。

1 试验方案

焊接试验采用MIG焊接工艺，所用焊丝为中国兵器工业集团第五二研究所研发的φ1.60 mm规格5R59铝合金焊丝，焊接试板规格为300 mm×150 mm×13 mm。表1为5R60铝合金板材与5R59焊丝名义化学成分。焊接试板采用“X”型坡口，保护气体为高纯Ar气，焊接工艺参数见表2，图1所示为焊接使用的ESAB MIG5000i焊机。

表1 5R60与5R59合金名义化学成分

表2 5R60铝合金焊接工艺参数

图2所示为焊接试板及测试试样取样示意图。焊接接头拉伸性能测试依据标准为GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，测试试样垂直于焊接方向，同时测试4个平行试样；焊接接头硬度测试依据为GB/T 27552—2011《金属材料焊缝破坏性试验焊接接头显微硬度试验》，测试位置位于板材中间，测试焊缝中心与母材侧热影响区的显微硬度。

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头微观组织

图3所示为焊接接头显微组织照片，其中WZ为焊缝区，HAZ为热影响区，BM为母材。熔合区位于热影响区与焊缝区之间，通常靠近焊缝熔池一侧往往形成沿散热方向的柱状晶[6]。而在本试验中，由于5R59焊材与5R60母材成分具有较高适配度，整个焊缝熔池中形成大量与基体共格、高熔点第二相，凝固过程中有足够的成分过冷存在，只要在低于约1 K的极低过冷度下就可以发生形核[7]，焊缝区与热影响区均形成等轴晶，组织均匀过渡，熔池边缘未形成柱状晶。

图4所示为5R60焊接接头焊缝区中心位置组织金相，由均匀、细小的等轴晶组成。通过晶粒直径相对概论分布直方图(见图5)分析可知，尺寸分布在7～13 μm之间的晶粒占91.2%，平均直径为9.6 μm。焊缝区主要由填充焊丝(5R59焊丝)材料焊接时凝固后形成，由于焊接熔池快速结晶，溶质来不及扩散，加之各组元、熔池各部位结晶先后不同，溶质浓度有差异，同时溶质来不及均匀化，从而形成了典型的铸造组织，这种急冷结晶组织使得焊缝区硬度较低，塑性较差[8-9]。

图6所示为焊缝区扫描电镜背散射成像照片，焊缝组织中分布大量初生第二相(见图6中白色第二相)，直径尺寸小于2.6 μm，由EDS能谱分析结果(见图7)可知，该相是由Al、Sc、Zr、Ti元素组合形成的多元复合相。

研究表明，当焊缝熔池中含Sc第二相尺寸较小时，极有可能起到晶粒形核核心作用，促进焊缝组织细化，当形成尺寸大于10 μm的初生第二相时，这些较大颗粒的存在可能会对焊缝的力学性能产生不利影响。E. A. Popova等[10]研究指出，由Al、Sc、Zr、Ti元素形成的Al3(ScxZr1-x)、Al3(ScxTi1-x)和Al3(TixZr1-x)等相为L12立方晶格结构，与α(Al)基体具有较高的结构和尺寸匹配度，工业中广泛应用于铝合金改性，通过细化晶粒尺寸，降低合金腐蚀敏感性，提高再结晶温度，提升材料力学性能和焊接性等。Qu Z等[11]使用Al-Mg-Zn-Sc-Zr-Mn焊丝与ER5183焊丝对比焊接7075-T651铝合金，前者焊接接头具有较高的接头强度和延展性，同时表现出更高的抗应力腐蚀性能。

靠近焊缝一侧的热影响区为均匀等轴晶，该区域宽度约为250 μm(见图3)，具有沿母材轧制方向分布的趋势，且无明显由Al、Sc、Zr、Ti元素组成的第二相分布。因此该部分等轴晶是在焊接热输入作用下形成的再结晶组织，其晶粒直径相对概论分布如图8所示，尺寸分布在11～21 μm之间的晶粒占78.7%，平均晶粒直径为18.4 μm，远大于焊缝区晶粒尺寸。

图9所示为焊接接头拉伸断口形貌，断口由大量细小的韧窝组成，具有明显撕裂棱，属于典型塑性断裂，表明焊接接头具有较高的延展性。

5R60铝合金焊接接头焊缝区中Al、Sc、Zr、Ti元素形成的初生第二相尺寸较小，是理想的非均质形核核心，促进焊缝晶粒细化，对提升焊接接头强度、塑性等综合性能具有积极作用。

2.2 焊接接头力学性能

表3为焊接试验焊接接头拉伸基本力学性能测试数据，其中最高抗拉强度为367 MPa，平均抗拉强度为358.3 MPa，平均断后延伸率为12.5%，平均接头强度系数达0.8，拉伸试样断裂位置均位于焊缝区，接头抗拉强度与断后延伸率具有一定正相关关系。

表3 焊接接头基本力学性能

5xxx系铝合金焊接依据焊接结构件对焊接工艺性、接头力学性能和接头耐蚀性能等的不同要求，通常选用5356、5087和5183等铝合金焊丝进行焊接。王恩泽等[12]的研究试验表明，使用ER5087焊丝焊接4和6 mm厚的6082-T6板材，焊接接头抗拉强度分布在210～260 MPa之间，焊接接头强度系数为60%～70%，且由于焊接热循环作用导致母材焊接热影响区过时效和固溶区的强化相溶解及晶粒粗化，焊接接头断裂位置均不在焊缝区。杨明[13]使用ER4043和ER5356焊丝分别焊接14 mm厚的7075-T6铝合金板材，焊接接头抗拉强度分别为309.97和267.21 MPa。段浩伟等[14]使用ER5356、ER5087和ER5183焊丝对A7N01S-T5铝合金进行MIG焊接，试验结果为采用ER5183焊丝焊接的接头抗拉强度和断后伸长率最高，且弯曲性能良好，平均抗拉强度为286.7 MPa，平均断后延伸率为6.54%。

由上述对比可知，使用5R59焊丝焊接5R60铝合金的接头基本力学性能明显优于当前5xxx系铝合金焊接技术水平，是一种十分具有广泛应用潜力的高性能铝合金焊丝，可进一步开展5R59铝合金焊丝在兵器、船舶等领域的工程化应用研究。

焊接接头显微硬度测试从焊缝中心位置向母材一侧依次进行，加载力为200 g，持续时间为15 s，显微硬度分布曲线如图10所示。焊缝中心向母材一侧6 mm区域为焊缝区，平均硬度为90.5 HV，为接头性能最薄弱区域。进入母材区后硬度值随距焊缝中心距离增加快速回升，在距焊缝中心约35 mm处达到母材硬度水平。由此可知，焊接热输入对5R60母材性能的影响区域，即热影响区，宽度实际约为30 mm，而图3中再结晶组织区域仅为250 μm。

图11所示为使用含Sc铝合金焊丝TIG/MIG工艺焊接7xxx系铝合金板材焊接接头硬度分布曲线图[15]。由图10与图11对比可知，7xxx系铝合金由于焊接热输入对母材组织的过时效作用，造成焊接接头存在明显软化区，当软化区硬度低于焊缝区时，拉伸断口位置可能位于母材区域。5R60铝合金属于不可热处理强化合金，焊接接头热影响区中无固溶区和软化区，性能最薄弱位置通常位于焊缝区或熔合线附近。焊接热输入对5R60铝合金热影响区的作用机理仍需进一步深入研究。