不同焊丝对Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.12Zr合金板材焊接性能的影响

2022-09-26路丽英毛晓东

轻合金加工技术 2022年5期

陈岩，路丽英，蔡雨，毛晓东

(1.东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060； 2.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209)

随着航空、航天及舰船领域的高速发展，对材料的综合性能要求也越来越高。结构轻量化不仅可以提高大型航天器、舰船等的机动化水平，而且可以提高能源利用率，是节能环保的有效途径[1]。5×××系铝合金具有中等强度、可焊性和耐腐蚀等优良的综合性能而被广泛应用到航空、航天、舰船等领域。航空、航天、舰船用户需用更高强度的合金材料[2]，通过用焊接结构替代铆接结构等方式来达到减重的目的[3-4]。

本试验以4 mm厚的Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.122Zr合金板材为母材进行TIG焊接试验，焊丝为直径1.6 mm的ER5E61、ER5B71铝合金焊丝，对比分析这两种焊丝作为填充材料对焊接接头组织和力学性能的影响。

1 试验材料与方法

Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.12Zr合金板材(母材)状态为H32态，试板尺寸为3 000 mm×150 mm×4 mm。母材、焊丝的化学成分如表1所示。

表1 母材及焊丝的化学成分(质量分数/%)

焊接方式采用平板对接，在不开坡口的前提下对4 mm厚的板材采用单面焊双面成形技术。焊前对预焊接位置进行打磨，去除板材表面氧化膜、油污等杂质，板材间留2 mm左右间隙，并用夹具固定，进行手动TIG填丝焊接，保护气体为99.99%的Ar气，气体流量为20 L/min,焊接电流为140 A。

焊后采用锯切方式沿垂直于焊接接头方向截取金相试样、硬度试样和拉伸试样，并对焊接接头组织和力学性能进行分析检测。

2 试验结果与分析

2.1 焊丝及母材的组织

图1为ER5B71、ER5E61铝合金焊丝偏光组织及金相组织图片。可以看出，两种焊丝组织均匀，析出物主要呈断续状沿晶界分布，化合物的形貌呈现块状或不规则多边形形状。

图1 两种焊丝的组织

图2为母材组织。可以看出，板材为明显的长条纤维状组织。板材的力学性能如表2所示。

图2 Al- 6Mg- 0.7Mn- 0.2Er- 0.122Zr铝合金板材组织照片

表2 母材的力学性能

2.2 焊接接头的组织

2.2.1 ER5E61铝合金焊丝焊接接头的组织

焊接接头分为热影响区(HAZ)、熔合区(FZ)、焊缝区(WZ)。ER5E61铝合金焊丝焊接接头焊缝中心组织为粗大的典型的铸态组织，如图3所示。对ER5E61铝合金焊丝焊接接头各区域晶粒尺寸进行统计，结果如表3所示。

图3 ER5E61铝合金焊丝焊接接头偏光组织

表3 ER5E61铝合金焊丝焊接接头各区域晶粒尺寸(μm)

由于母材中Er元素的存在提高了再结晶温度，在焊接热循环的作用下，抑制再结晶，抑制了母材热影响区的晶粒长大[5-6]。

图4为焊接接头SEM。可以看出，焊缝中第二相分布比较均匀，焊缝中心均匀地分布着含Mg相。

图4 ER5E61铝合金焊丝焊接接头SEM形貌

2.2.2 ER5B71铝合金焊丝焊接接头组织

图5为ER5B71铝合金焊丝焊接接头的偏光组织照片。ER5B71铝合金焊丝中复合添加了Sc、Zr元素，焊缝中心区域是由平均晶粒尺寸为23.3 μm的大小不同的等轴晶组成，焊缝区晶粒明显细化。这是由于焊丝中复合添加Sc 、Zr元素，组织中析出的Al3(Sc,Zr)粒子的晶格类型(LI2)及晶格常数[7]与铝基体的极为相似，错配度极小，焊丝熔化进入焊缝中能起到较好的晶粒细化作用[8]。