时效对7A53铝合金焊接接头力学性能的影响

张帅谋，王小平，李国强

时效对7A53铝合金焊接接头力学性能的影响

张帅谋，王小平，李国强

摘要:采用美国Miller公司的焊接专家控制系统,对新装备材料7A53超硬铝合金进行脉冲MIG焊，得到焊接接头。研究了人工时效和自然时效工艺对焊接接头的力学性能的影响。结果表明，人工时效后，抗拉强度(Rspan)约为母材的84%，自然时效后抗拉强度(Rspan)约为母材的77%；经人工时效和自然时效后显微硬度(HV)值均比未时效显著提高。两种时效方法力学指标均超过军方标准。人工时效最佳的温度为150℃；自然时效当超过35天后性能趋于稳定。

关键词:时效；7A53铝合金；力学性能；显微硬度

新研制的7A53型铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝合金，作为最理想的轻量化材料，具有高比强度、高的硬度、无磁性、良好的耐腐蚀性和低温韧性及可焊性等特点，是航空航天和装甲战舰、战车等轻量化装备的理想材料[1]。在应用过程中，7A53型铝合金在焊接接头热影响区(HAZ)存在严重的软化问题，有文献研究指出，Al-Zn-Mg-Cu系硬铝合金软化原因主要是焊接接头受焊接热循环的影响，导致强化相粒子过时效粗化[2-4]。针对焊接接头“过时效软化”现象，本文采用先进智能控制系统脉冲MIG焊方法[5]，优化选用恰当的焊接参数，采用不同的时效方法(人工时效与自然时效)，研究了在时效条件下，时效温度和时效时间对7A53铝合金的力学指标的影响，使得强度超过军方标准指标(相当于国际上的先进水平)，进而获得在试验参数范围内的最佳时效温度和时效时间，为新型装甲军舰制造供参考。

1试验材料及试验方法

1.1　试验材料

试验母材为军方最新材料7A53-T6铝合金，试板规格：250mm×100mm×6mm，施焊前母材坡口两侧至少40mm用丙酮去除油污，然后用锉刀去除氧化膜。焊材选用ER5356焊丝，直径Ф1.0mm，焊丝用5%～8%NaOH(40℃～60℃)溶液中碱洗5min，流动水冲洗后，再用30%硝酸中和处理，然后用流动水清洗后低温风干，目的去除氧化膜。母材及焊材的化学成分见表1。

表1　母材及焊材的化学成分

1.2　试验方法

1.2.1焊接工艺

采用对接接头，采用线切割加工V型坡口，坡口角60°，钝边为1mm，间隙为2mm，试板的坡口和焊道如图1所示。采用美国Miller公司生产的具有下降特性的脉冲MIG直流焊机(专家控制系统)，小线能量，多层焊，以控制焊接热输入以及高温停留时间。采用反面机械方法清根。保护气为Ar气(纯度≥99.99%),焊接工艺参数见表2。

图1　母材焊接破口及焊道示意图

表2　脉冲MIG焊接焊接工艺参数

1.2.2时效热处理

将焊后试板分成两组，其中一组进行单级人工时效，另一组进行自然时效。人工时效温度分别为120℃、150℃、180℃，时效时间均为24h。自然时效工艺：置于大气环境(温度25℃)，分别放置25Day、35Day、45Day、55Day。

1.3　力学试验

1.3.1拉伸试验

对人工时效和自然时效后的试板进行取样，取样位置见图2。取样后按照国家标准制备试样，试样尺寸示意图见图3。拉伸试验在CMT5205电子万能拉伸试验机上完成，拉伸速度为2mm/min。每个力学指标取三个试样的平均值。

图2　拉伸取样位置示意图

图3　拉伸试验试样尺寸

1.3.2显微硬度试验

根据GB4342-1991《金属显微维氏硬度测试方法》，对7A53铝合金焊接接头进行显微硬度测试，试样分别取自未时效接头、人工时效接头和自然时效后的接头。测量焊接接头的焊缝区、热影响区和母材的硬度值。试样的硬度测试方向从垂直于焊缝区正中心往母材区测试，每隔0.25mm取一个测试点，在母材区域内以每隔0.5mm取一个测试点，0点处为焊缝的正中心位置。试验采用MH-5半自动显微维氏硬度计进行硬度测试，施加载荷50g，载荷持续时间10s。

2试验结果及分析

2.1　拉伸测试结果及分析

对两组时效后的7A53焊接试样进行常温力学性能试验，对获得的强度和塑性数据绘制成变化趋势图见图4和图5。图4为人工时效处理对7A53铝合金强度和伸长率的影响；图5为自然时效对7A53铝合金强度和伸长率的影响；同时拉伸试验结果还显示，不论是人工时效还是自然时效，断裂位置均在热影响区(HAZ)。

图4　人工时效对合金拉伸力学性能的影响

图5　自然时效对合金拉伸力学性能的影响

从图4中可以看出，7A53铝合金没有时效处理(No aging)的焊接接头抗拉强度(Rm)约为母材的61%，屈服强度(Rp0.2)约为母材的50%，这两项指标均没有达到军方标准使用要求；但接头经过人工时效后，抗拉强度约为母材的84%，屈服强度达77%。

由5图可知，采用自然时效工艺，焊接接头超过35天以后，性能变化趋于稳定，且可满足超硬铝合金军方验收标准(强度达70%)，自然时效后抗拉强度(Rm)约为母材的77%，屈服强度(Rp0.2)约母材的76%。

对比图4和5图可知，7A53铝合金焊接接头进行人工时效的最佳时效温度为150℃。自然时效使接头性能趋于稳定的最小时间为35天。

2.2　TEM组织观察

利用FEI-TECNAI-G20型透射电镜观察金相显微组织，图6为人工时效温度分别为120℃、150℃、180℃时的TEM组织照片(时间均为24h)，图7 为在150℃时自然时效分别为25Day、35Day、45Day的TEM组织照片。

图6　人工时效温度分别为120℃、150℃、180℃时的TEM组织照片

图7　150℃时自然时效分别为25Day、35Day、45Day的TEM组织照片

2.3　结果分析

7A53超硬铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系，铜主要起固溶强化作用[5]，加入合金元素锌和镁形成Al-Zn-Mg系合金，由富Al角150℃等温截面相图(见图8)可知，该系合金的主要强化相为T(Al2Mg3Zn3)相，η(MgZn2)相[6-7]。由于焊接热循环的影响，热影响区(HAZ)内强化相η部分聚集长大或部分强化相重溶，导致该区严重软化。而在时效过程中，时效温度较低，未达到强化相的溶解温度，时效前已聚集长大的析出相不能固溶而降低了强化作用，从而使得热影响区起强化作用的η相数量少于母材区，导致该区人工时效后强度也不能恢复至母材的强度，形成过时效软化区。

图8　Al- Zn-Mg系合金富Al角150℃等温截面示意图

图9　7A53铝合金焊接接头时效前后显微硬度结果

7A53铝合金属于新研发的时效强化铝合金，由图6 和图7 的TEM照片可以看出，该系合金在时效过程中从过饱和固溶体中依次析出G. P.相、η′相和平衡的η相，晶界上伴随着形成无沉淀析出带(PFZ)，本试验数据显示，150℃以下欠时效，时效温度达150℃以上时，析出相主要是G. P.相和η′。时效温度愈高，时效时间愈长，G.P.向η′相和η相转化愈快，η′相粗化也愈明显，这正好和HAZ断裂相吻合。

2.4　显微硬度结果及分析

图9为7A53铝合金焊接接头经人工时效(150℃)、自然时效(35天)和未时效热处理的显微硬度试验结果。由图可知，7A53铝合金焊接接头经人工时效和自然时效热处理后显微硬度均显著提高。150℃人工时效要比35天自然时效显微硬度高。由图7(b)可知，时效过程中过饱和固溶体析出强化相η，使得7A53铝合金焊接接头经热处理后硬度显著提高，这和拉伸试验结果相对应。

3结论

(1)新装备材料7A53铝合金没有时效处理的焊接接头抗拉强度(Rm)约为母材的61%，屈服强度(Rp0.2)约为母材的50%，两项指标均没有达到军方标准；但接头经过人工时效后，抗拉强度约为母材的84%，屈服强度达77%，超过军方使用要求。

(2)7A53铝合金焊接接头经过35天以上自然时效，焊缝力学性超过军方标准要求(强度均超过70%)，而且性能趋于稳定。

(3)经人工时效和自然时效后显微硬度均显著提高。人工时效最佳的温度为150℃。断裂均发生在熔合线附近的热影响区(HAZ)，即焊接接头的最薄弱区在热影响区，试验结果相互吻合。

[参考文献]

[1]张传臣, 陈芙蓉.厚板高强铝合金焊接发展现状及展望[J]. 电焊机,2007,37(7):6-11.

[2]王元良,屈金山,晏传鹏,等.铝合金焊接性能及焊接接头性能[J].中国有色金属学报, 1997, 7(1): 69-74.

[3]Pinho-da-Cruz J A M, Ferreira J A M, Costa J D M, et al. Fatigue analysis of thin Al-Mg-Si welded joints under constant and variable amplitude block loadings[J].Thin-Walled Structures,2003(41): 389-402.

[4]杨芙,吕文桂,张文明. 铝及铝合金先进焊接技术[J].铸造技术，2012,33(7):841 -843.

[5]L.E蒙多尔福. 铝合金的组织和性能[M].北京:冶金工业出版社,1988, 516-529.

[6]REN Y P, QIN G W, PEI W L, GUO Y, ZHAO H D, LI H X, JIANG M, HAO S M. The α-Mg salvos and isothermal section of Mg-rich corner in the Mg-Zn-Al ternary system at 320℃[J]. J Alloys Comp, 2009, 481(1/2): 176-181.

[7]Li, V. Hansen J, Gjonnes, etal. Hrem study and structure modeling of theη＇Phase, the hardening Precipitate in commercial AI-Zn-Mg alloys[J]. Aeta.Mater,1999,47:2651-2659.

责任编辑：刘海涛

收稿日期：2014-07-18

基金项目：某军品研发横向课题(139系)

作者简介：张帅谋,王小平，李国强，安徽机电职业技术学院机械工程系(安徽 芜湖 124000)。

中图分类号:TG115.51

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2015)02-0053-04