焊接过程中Al-Mg-Zn铝合金的微观组织变化

张志毅，汪 认，刘 建，张晓鸿，章淑芳，陈 辉

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学，四川成都610031）

焊接过程中Al-Mg-Zn铝合金的微观组织变化

张志毅1，汪 认1，刘 建1，张晓鸿2，章淑芳2，陈 辉2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学，四川成都610031）

7系Al-Mg-Zn铝合金是广泛应用于高速列车车体的结构材料，本研究的材料为轧制后经过固溶处理并经自然时效的热处理强化板材。列车的焊接制造过程中，由于焊接热源作用改变型材的热处理状态，导致接头区域的力学性能弱化。通过采集焊接试验过程中的热循环曲线，研究7系铝合金焊接接头热影响区的温度变化过程，并根据热循环特征对T4热处理状态的铝合金板材进行热模拟试验，划分热影响区的固溶区和过时效区，并分析热影响区的组织演变和硬度分布规律。结果表明，采用脉冲MIG和激光-MIG复合焊两种焊接方法，在接头的固溶区域均出现软化，但经过100天的自然时效，强度可恢复到母材水平。

7系铝合金；热处理强化板材；热循环；固溶区

0 前言

高速列车由于运行速度高，运输能力大，能源消耗少，环境污染轻，乘坐快捷、舒适、安全等特点，成为目前世界客运发展的共同趋势。铝合金材料密度小、比强度高、成型性好，可加工成各种型材，加之优良的导电、导热性和耐蚀性，已被广泛应用于高速列车车体。7系铝合金是高速列车的主要结构材料之一[1-2]。η’相是7系合金的重要强化相[3-5]，与基体保持半共格关系[6]。在更高或更长的保温时间下，过饱和固溶体会析出平衡相η，与基体为共格关系，当η相大量出现时，合金发生明显软化。

热处理可强化铝合金的焊接接头普遍存在的软化现象。20世纪80年代，Martukanitz等人研究了7020和7022铝合金弧焊接头性能，发现热影响区的软化最严重，并将热影响区分为固溶区和过时效区[7]。Ma T、Hu B等人进一步研究7XXX系铝合金焊接接头软化现象，发现焊接热输入对接头软化有重要影响，即热输入越大，接头软化也越严重[8-10]。热处理可强化铝合金焊接接头热影响区普遍存在的软化现象与第二相受热发生的变化有关。

本研究将通过Gleeble热模拟技术对T4热处理状态的7系铝合金材料进行焊接热模拟，研究该材料热影响区的微观组织演变。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验材料为高速列车结构材料7系铝合金（厚度15 mm），热处理状态为T4状态，即固溶处理+淬火+自然时效状态。采用电火花直读光谱仪测试材料成分（测试5个点求平均值），测试结果如表1所示。

表1 7系铝合金的化学成分 %

1.2 试验方法

首先采用热电偶采集铝合金对接接头热影响区的温度变化，记录不同位置的焊接热循环曲线特征。然后采用Gleeble-3500热模拟机结合实际测试的热循环特征参数，设置不同的加热和冷却方式，模拟7系铝合金焊接接头的热模拟固溶区和过时效区。

焊接温度采集试验用于测试距焊缝中心不同距离处的焊接热循环，具体试验过程如下：

（1）先制备尺寸150 mm×150 mm×15 mm铝合金试板，然后在试板上画线布点。

（2）布点完成后，从背面打孔，将两根热电偶一起点焊到试板上的小孔中，布孔距离焊接中心线距离为0～30 mm。

（3）将准备好的试板夹持到工作平台，然后通过导线将温度采集仪上的采集通道接到热电偶上。

（4）分别采用MIG焊、激光-MIG复合焊在试板上进行堆焊，焊接参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数

采用Gleeble-3500试验机设置热循环参数，对T4热处理状态的母材进行热影响区焊接热模拟。热模拟中主要采用升温速率vh、加热最高温度Tm、高温停留时间th、冷却速度vc和冷却时间tc模拟焊接试验采集的温度曲线，如图1所示。

试验结束后，采用显微镜、扫描电镜观察和分析焊接热模拟后的铝合金组织。

图1 焊接热循环模拟加载示意

2 7系铝合金（T4）的微观组织形貌

平行于挤压/轧制方向的微观组织形貌如图2所示（图片水平方向为挤压/轧制方向）。铝合金晶粒经轧制成型后，呈明显的带状形貌，晶粒粗大，且在晶界及晶内同样分布着较大的第二相颗粒。

为了进一步分析合金表面的第二相，利用扫描电子显微镜的原子背散射技术，观察结果如图3所示。7000系铝合金中除了铝基体相外都是第二相，α-Al是铝合金的基体相，是纯Al晶体中溶解Mg、Zn、Cu、Zr等原子，保持与纯Al相同结构的固溶体。尺寸在数十纳米的第二相是η相（MgZn2），是7系铝合金材料中的主要固溶强化相。

经EDS分析，这些第二相粒子中含有大量的杂质元素Fe和少量的Si，如图4所示，是合金中的有害杂质，主要来自原材料以及熔炼、铸造中使用的工具和设备。这些难溶的第二相在变形时会破碎并拉长，出现带状组织，对高强铝合金的力学性能和耐腐蚀性能有不利影响。

图2 7系铝合金（T4）微观组织形貌

图3 析出相分布形貌

图4 EDS分析图

3 7系铝合金（T4）的平衡态组织

采用JmatPro-6.0软件（材料数据库分析软件）计算该7系铝合金的室温平衡组织（即铸态组织）。该铝合金的室温平衡组织主要包括以下5种，如图5所示。

（1）MgZn2：析出温度319.8℃，室温平衡质量百分比3.83%，重要热处理强化相。

（2）Al-Cr-Mg-Mn（Al固溶相）：析出温度为445.74℃，室温平衡质量百分比1.45%。

（3）Al-Cu-Mg-Zn（Al固溶相）：析出温度为148.54℃，室温平衡质量百分比1.2%。

（4）Al6Mn：析出温度617.19℃，室温平衡质量百分比1.45%。

图5 7系铝合金平衡态下的室温组织

（5）Mg2Si：析出温度393.53℃，室温平衡质量百分比0.081 9%。

试验材料在铸造、轧制、挤压等成型工艺过程中带入了大量的过剩Fe元素，使得Fe元素富集的杂质相析出，并沿着挤压/轧制方向呈带状分布。

4 焊接热循环对7系铝合金（T4）组织的影响

4.1 7系铝合金（T4）的焊接热循环特征

测试距离焊缝熔合线0mm，3mm，10mm，15mm，20 mm，25 mm，30 mm处的焊接热循环曲线。随着距熔合线距离的增加，峰值温度从750℃到80℃逐渐降低，升温速度170～110℃/s。4种焊接热循环参数如表3所示。

4.2 7系铝合金（T4）的热影响区组织形貌

由于铝合金母材基体为固溶处理后进行自然时效的状态，当焊接热循环的峰值温度较高时，热影响区相当于进行了固溶处理。峰值温度420℃的焊接热循环后的微观组织形貌如图6a、6b所示，与母材的组织形貌类似。经过100天的自然时效，强度和硬度恢复到母材水平。

表3 热模拟试验参数

当焊接热循环的峰值温度较低时，相当于对原始母材进行了短时人工时效处理。峰值温度320℃的焊接热循环后的微观组织如图6c、6d所示，在铝合金基体上析出了弥散细小的强化相MgZn2（均匀分布在基体上的细小白点）。因此焊接接头的热影响区的强度和硬度与母材相当，没有明显的软化区。

图6 焊接热循环后的7系铝合金（T4）微观组织

5 结论

（1）焊接热循环测试结果表明，处于T4热处理状态的7系铝合金接头的焊缝位置强度最低。

（2）焊接热模拟结果表明，7系铝合金焊接接头的热影响区可分为固溶区和时效区。在距离焊缝约10 mm的区域经历了峰值温度较高的热循环，相当于进行了固溶处理；当该区域经历峰值温度较低的热循环时，使热影响区处于200℃～100℃的短时保温，相当于进行了人工时效处理。

（3）7系铝合金焊接接头的热影响区经历100天的自然时效，硬度基本可恢复到母材的初始硬度。

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Microstructure evolution of Al-Mg-Zn alloy during welding procedure

ZHANG Zhiyi1，WANG Ren1，LIU Jian1，ZHANG Xiaohong2，ZHANG Shufang2，CHEN Hui2
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

7XXX Al-Mg-Zn alloy was a widely used structure material in high-speed train body production manufacturing.In this paper,the aluminum alloy was heat treated by solution treatment along with natural aging process.During the welding process，the heattreated condition of aluminum alloy would be transformed by the welding heat source，resulting in the weakening of the mechanical properties of weldment.In this paper，the thermal cycling curve was collected during welding procedure test.Subsequently，the temperature evolution in HAZ was analyzed，and HAZ was subdivided into two sections of solid-solution area and aging area by peak temperature.Furthermore，the microstructure evolution and hardness distribution of two kinds of HAZ was concluded.After pulsed-MIG welding and laser-MIG hybrid welding procedure tests，hardness softening was recovered after 100 days natural aging process.

Al-Zn-Mg aluminum alloy；heat treatment reinforced plate；thermal cycling；solid solution region

TG457.14

B

1001－2303（2017）03－0088-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.17

献

张志毅，汪认，刘建，等.焊接过程中Al-Mg-Zn铝合金的微观组织变化[J].电焊机，2017，47（03）：88-92.

2016-03-21；

2016-12-13

张志毅（1980—），男，浙江金华人，硕士，高级工程师，主要从事焊接工艺及设备研发工作。