深冷处理对TIG焊接件组织及力学性能的影响

王丽萍，王 操，苗承义，徐靖淳，屈 林

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝合金材料由于其比强度高、耐腐蚀性能好、塑性较高等一系列优点，且满足轻量化使用要求，被广泛用于高铁、船舶、巨型游轮、航天飞机、宇宙飞船等交通运输设备中[1]。铝合金材料需要通过热处理获得高强度与高韧性，而在热处理强化过程中形成较大的残余应力，目前降低与消除残余应力的方法主要有时效处理、振动时效、深冷处理、机械拉伸(压缩)法等，深冷处理能够有效减少铝合金构件内部的残余应力，提高尺寸稳定性[2]。

深冷处理又称超低温处理，是指以液氮为冷却介质，对材料在-130℃以下金相处理的一种工艺方法[3]。本试验通过对不同热处理状态下的TIG焊接材料进行深冷处理实验，分析深冷处理对TIG焊接件组织及力学性能的影响。

1 实验方案

本试验用材料为TIG焊接板材，母材为6005A挤压型材，焊丝为5356铝合金焊丝，长度为600mm、宽度为200mm、厚度为2.5mm;采用单道焊接方式，焊接电流为105A，焊接速度为6mm/s，宏观形貌如图1所示，力学拉伸试样尺寸如图2所示。拉伸试样经表1中所示热、冷处理工艺，每个处理工艺取3个平行试样，结果取3个拉伸数据的平均值。室温力学拉伸速率均设定为12mm/min。

表1 热、冷处理工艺

使用扫描电子显微镜观察分析拉伸断口形貌，并对断口附近组织进行金相观察与分析。为在样品制备过程中不破坏断口组织，试验样品金相制备前对其进行镶嵌。

2 实验结果

2.1 常温拉伸性能

表2为不同制度下TIG焊接板材力学性能数据。可以看出，与固溶处理后的焊接板材相比，焊接板材经过深冷处理后其屈服强度降低，抗拉强度有所提高，断后伸长率明显降低；与固溶后直接时效处理的焊接板材相比，深冷处理后进行时效处理试验材料的屈服强度及抗拉强度明显提高，而断后伸长率大幅下降；固溶、固溶+深冷处理后的断口断裂位置为母材处；固溶+时效、固溶+深冷+时效处理后的断口断裂位置为熔合线处；固溶+深冷+时效处理后的焊接板材，其强度强于母材的强度。

表2 不同制度下TIG焊接板材力学性能

2.2 断口形貌

图3为TIG焊接板材在不同制度处理后室温拉伸断口形貌。

由图3可知,TIG焊接板材经固溶后的拉伸断口出现缩颈，断裂部位母材处、断口中心及边缘均出现大量撕裂棱，高倍数下观察整体断口处分布大量韧窝且韧窝较深，韧窝尺寸大小不一。固溶后进行深冷的断口试样，断裂位置处于母材处，其撕裂状断口与固溶断口相比较宽，边部平滑断口较多，高倍数下观察其中心撕裂出韧窝较大，韧窝尺寸相近，韧窝附近存在大量准解理特征。固溶后未经深冷处理直接时效的拉伸断口，其断口截面均由韧窝及撕裂棱组成，断裂位置在熔合线处断裂，高倍数下观察其韧窝较多且尺寸较大。固溶+深冷+时效后的拉伸断口，其断裂位置位于熔合线处，断裂痕迹清晰明显，断口由韧窝及撕裂棱组成，高倍数下观察断口，其韧窝尺寸较小，韧窝连接处存在层叠状准解理面。

2.3 金相组织观察

图4为TIG焊接板材在不同制度处理后拉伸断口侧面金相组织形貌。图中，(a)(b)(c)为焊接板经固溶处理后截面显微组织，(b)(c)分别为(a)中熔合线处组织及断裂处晶粒形貌，可知焊接板材经固溶后的拉伸断口试样边缘较为圆滑，断口断裂位置为母材处，熔合线附近晶粒明显拉长，由阳极覆膜图可知其晶粒被明显拉长后穿晶断裂；(d)(e)(f)为焊接板经固溶+深冷处理后截面显微组织，(e)(f)分别为(d)中熔合线处组织及断裂处晶粒形貌，可知固溶后进行深冷的拉伸试样，其断口边缘较为平整，较少出现曲线断口，断口位置为母材处，熔合线位置晶粒向母材处延伸，由阳极覆膜图片可知其晶粒被拉长至断裂；(g)(h)(i)为焊接板经固溶+时效处理后截面显微组织，(h)(i)分别为(g)断裂位置的显微组织及晶粒形貌，可知固溶后进行时效的拉伸断口试样其断口较为圆滑，断口为母材与焊丝交接处，熔合线处组织较细小，由阳极覆膜图可知其晶粒变形程度明显降低，沿晶界处发生断裂；(j)(k)(l)为焊接板经固溶+深冷+时效处理后截面显微组织，(k)(l)分别为(j)中熔合线处组织及断裂处晶粒形貌，深冷后进行时效的拉伸断口试样其断裂位置位于熔合线偏向于焊丝处，断口较为圆滑，熔合线处出现4种递进组织，由阳极覆膜图片可知，其晶粒沿晶界线断裂。

3 分析与讨论

TIG焊是以纯钨或活化钨为电极，利用电弧产生大量热熔化待焊处，焊接过程中母材金属与熔敷金属为熔融态，焊接及冷却过程中电极喷嘴喷出惰性气体进行保护，因此焊缝区域组织较粗大，母材与焊接接头区域存在较大的过渡区域。焊接板材熔敷金属为5356铝合金，母材为6005A铝合金。焊接板材在固溶过程中，其固溶温度接近母材固相线温度，由于5356铝合金受热处理影响较低，因此焊缝区域组织形貌变化不明显。母材区组织第二相溶解度较大，大部分第二相溶于基体中，使得材料屈服强度与抗拉强度降低，塑性大幅度提高，在进行室温拉伸时母材处的晶粒被拉长至断裂，宏观表现为出现明显缩颈，断口部位较圆滑。焊接板材经固溶后进行深冷处理，由于深冷处理是在-196℃条件下进行，相当于在材料时效之前进行了一次预时效处理，大大消除了焊接及固溶过程中的残余应力。同时，深冷处理使晶粒产生转动效应[5]，阻碍位错滑移起到位错钉扎作用，使得母材及焊接接头区域的屈服强度及抗拉强度有所提升，但总体上母材强度低于焊接接头区域强度，因此材料断裂位置处于母材区域。通过固溶+时效与固溶+深冷+时效对比试验可以发现，经过深冷处理的试样由于提前析出部分析出相Mg2Si，在时效过程中，其析出第二相更为彻底，且时效前经过深冷处理的组织时效时由于晶粒转动在熔合线区域出现过渡型组织，提高了母材强度的同时，也提高了焊接接头处的屈服强度与抗拉强度。

4 结论

(1)TIG板材经深冷处理后屈服强度与抗拉强度有所提升，深冷后时效试样屈服强度与抗拉强度分别提升6%和8%；

(2)TIG板材焊接接头经固溶+深冷+时效后屈服及抗拉强度与母材相近，而塑性有所下降；

(3)深冷处理使晶粒产生转动效应，位错滑移受阻，时效后在焊接接头区域产生过渡型等轴晶组织，使材料的抗拉强度及屈服强度进一步提高。