热处理对ZL205A铝合金焊接接头组织与性能的影响

刘浩，温泉*，姜波舟，邹文，闫华伟，黄晶洪

热处理对ZL205A铝合金焊接接头组织与性能的影响

刘浩1，温泉1*，姜波舟2，邹文1，闫华伟1，黄晶洪1

（1.国营四达机械制造公司，陕西 咸阳 712203；2.空装驻某地区军事代表室，陕西 咸阳 712203）

改善25 mm厚ZL205A铝合金TIG堆焊接头的组织性能，提高接头的力学性能并明确接头的强化机制。通过光学显微镜、扫描电镜、万能拉伸试验机及硬度计等手段，系统研究了T5热处理前后焊接接头显微组织的演变规律及力学性能特征。在未经过T5热处理的焊接接头熔核区晶界处，存在大量呈网状分布的白色物质，经过T5热处理后晶界处的白色物质基本消失。热处理后熔核区晶粒间区分明显，晶界清晰可见，晶粒尺寸为25 μm左右。晶界处的白色物质主要是Cu原子偏聚后生成的Al2Cu化合物；热处理后，晶界处的Cu原子经过扩散溶解进入铝基体中，达到固溶强化和第二相强化的效果，使接头拉伸强度从196.8 MPa升高为431 MPa，接头显微硬度从80HV升高为150HV。热处理前后，接头断口处Al2Cu化合物含量变化显著，在未经过热处理的焊接接头断口处，Al2Cu化合物分布较多；而在经过热处理的接头断口处，Al2Cu化合物仅零星出现。最终，接头的断裂类型呈现脆性和韧性混合的断裂方式。经过T5热处理后，ZL205A铝合金TIG堆焊接头组织特征得到改善，力学性能得到明显提升，拉伸性能提升了约119%，硬度提升了约87.5%。

ZL205A铝合金；显微组织；T5热处理；Cu原子；固溶强化

ZL205A为铝-铜系高强铸造铝合金，经热处理后，其力学性能可达到锻造铝合金水平[1-3]，因此，被广泛应用于装备的重要承力件中[4-5]。这些承力件在配合过程中不可避免地要进行焊接连接，而焊接过程中较大的热输入必然会对ZL205A铝合金构件的整体力学性能及微观组织产生较大的影响。因此，研究如何提升ZL205A铝合金焊后接头性能具有较高的应用价值。

目前，相关研究表明，热处理工艺可有效提升ZL205A铝合金性能。马铁军等[6]研究了不同时效时间对T5状态下ZL205A铝合金微观组织和力学性能的影响，结果表明，与铸态相比，固溶态和时效态抗拉强度得到了较大提升，且在时效8 h时，试样的硬度最大。邓进俊[7]对铸态ZL205A铝合金进行了固溶和人工时效热处理，发现在515 ℃下固溶5 h后，合金发生明显的固溶效应，θ相大量溶入铝基体中，合金的布氏硬度由70HB提升到103HB。陈云华等[8]探究了T6热处理对SLM（Selective Laser Melting）成形的ZL205A铝合金的影响，研究表明，SLM成形的ZL205A铝合金经538 ℃×14 h+150 ℃×6 h固溶时效后的抗拉强度、屈服强度和伸长率明显高于沉积态的。以上研究主要集中在对热处理前后ZL205A铝合金或3D打印整体构件性能的对比分析上，而有关该合金焊接后热处理对性能影响的研究较少。另外，有关厚度超过20 mm的大厚板堆焊后接头热处理前后内部微观组织演变规律的研究鲜有报道。

本文以厚度25 mm板材为研究对象，探究TIG（Tungsten Inert Gas）多层多道堆焊接头在T5热处理状态下微观组织及力学性能的演变规律，建立ZL205A铝合金大厚板焊接接头热处理后微观组织和力学性能的内在关系。

1 试验

母材为ZL205A-T5铝合金，其化学成分如表1所示，焊丝为直径3 mm的ZL205A，其化学成分如表2所示。将母材加工成80 mm×300 mm×25 mm的板材，并在板材中心加工一个待堆焊的V形凹槽，如图1所示。试验采用多层多道的TIG堆焊方式，对板材的V形凹槽进行金属填充，堆焊示意图如图2所示。

焊前的预热处理设备选用HT07350型高温试验箱，温度设定为250 ℃，保温时间为60 min。焊接时选用的设备为MW5000型交直流氩弧焊机，保护气体选择氩气，气体流量为15 L/min，钨针直径选择4 mm。焊接时电流类型为交流电流，且仅改变焊接电流，焊接时共计5层堆焊层，第1层到第5层的焊接电流分别为210、210、200、180、170 A。焊后将试样放入热处理炉（型号为RJ6-50/40-Ⅱ）中进行热处理。热处理过程分为三步：首先，加热温度到538 ℃，保温时间为14 h；其次，随炉冷却至155 ℃，再保温9 h；最后，取出试样空冷至室温。参考GB/T 2651，利用线切割技术在焊板上截取拉伸样和金相样，并进行打磨、抛光、腐蚀（腐蚀液为HF+HCl+HNO3+H2O，体积分数分别为1%、1.5%、2.5%、95%）。采用MR-500型倒置金相显微镜观察微观组织。使用扫描电镜SEM（Scanning Electron Microscope）及能谱分析仪EDS（Energy Dispersive Spectrometer）对试样进行显微组织及元素分析。利用WDW-100型万能材料试验机进行室温拉伸性能测试，加载速率为1 mm/min。利用维氏硬度计（INNOVATEST-FALCON511）对焊接接头进行硬度测试，在每个区域逐点（间隔0.5 mm）测量维氏硬度，测量载荷为100 g，保荷时间为30 s。

表1 ZL205A-T5铝合金化学成分

Tab.1 Chemical composition of ZL205A-T5 aluminum alloy wt.%

表2 ZL205A-T5焊丝化学成分

Tab.2 Chemical composition of ZL205A-T5 solder wire wt.%

图1 V形凹槽加工示意图

图2 焊接示意图

2 结果与分析

2.1 接头宏观形貌

堆焊后接头表面、端面及内部横截面形貌如图3所示。从图3a可看出，堆焊后接头表面成形较好，鱼鳞纹规律排布，无明显的气孔、夹杂等缺陷。在接头端面可清晰观察到堆焊层共计5层，如图3b所示。图3c为图3a中A区截面放大图，可以看出，熔核区呈现不规则的U形分布，内部宏观组织形貌与母材区组织形貌有明显区别，局部有细小气孔出现。分析认为，在堆焊过程中，在电弧高温作用下，母材的V形凹槽边缘区域发生了局部熔化并与熔化的焊丝相混合，导致该区域呈不规则的U形分布；另外，熔化后的金属发生了由液态到固态的状态转变。

图3 堆焊接头形貌

2.2 接头微观组织

热处理前后熔核区和熔核边界区的微观组织如图4所示。可以看到，熔核区晶粒尺寸小于熔合区及热影响区晶粒尺寸，且熔核区晶粒分布较均匀，但晶界处白色物质较多、晶粒间晶界不明显，如图4a所示。在凝固过程中，接头熔核区发生了不平衡结晶，造成熔核区组织的化学成分偏析，最终导致晶界间存在大量白色析出物。由图4b可以看到，熔核区、熔合区及热影响区的晶粒形态发生了明显变化。熔合区是填充熔化金属与母材的交界区，母材部分金属发生了局部熔化并且在凝固过程中温度梯度发生了变化，导致该区域组织有明显的不均匀性。由图4c可知，熔核区晶粒为均匀细小的等轴晶，晶界白色物质明显减少，晶界清晰可见。由图4d可知，经过热处理后，在熔核边界熔合区可明显观察到晶粒大小变化的分界区域。分析认为，经过14 h的固溶处理后，接头晶界处的析出物较好地扩散溶解到了晶粒内部。

图4 接头特征区显微组织

对图4的D区进行局部放大，如图5a～c所示。从图5c可以看出，在未进行热处理的熔核区的晶界处，存在较多的白色物质，且该白色物质相互连接呈网状分布。分析认为，由于Cu原子在α(Al)中的溶解度有限，且随着温度的降低，溶解度会减小。在焊接过程中，温度冷却较快，在α(Al)相周围析出了较多的Cu原子，甚至完全包裹了α(Al)相，最终形成了网状的白色物质区域。图4中的E区放大图如图5d～f所示，由图5f可知，经过热处理后，晶界处的白色物质基本消失，只在局部位置零星出现，晶粒形状多样、分界明显，平均尺寸为25 μm左右。这是因为当温度达到538 ℃时，Cu原子在α(Al)中的溶解度相对较大，再经过14 h的保温处理，使晶界间的偏析物逐渐扩散溶解到基体中，最终晶界间的白色物质消失，熔核的应力集中区得以消除，进而提升了接头的综合力学性能。

图5 熔核区SEM显微组织

为了进一步确认图5c中晶界间白色物质的具体化学成分，对F区进行EDS能谱分析，结果如图6所示。其中P1为灰色区域即Al基体区域，因此该区域主要为Al元素，质量分数为95.54%，Mg元素和Cu元素相对较少，质量分数分别为0.46%和4.00%。该测试结果与表1中ZL205A母材的化学成分一致。P2和P3为晶界处白色物质所在区域，对应能谱结果显示，Al元素的质量分数由95.54%分别降至61.47%和69.33%，而Cu元素明显增加，其质量分数从4.00%分别升至38.53%和30.67%。由此可见，未经过T5热处理的熔核区晶界处的白色物质为Cu原子聚集后形成的化合物。根据文献[9-12]，分析认为该白色物质主要为Al2Cu化合物。

T5热处理前后熔核区局部组织演变示意图如图7所示。焊接过程中熔核区组织演变情况如图7a所示，ZL205A铝合金在凝固过程中先析出α(Al)，随后发生L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反应[13]；随温度的降低，液-固转变驱动力增大，合金液内部α(Al)先开始大量形核然后逐渐长大，最终出现具有三角晶界特征的块状α(Al)晶粒；θ相在晶界平衡偏析机制下主要分布在α(Al)三角晶界处[14-15]，如图7a所示。这是因为晶内Cu原子能量高于晶界处的，且Cu自身可降低表面能，使Cu原子在ZL205A铝合金结晶过程中自发向晶界偏聚，最终在晶界处形成θ相。

图6 F区SEM及EDS分析结果

图7 熔核区组织演变示意图

经过T5热处理（固溶+时效）后局部组织变化结果如图7b所示。大量Cu原子从晶界向晶内转移，发生了固溶现象，晶界处的θ相消失。分析认为，当加热到538 ℃并进行14 h的保温处理后，合金具有最大的固溶度且扩散速度较快。晶界处的Cu原子向基体内扩散溶解，形成了过饱和固溶体[16-17]，最终晶界清晰可见。

3 接头力学性能分析

3.1 接头硬度

接头熔核区显微硬度分布结果如图8所示。可以看出，未经过热处理的接头熔核区硬度偏低，约为84.4HV，而经过T5热处理的接头熔核区硬度大幅提升，平均硬度值超过母材硬度（144.1HV），约为152.7HV。结合图5c、图5f可知，热处理前后晶粒尺寸的变化较小，不足以对硬度产生很大影响。结合熔核区组织特征分析认为，影响接头熔核区硬度变化的主要原因为晶界间的Cu原子变化。经过热处理后，熔核区晶界间的Cu原子向基体内扩散溶解，形成了铝基固溶体，造成晶格畸变，阻碍了位错运动，进而达到固溶强化的效果[18-19]，因此，熔核区硬度超过母材硬度，达到152.7HV。

图8 硬度对比结果

3.2 接头拉伸强度

3种不同试样类型接头的拉伸性能结果如图9所示。可以看出，母材的拉伸强度最高约为458.5 MPa；T5热处理后接头的拉伸强度约为431 MPa，达到母材强度的94%；未热处理接头的拉伸强度最低约为196.8 MPa，仅占母材的49%。经过热处理的焊后接头拉伸强度得到了明显提升，分析认为，经过热处理后，接头的Cu原子逐渐从晶界处溶入固溶体中，而Cu原子的原子半径为0.128 mm，Al原子的原子半径为0.143 mm，相差较大。随着Cu原子的不断增加，造成晶格畸变，畸变产生的应力场导致位错运动的阻力增大，位错滑移难以进行，从而使接头的拉伸强度大大提升[20-21]。

图9 拉伸性能对比

3.3 接头断口

利用扫描电镜的T1模式观察到的未热处理接头断口形貌如图10所示。从图10a可看出，断口局部存在气孔类的孔洞及二次裂纹形貌。由图10b可观察到大量的白色物质杂乱分布在断口内，在孔洞内部晶界间也可观察到呈网状分布的白色物质。断口内白色物质的分布形貌如图10c所示，可以看出，其分布呈错乱层片状分布，表现为明显的脆性断裂特征。该结果与图5c中晶界上大量白色物质的特征相对应，分析认为，晶界处白色物质的大量聚集导致接头的强度降低，在拉伸力的作用下，晶界处成为应力集中点，因此，断裂后在断口处观察到大量白色物质。

图10 未热处理接头断口形貌

为进一步确认断口处白色物质的化学成分，进行EDS面扫描分析，结果如图11所示。由扫描结果可知，白色物质主要是Cu元素占比较多，因此，证明断口处的白色物质与晶界处的物质都为Cu原子聚集后的产物。

经过T5热处理后接头的断口形貌如图12所示。由图12a可知，经过热处理后断口没有出现较多的白色物质，且在断口上可观察到明显沿晶断裂后形成的平面及穿晶断裂后形成的韧窝区，如图12b所示。在韧窝周围可观察到弥散分布的白色小颗粒，如图12c所示，根据文献[22-23]推断该物质为第二相粒子，可对接头起到强化作用，因此，经过热处理后的接头拉伸性能更好。综上，经过热处理后接头断口形貌表现为脆性与韧性相结合的断裂方式。

对经过热处理后断口处的白色颗粒进行EDS分析，结果如图13所示，其中M1和M3均为白色颗粒处，M2为Al基体处。M1和M3处Cu元素的质量分数分别为23.87%和38.98%，远大于M2处Cu元素的3.40%。因此，证明经过热处理后分布在晶内的白色颗粒也主要是Cu原子固溶到铝基体内与Al原子形成的第二相粒子，该粒子以细小弥散的微粒分布在基体中，对机体产生了一定的强化作用[24-25]。

图11 未热处理接头断口EDS分析

图12 热处理后接头断口形貌

4 结论

1）在焊接接头熔核区晶界处存在呈网状分布的大量白色物质。经过T5热处理后，熔核区晶界清晰明显，晶界处的白色物质基本消失，晶粒尺寸约为25 μm。

2）晶界处的白色物质是Cu原子向晶界偏移聚集而形成的Al2Cu化合物，在热处理过程中，Cu原子从晶界处向晶粒内进行扩散溶解，达到了固溶强化及第二相强化的效果。

3）堆焊接头焊后拉伸强度为196.8 MPa，为母材强度的49%。经过T5热处理后拉伸强度为431 MPa，达到母材强度的94%；硬度值从84.4HV左右提升到152.7HV左右，提升了87.5%。热处理后接头呈现脆性和韧性相结合的混合断裂方式。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of ZL205A Aluminum Alloy Welded Joints

LIU Hao1, WEN Quan1*, JIANG Bo-zhou2, ZOU Wen1, YAN Hua-wei1, HUANG Jing-hong1

(1. State-owned Sida Machinery Manufacturing Company, Shaanxi Xianyang 712203, China; 2. Empty Military Representative Office Stationed in a Certain Area, Shaanxi Xianyang 712203, China)

The work aims to improve the microstructure and properties of the 25 mm thick ZL205A aluminum alloy TIG surfacing joint, improve the mechanical properties of the joint, and clarify the joint strengthening mechanism. The microstructure evolution and mechanical properties of the welded joint before and after T5 heat treatment were systematically studied with an optical microscopy, a scanning electron microscopy, an universal tensile testing machine, and a hardness tester. The results indicated that there were a large number of white substances distributed in the grain boundaries of the nugget zone of the welded joint that had not undergone T5 heat treatment. After T5 heat treatment, the white substances at the grain boundaries basically disappeared. After heat treatment, there was a clear distinction between the grains in the nugget zone, and the grain boundaries were clearly visible. The grain size was about 25 μm. The white substance at the grain boundary was an Al2Cu compound formed by Cu atom segregation. After heat treatment, Cu atoms at grain boundaries diffused and dissolved into the aluminum matrix. Due to the effect of solid solution strengthening and second phase strengthening, the tensile strength of the joint increased from 196.8 MPa to 431 MPa, the microhardness of the joint increased from 80HV to 150HV. Before and after heat treatment, there was a significant change in Al2Cu compounds at the joint fracture. There was a high distribution of Al2Cu compounds at the fracture surface of welded joints without heat treatment. Al2Cu compound only appeared sporadically at the fracture surface of the joint after heat treatment. Ultimately, the joint after heat treatment exhibited a mixed fracture mode of brittleness and toughness. After T5 heat treatment, for ZL205A aluminum alloy TIG surfacing joint, its structure characteristics are improved, and its mechanical properties were significantly improved. Its tensile property was increased by about 119%, and its hardness is increased by about 87.5%.

ZL205A aluminum alloys; microscopic structure; T5 heat treatment; Cu atom; solution strengthening

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.010.017

TG146.2+1

A

1674-6457(2023)010-0143-09

2022-11-25

2022-11-25

刘浩, 温泉, 姜波舟, 等. 热处理对ZL205A铝合金焊接接头组织与性能的影响[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 143-151.

LIU Hao, WEN Quan, JIANG Bo-zhou, et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties ofZL205A Aluminum Alloy Welded Joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 143-151.

责任编辑：蒋红晨