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稀有金属 2019,43(10),1023-1031 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18070029

SiC_p/Al-5Mg复合焊丝焊接7075铝合金TIG焊接工艺及接头组织性能分析

胡清华 张义福 熊斯 唐鑫

摘 要：

采用半固态搅拌超声辅助铸造法结合轧制工艺制备复合材料焊丝,使用该焊丝对7075-T651超硬铝合金进行半自动TIG(tungsten inert gas)焊。以抗拉强度为响应设计值通过正交试验分析法优化焊接电流(I)、频率(f)、坡口角度(α)和气流量(v)4个焊接工艺参数,并对不同工艺参数下的焊接接头进行拉伸性能、显微硬度、显微组织和焊缝成形分析。探究在不同工艺参数的作用下,复合材料对焊接接头性能的影响规律及作用机制。试验结果表明,焊后SiC颗粒(SiC_p)部分原位反应生成了稳定的Al₄SiC₄硬质颗粒;对于焊接接头抗拉强度最佳工艺参数为:焊接电流I=200 A、焊接频率f=中频(M)40 Hz、气流量v=12 L·min^-1和坡口角度α=60°;对于焊后SiC颗粒的存在及分散程度的最佳工艺参数为:焊接电流I=180 A、焊接频率f=低频(L)10 Hz、气流量v=12 L·min^-1和坡口角度α=60°。通过试验结果分析,合适的工艺参数可以保持颗粒的分散和抑制中间相的析出,从而提高焊接接头的综合性能。

关键词：

铝基复合材料;增强颗粒;焊接工艺;7075铝合金;Al₄SiC₄;

中图分类号： TG457.14

作者简介：胡清华(1993-),男,江西高安人,硕士研究生,研究方向:复合材料及加工;E-mail:102016141@glut.edu.cn;;*唐鑫,教授;电话:18977329060;E-mail:xtang@glut.edu.cn;

收稿日期：2018-07-24

基金：广西科技重大专项资助项目(桂科AA17129005)资助;

Welding Process and Joint Microstructures Performance Analysis of SiC_p/Al-5Mg Filling Layer Strengthened AA7075 by TIG Welding

Hu Qinghua Zhang Yifu Xiong Si Tang Xin

Guangxi Ministry-Province Jointly-Constructed Cultivation Base for State Key Laboratory of Processing for Non-ferrous Metal and Featured Materials

College of Material Science and Engineering,Guilin University of Technology

School of Mechatronics & Electrical Engineering,Nanchang University

Abstract：

Composite wire was prepared by semi-solid stirring ultrasonic assisted casting combined with rolling process. The welding wire was used for semi-automatic TIG(tungsten inert gas) welding of 7075-T651 superhard aluminum alloy. In response to the design value of tensile strength, the welding process parameters, such as welding current(I), welding frequency(f), groove angle(α) and gas flow rate(v), were optimized by orthogonal test method. The tensile properties, microhardness, microstructures and weld forming of welded joints with different process parameters were analyzed. The effect of composite wire on welded joints was investigated. The experimental results showed that the stable Al₄SiC₄ hard particles were formed by partial in-situ reaction of SiC particles(SiC_p) after welding. For tensile strength of welded joints, the optimum process parameters were welding current I=200 A, welding frequency f=middle frequency(M) 40 Hz, welding gas flow rate v=12 L·min^-1 and welding groove angle α=60 °. For the existence and dispersion of SiC particles after welding, the optimum process parameters were welding current I=180 A, welding frequency f=low frequency(L)10 Hz, welding gas flow rate v=12 L·min^-1 and groove angle α=60 °. In fact, the reasonable process parameters favored the dispersion of particles and restrained the precipitation of interphases, which could improve the combination properties of welded joints.

Keyword：

aluminum matrix composite; reinforced particle; welding parameters; 7075 aluminum alloy; Al₄SiC₄;

Received： 2018-07-24

铝及铝合金是一种轻质材料, 具有较好的耐磨性、 耐腐蚀性、 耐低温性及较好的机械强度, 被广泛的应用在航空航天、 海洋、 石油和交通运输等行业 ^[1,2] 。 进入21世纪以来, 金属基复合材料的发展十分的迅猛, 在各种军工领域和民用行业, 复合材料越来越表现出优异性能 ^[3,4,5,6] 。 随着技术的发展, 新型复合材料的制备越来越成熟, 其中颗粒增强铝基复合材料已运用在航空航天等高端领域 ^[7] 。 主要的增强颗粒添加物为碳化物、 氮化物和氧化物, 其中SiC_p/Al基复合材料研究最为成熟 ^[8] 。 SiC_p/Al基复合材料具有高的比强度、 耐磨性以及尺寸稳定性好 ^[9,10] 。 但颗粒增强铝基复合材料的切削加工性能比较差, 熔体流动性不足, 导致不能采用常规铸造等方式制造形状较为复杂和尺寸较大的结构材料 ^[11] , 因此工程应用上常需采用焊接等连接工艺来进行结构拼装, 但在焊接过程中很少有相对应的复合材料作为填充金属 ^[12] ; 同时在焊接过程中颗粒与铝熔体易发生界面反应 ^[13] , 生成中间脆硬相影响材料的焊接后性能。 本文通过采用焊接性能较差的7系铝合金作为母材, 利用制备获得的SiC_p/Al基复合焊丝材料对其进行平板对接焊, 通过采用不同的焊接工艺来制备焊缝试样, 利用拉伸试验、 维氏硬度、 光学显微镜(OM)及场发射扫描电镜(SEM)等表征方式探究复合填充材料的焊后性能及其增强颗粒的界面反应。

1 实 验

1.1 材料及设备

焊接填充金属为3%(质量分数)亚微米SiC_p/Al-5Mg铝基复合材料, 该复合材料焊丝采用半固态搅拌超声辅助铸造法制备得到Φ10.00 mm×160.00 mm的铸棒, 通过采用多道次轧制的方法对制备得到的铸棒进行反复热轧制从而得到Φ3.00 mm的焊丝材料。 焊接试验母材为7075-T651铝合金(由西南铝业提供)板材其材料的抗拉强度为560 MPa, 试板的尺寸为150.00 mm×75.00 mm×4.00 mm。 焊接采用平板对接焊, 焊接速度为(2.5±0.5) mm·s^-1(不同坡口角度略有差别), 焊接工艺的坡口类型为单边V型, 坡口角度为120°, 90°和60°, 钝边尺寸为1 mm, 其焊接装配如图1所示。 焊接设备采用唐山Panasonic YC-500WX-N型TIG(tungsten inert gas)焊机以及Panasonic YA-1 UAR61型工业机器人手臂。 试验过程中所使用的填充材料和母材的化学成分(%, 质量分数)如表1所示, 其填充材料的光学显微组织(OM)和场发射扫描电镜组织(SEM)如图2所示。 在图2(a, b)中可以看出SiC颗粒沿晶界较为均匀分布, 同时也存在部分的颗粒团聚, 这与Sijo和胡坤等 ^[14,15] 的结果相一致。 颗粒尺寸越小其表面能越高, 在高温加入时更加促进了颗粒表面的不稳定性。 因此采用半固态搅拌使得颗粒能与基体铝合金结合的更加紧密, 然后在700 ℃的条件下超声的空化和声流作用使得颗粒进行均匀分散。 在经过多道次的反复轧制加工后, SiC_p的分布明显的沿轧制方向呈条带状分布, 部分团聚的SiC颗粒也被强制分散(图2(c)), 这有利于进行相应的焊接试验。

该试验采用正交试验L 34 34 模型进行焊接工艺参数的优化, 具体参数及试验组别如表2所示, 其中焊接频率参数中L和M分别表示低频和中频。

图1 焊接工艺的坡口形貌

Fig.1 Groove of welding process (mm)

(a) 120°; (b) 90°; (c) 60°

表1 填充金属和母材的化学成分

Table 1 Chemical compositions of base metal and filler metal (%, mass fraction)

	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	SiC	Al
Filler metal	≤0.0081	≤0.0221	≤0.0002	-	5.0	-	≤0.0156	-	3	Bal.
AA7075-T651	<0.4	<0.5	1.2～2.0	<0.3	2.1～2.9	0.18～0.28	5.1～6.1	<0.2	-	Bal.

图2 填充材料的显微组织

Fig.2 Microstructures of filling materials

(a)Cast structure of 3%Si C_p/Al-5Mg;(b)As-cast SEM amplified microstructure;(c)Rolling structure 3%Si C_p/Al-5Mg

表2 焊接工艺参数

Table 2 Parameters of orthogonal welding

Test	Iwelding current/ A	fwelding frequency/ Hz	vgas flow rate/ (L·min-1)	αgroove angle/ (°)
1	160	L10	10	60
2	160	M20	12	90
3	160	M40	14	120
4	180	L10	12	120
5	180	M20	14	60
6	180	M40	10	90
7	200	L10	14	90
8	200	M20	10	120
9	200	M40	12	60

1.2 实验方法

通过采用交流TIG焊机进行焊接试验, 其不同坡口角度的焊缝成形如图3所示。 由焊缝宏观形貌可知, 当坡口角度为120°时, 焊缝的成形较差且存在未融合, 而当角度为60°时, 焊缝成形较好呈鱼鳞纹状。 拉伸试验按照国家标准GB/T 228.1-2010进行, 测试试验采用日本岛津公司生产的AG-I 50KN万能拉伸试验机进行拉伸试验, 且同一焊接参数下选取3个拉伸试件测试并求平均值; 焊缝硬度试验采用美国Leco公司生产的AMH-43全自动硬度仪进行测试, 加载载荷1.96 N, 加载时间15 s; 采用LEICA DMi8A光学金相显微镜(OM)进行焊缝显微组织的观察和分析; 采用日本的JSM4800场发射扫描电镜(SEM)及相配套的能谱仪(EDS)进行元素及形貌的观察分析。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数对焊缝力学性能的影响

根据正交试验设计得到的不同因素及水平搭配下对应的焊接接头抗拉强度的结果于表3。 其中, K_n (n=1～3)分别为每个因素的第n水平所在的试验中对应焊缝抗拉强度(UTS)的均值, R为极差。 图4为焊接接头抗拉强度及断后伸长率随焊接工艺参数变化的因素指标分析曲线。 根据图4(a)可以看出, 焊接接头的抗拉强度随着焊接电流的增大而增大, 且强度变化从180 A增大到200 A时比160 A增大到180 A的幅度更大。 这是由于SiC_p/Al铝基复合材料的流动性比较差, 当电流较小时, 熔池的整体流动性不足导致焊缝产生较多的缺陷以及颗粒在焊缝中的分布不均匀, 因此在焊接电流为200 A时接头强度取得最大值。 在图4(c)中, 焊缝的抗拉强度随着焊接坡口角度的增大而减小, 这是因为坡口角度增大, 需要填充的焊缝金属增多, 由于填充材料的流动性不足和铝合金较快的冷却速度导致颗粒分布不均匀和焊接气孔的增多从而使得焊缝强度降低。 在焊接坡口角度为60°时, 焊接接头强度取得最大值。 而焊接频率和气流量两个焊接工艺参数对于焊接接头的抗拉强度影响不大(图4(b, d))。 与纯Al-5Mg焊丝焊接7075铝合金的平均抗拉强度280.76 MPa相比, 复合焊丝的接头抗拉强度有所提高。 综合各因素对焊缝抗拉强度的影响, 当焊接电流为I=200 A, 焊接频率为中频, 气流量为v=12 L·min^-1和坡口角度为α=60°时为最优参数。

图3 不同坡口角度焊缝宏观正反面成形形貌

Fig.3 Macroscopic appearance of different groove angle weld seam forming

(a,d)120°;(b,e)90°;(c,f)60°

表3 正交试验设计的直观分析

Table 3 Auto-visual analysis of orthonormality test design

Samples	Iwelding current/A	fwelding frequency/Hz	vgas flow rate/(L·min-1)	αgroove angle/°	UTS/MPa
Test 1	1	1	1	1	209.70
Test 2	1	2	2	2	254.50
Test 3	1	3	3	3	273.95
Test 4	2	1	2	3	289.00
Test 5	2	2	3	1	256.00
Test 6	2	3	1	2	254.00
Test 7	3	1	3	2	295.50
Test 8	3	2	1	3	317.00
Test 9	3	3	2	1	287.50
K1	246.05	264.73	260.23	251.07	-
K2	266.33	275.83	277.00	268.00	-
K3	300.00	271.82	275.15	293.32	-
R	53.95	11.10	16.77	42.25	-

图4 工艺参数对焊缝拉伸强度和断后伸长率的影响

Fig.4 Effect of process parameters on tensile strength and post-break elongation of welded joints

(a)Variation trend of tensile property and welding current;(b)Variation trend of tensile property and welding frequency;(c)Variation trend of tensile property and groove angle;(d)Variation trend of tensile property and gas flow rate

焊接接头断后伸长率随着焊接电流、 焊接频率和焊接气流量的增大而逐渐增大, 与抗拉强度的变化趋势基本相同, 且增大幅度也是逐渐减小。 而在图4(c)中, 断后伸长率随坡口角度的变化趋势与其他3个因素有所不同, 随着焊接坡口角度的增大, 断后伸长率先减小后增大, 且最大值在坡口角度为120°, 其主要原因为坡口角较大时, 焊缝金属主要为SiC_p/Al基复合材料。 结合抗拉强度的变化趋势, 当焊接电流为I=200 A, 焊接频率为中频, 气流量为v=14 L·min^-1和坡口角度为α=60°时为断后伸长率最优参数。

以抗拉强度作为响应值, 采用统计学原理对各因素进行其显著性统计分析, 根据公式计算各因素对抗拉强度的显著性比值(F)确定各工艺参数对焊接接头的影响程度。

F=∑(?yi-ˉy)/k∑(yi-?yi)/(n-k-1)?F(k,n-k-1)?????????(1)

式中: F为因素显著性水平比; n为样本量; k为模型自变量; y_i为应变量; ?yi 为估计值; ˉy 为样本平均值。

计算得到各因素对强度的F比如表4所示。 当采用置信区间为95%时, F的临界值为6.940。根据计算得到各因素的F比值中, 焊接电流和坡口角度的F值分别为12.793和7.789均大于F临界值, 因此焊接电流和坡口角度对焊缝强度的影响为显著性; 而焊接频率和气流量的F值分别为0.544和1.456均小于F临界值, 则表明两因素对焊缝强度的影响不显著。

表4 各因素对强度的F比

Table 4 F ratio of factors to strength

Parameter	F	F critical value
Welding current	12.793	6.940
Welding frequency	0.544	6.940
Gas flow rate	1.456	6.940
Groove angle	7.789	6.940

2.2 工艺参数对焊缝显微组织的影响

颗粒增强铝基复合材料在焊接上存在颗粒发生反应及焊缝成形较差的问题 ^[16] , 同时不同的焊接工艺参数, 对焊缝成形和组织有着很大的影响 ^[17] 。 在焊接电流为200 A时, 根据不同的坡口角度, 其熔合线及附近组织存在较大差异, 如图5所示。 坡口角度为60°时, 热影响区(HAZ)中存在较大的第二相析出, 且熔合线区域柱状枝晶组织较明显, 这与断后延伸率的结果相一致。 根据不同的坡口角度, 其焊后熔合线与焊根水平线的夹角存在一定的差异, 这主要是因为坡口角度对焊接电弧形状的影响 ^[18] , 当焊接电弧与焊件的距离一定时, 坡口角度较小, 焊接电弧主要呈压缩形态; 而坡口角度过大, 则焊接作用的电弧呈发散形态。 当焊接电流一定时, 不同的焊接电弧形态其作用效率不同。 由图5显微组织可以发现60°坡口角度相比于120°的HAZ较大, 说明焊接热输入较大。

图5 焊缝熔合线光学显微组织

Fig.5 Optical microstructures of weld fusion lines

(a)120°;(b)90°;(c)60°

根据与试验设计组别的分析, 图6为各试验组别焊缝中心的SEM组织。 通过分析SEM可知, 在不同的焊接工艺参数下, SiC颗粒在焊缝中的分布及其存在状态存在一定的差异。 当焊接电流为 160 A时, 在焊缝中可以明显的观察到SiC颗粒的存在, 但是颗粒较为团聚; 当焊接电流为180 A时, 随着坡口角度的减小, 颗粒存在状态及分散程度越来越好; 而当焊接电流为200 A时, 颗粒反应较为剧烈, 且颗粒分散程度不佳。

通过SEM对颗粒的反应进行探究, 在图6(d, g, i)中未见明显颗粒状SiC及针状Al₄C₃的存在, 但可以观察到有第二相Si的存在。 而其他六组试验中可以明显的观察到SiC颗粒沿着晶界分布, 且经能谱分析在图6(e)中发现有Al₄SiC₄的生成, 其反应过程如下 ^[19,20] :

反应温度区间650～1347 ℃

4Al_(l)+3SiC_(s)→Al₄C_3(s)+3Si_(s) (2)

反应温度区间1347～1627 ℃

4Al_(l)+4SiC_(s)→Al₄SiC_4(s)+3Si_(s) (3)

由于TIG焊接方法的电弧弧柱具有较高的温度, 在焊接过程中, 熔池中心的温度高于1347 ℃, 使得SiC颗粒发生分解后与铝熔体反应生成产物为Al₄SiC₄, 当温度在650～1347 ℃区间时主要生成针状的Al₄C₃, 而当温度在1347 ℃以上时, SiC颗粒与Al直接反应生成Al₄SiC₄和Si。 这在一定程度上说明SiC颗粒增强铝镁焊丝作为填充金属可以一定程度的避免生成针状Al₄C, 而在原位上生成了另一种增强相Al₄SiC₄。 根据SiC的存在形式及其分散, SiC_p增强铝镁焊丝焊接7075铝合金的最佳焊接工艺为: 焊接电流为I=180 A, 焊接频率为低频, 气流量为v=12 L·min^-1和坡口角度为α=60°。

通过对比发现, 显微组织与力学性能的最优工艺参数不相一致。 其主要是因为颗粒的存在使得焊缝熔池的流动性不足, 焊缝组织较为疏松且内部气孔等细小缺陷较多, 从而使得焊缝中颗粒增强效果不明显、 力学性能不高; 而当电流增大时, 颗粒发生了较为剧烈的反应从而使得熔池流动性增强, 焊缝组织得到一定的改善, 使力学性能有所提高。

图6 各试验组SEM照片

Fig.6 SEM images of samples

(a)Test 1;(b)Test 2;(c)Test 3;(d)Test 5;(e)Test 6;(f)Test 4;(g)Test 9;(h)Test 7;(i)Test 8

同时通过SEM显微分析, 采用SiC_p/Al-5Mg填充金属焊接7075铝合金时, 颗粒的加入改变了7075铝合金中脆硬相(T相和S相)的析出, 使析出相由条状析出改变为颗粒状如图6(d, g)。 并且可以明显的观察到在颗粒分布的位置析出相贫瘠区, 这与常海等 ^[21] 的研究结果相一致。 这主要是因为亚微米颗粒的加入可以给凝固提供异质形核点, 加快了凝固速度; 同时颗粒在晶界处分布阻碍了晶粒的生长, 从而进一步抑制了中间相的析出。

2.3 焊接接头硬度分布

为了进一步评定工艺参数对接头力学性能的影响, 对焊缝中心的显微硬度进行因素指标对比分析, 其结果如图7所示。 通过正交直观分析焊接工艺参数对焊缝中心显微硬度的影响, 随着电流的增大焊缝显微硬度逐渐减小, 且显微硬度由180 A增大到200 A的减小幅度更大(图7(a)), 这主要是因为电流的增大使得熔池冷却减缓而导致晶粒长大; 焊缝硬度随着焊接频率的增大呈上升趋势(图7(b)); 而焊缝显微硬度随着气流量和坡口角度的增大呈现出先增大后减小的变化。 综合焊缝成形及其抗拉强度的变化, 当焊接电流为I=180 A, 焊接频率为中频, 气流量为v=12 L·min^-1和坡口角度为α=90°时为焊缝显微硬度最优参数。 但整体来说, 焊接工艺参数对焊缝中心的显微硬度影响不大。

3 结 论

通过半固态搅拌超声辅助铸造法制备获得亚微米SiC_p增强铝镁复合材料焊丝, 对7075-T651铝合金板进行交流TIG焊接。 以正交试验法分别对焊接电流、 焊接频率、 焊接气流量及焊接坡口角度4个工艺参数进行优化, 最终得到如下结论:

图7 不同因素下焊缝中心硬度曲线

Fig.7 Hardness curve of welded joints with different process parameters

(a)Variation trend of hardness and welding current;(b)Variation trend of hardness and welding frequency;(c)Variation trend of hardness and gas flow rate;(d)Variation trend of hardness and groove angle

1. SiC_p/Al-5Mg复合材料焊丝焊接7075 铝合金, 通过正交试验分析, 以力学性能和显微组织作为研究对象得到各焊接因素对焊缝强度的影响程度顺序为焊接电流、 坡口角度、 气流量和焊接频率。 在本研究中接头强度最高可达317MPa, 高于Al-5Mg焊丝材料的接头强度, 接近母材强度的60%。

2. 通过焊接工艺的探究, 获得可以满足复合材料焊接参数, 使得SiC颗粒可以较为良好的保持原有颗粒的形态并且分布较为均匀; 在焊接状态下反应的SiC颗粒生成了稳定的混合碳化物Al₄SiC₄和第二相Si。

3. 焊接工艺参数的改变对焊缝中心的显微硬度影响不大, 焊缝中心的显微硬度基本维持在HV 105。

4. 利用正交方法分析焊缝的抗拉强度以及误差范围、 显微组织和显微硬度, 得到最佳组合工艺参数为: 焊接电流180 A、 坡口角度60°、 气流量12 L·min^-1和焊接频率中频40 Hz。

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