7075与ER5356铝合金焊丝用于7075铝合金MIG焊接头性能对比研究.pdf

2023年7月上 世界有色金属 145前沿技术Leading-edge technology7075与ER5356铝合金焊丝用于7075铝合金MIG焊接头性能对比研究王晨阳1，2，李小平1，2*，刘骁1，2，王壮壮1，2（1.江苏理工学院，江苏 常州 2 1 3 0 0 1；2.江苏省先进材料设计与增材制造重点实验室，江苏 常州 2 1 3 0 0 1）摘 要：采用MI G焊的方式使用自制7 0 7 5 铝合金焊丝与市面购进的E R5 3 5 6 焊丝进行3 mm厚7 0 7 5 铝合金对接焊，对比分析两种焊丝焊接接头的显微组织与力学性能。经过光学显微镜(OM)、X射线衍射(X RD)、扫描电镜(S E M)与能谱仪(E D S)结合室温拉伸与显微硬度测试，结果表明：两种接头焊缝组织均为枝晶网状组织，但由于合金元素含量与热导量增大，7 0 7 5 接头焊缝组织相对细小且枝晶特征更为明显。S E M和X RD检测分析得出，由于焊接时金属流动作用将部分母材合金元素带至焊缝，两者焊缝析出相均主要为相(Mg Z n2)、S 相(C u Mg A l2)或T相(A l Z n Mg C u)，同时存在A l1 3F e4金属化合物。7 0 7 5 焊缝平均硬度为1 2 0 HV，相较于5 3 5 6 焊缝更为优异；两者拉伸力学性能较为接近，断裂机制相同。关键词：7 0 7 5 焊丝；高强铝合金MI G焊；焊缝组织；力学性能中图分类号：T G 4 4 4+.2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 3-0 1 4 5-37075 and ER5356 aluminum alloy wire for MIG welding of 7075 aluminum alloy Comparative study of joint performanceWANGChen-yang1,2,LIXiao-ping1,2*,LIUXiao1,2,WANGZhuang-zhuang1,2(1.J i a n g s u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,C h a n g z h o u 2 1 3 0 0 1,C h i n a;2.J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d Ma t e r i a l s D e s i g n a n d A d d i t i v e Ma n u f a c t u r i n g,C h a n g z h o u 2 1 3 0 0 1,C h i n a)Abstract:Us i n g t h e me t h o d o f MI G w e l d i n g,t h e s e l f-ma d e 7 0 7 5 a l u mi n u m a l l o y w e l d i n g w i r e a n d t h e c o mme r c i a l l y a v a i l a b l e E R5 3 5 6 w e l d i n g w i r e w e r e u s e d f o r 3 mm t h i c k 7 0 7 5 a l u mi n u m a l l o y b u t t w e l d i n g.T h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e w e l d e d j o i n t s o f t h e t w o w e l d i n g w i r e s w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d.T h r o u g h o p t i c a l mi c r o s c o p e (OM),X-r a y d i f f r a c t i o n (X RD),s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e (S E M)a n d e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o me t e r (E D S)c o mb i n e d w i t h r o o m t e mp e r a t u r e t e n s i l e a n d mi c r o h a r d n e s s t e s t r e s u l t s,t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e w e l d s t r u c t u r e o f b o t h j o i n t s i s d e n d r i t i c n e t w o r k Ho w e v e r,d u e t o t h e i n c r e a s e o f a l l o y i n g e l e me n t c o n t e n t a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y,t h e w e l d mi c r o s t r u c t u r e o f 7 0 7 5 j o i n t i s r e l a t i v e l y f i n e a n d t h e d e n d r i t e c h a r a c t e r i s t i c s a r e mo r e o b v i o u s.S E M a n d X RD a n a l y s i s s h o w e d t h a t d u e t o t h e me t a l f l o w d u r i n g w e l d i n g,p a r t o f t h e b a s e me t a l a l l o y e l e me n t s w e r e b r o u g h t t o t h e w e l d,a n d t h e p r e c i p i t a t i o n p h a s e s o f t h e t w o w e l d s w e r e ma i n l y p h a s e (Mg Z n2),S p h a s e (C u Mg A l2)o r T p h a s e (A l Z n Mg C u),w i t h t h e p r e s e n c e o f A l1 3F e4 me t a l c o mp o u n d s.T h e a v e r a g e h a r d n e s s o f t h e 7 0 7 5 w e l d i s 1 2 0 HV,w h i c h i s b e t t e r t h a n t h a t o f t h e 5 3 5 6 w e l d;t h e t e n s i l e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e t w o a r e s i mi l a r,a n d t h e f r a c t u r e me c h a n i s m i s t h e s a me.Keywords:7 0 7 5 w e l d i n g w i r e;MI G w e l d i n g o f h i g h-s t r e n g t h a l u mi n u m a l l o y s;w e l d mi c r o s t r u c t u r e;me c h a n i c a l p r o p e r t i e s收稿日期：2 0 2 3-0 4基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目（S J C X 2 1 _ 1 3 1 7）。作者简介：王晨阳，男，生于1 9 9 9 年，江苏扬州人，硕士，研究方向：7 系铝合金增材制造。7075铝合金属于7xxx铝合金中Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化铝合金，具有比强度高、加工性能好、断裂韧性高等优点，被广泛应用于航空航天、军工国防、轨道交通、造船等领域1，2。由于7075铝合金是一种沉淀硬化合金，难以通过传统拉拔方式批量制造焊丝，长久以来只能选择使用ER5356等5xxx焊丝进行高强铝合金的焊接工作，接头的软化与焊缝处力学性能陡降成为制约高强铝合金焊接应用的瓶颈问题3，4。根据焊材选用等强度原则，又由于7xxx铝合金可以按照一定顺序析出第二相对基体起到强化作用5，同时使用7xxx铝合金焊丝焊接后可以通过热处理的方式强化接头力学性能6，可以看出7xxx铝合金焊丝非常适合7075的焊接工作。Oropeza D等人使用自制的碳化钛强化7075焊丝TIG焊接7075铝合金，接头热处理后强度最高可达母材强度的84%7，Zhang K等人使用自制7075焊丝，采用TIG焊对5mm厚7075-T6铝合金进行焊接之后对接头进行热处理，得到抗拉强度424.5MPa、伸长率9.83%的焊接头8。因此本文分别使用自制喷射成形坯料后经拉拔成形的7075铝合金焊丝与市场购买的ER5356焊丝，采用MIG焊进行3mm厚7075高强铝合金的对接焊工艺实验，得到分别使用两种焊丝时力学性能最优的接头。对两种焊丝接头进行金相组织、析出相与力学性能的对比分析，以评估本文新工艺生产的7075焊丝用于7075铝合金焊接的可行性，为7系高强铝合金焊接丝材的选择提供新选择与思路。1 实验材料和方法母 材 选 用 尺 寸 为 3mm150mm75mm 的 7075 高强铝合金试板，抗拉强度545MPa，屈服强度475MPa，延伸率8%。焊材分别采用喷射成形坯料再经拉拔成形的自制7075铝合金焊丝与市面购买的ER5356焊丝，直径为1.2mm。母材与焊丝化学成分如表1所示。焊机使用Hanshen公司生产的MIG WSME315数字化交直流方波氩弧焊机，保护气为99.99%纯氩，无坡口，保护气流量20L/min，为了提高焊缝冷却速率以达到细化晶世界有色金属2023年7月上146前沿技术Leading-edge technology粒的目的，采用厚铜板通水冷却作为焊缝底部垫板。通过改变电流与焊接速度，对两种焊丝分别展开焊接工艺试验，参照国标GB/T228-2002截取试样进行室温拉伸试验，每个参数测试6个平行试样后取平均值。工 艺 试 验 结 果 表 明，7075 高 强 铝 合 金 3mm 薄 板MIG对接焊，可良好成形的适用工艺参数范围较窄，使用ER5356/7075焊丝，电流小于80A/100A不能焊透，大于120A/140A出现宏观裂纹与塌陷缺陷。在可成形的参数范围内，ER5356接头抗拉强度为265.4MPa297.4MPa（变化范围32MPa），断后伸长率为5.9%7.7%（变化范围1.8%），断裂均发生在焊缝；7075接头抗拉强度为263.2MPa298MPa（变化范围34.8MPa），断后伸长率为4.4%6.3%（变化范围1.9%），断裂大多发生在熔合区。可以看出两种焊丝在焊缝可良好成形的参数范围内，ER5356接头断后伸长率明显高于7075接头，抗拉强度相当，其中ER5356接头在电流100A、焊速4mm/s时力学性能达到最优：抗拉强度297.4MPa、断后伸长率7.7%，接头外观见图1a；7075接头在电流120A、焊速4mm/s时力学性能达到最优：抗拉强度298MPa、断后伸长率6.3%，接头外观见图1b。(a)E R 5 3 5 6 焊缝 (b)7 0 7 5 焊缝 (c)硬度试样图1焊缝外观分别截取力学性能最好的ER5356与7075接头试样进行组织分析。使用LECO AMH43显微硬度仪对接头横截面进行维氏显微硬度测量，载荷200g、保压12s，由于板厚只有3mm，因此直接在横截面中心位置打点，如图1c所示。使用标准抛光方法制备金相样品，用Keller试剂腐蚀，使用Leica-DMi8型金相显微镜观察焊接接头的显微组织；使用D8 Advance ECO型X射线衍射(XRD)仪分析焊接接头的物相成分；使用Sigma 500型扫描电镜(SEM)并结合能谱仪(EDS)观察分析接头析出相及元素分布情况。为了方便表述，使用ER5356焊丝焊接7075铝合金的接头后文简称为5356接头，使用7075焊丝焊接7075铝合金的接头简称为7075接头。2 结果与分析2.1 接头金相组织5356接头各区金相组织母材为典型轧制态组织、晶粒沿着变形方向呈带状或纤维状特征；由于焊接热输入影响，热影响区在母材轧制组织的基础上长大，形成粗大的片状晶粒；熔合区由于快速冷却过冷度大形成细小的等轴晶组织。5356接头焊缝为具有铸态组织特征的枝晶网状组织，由于薄板加之背面衬板强制冷却，组织较为细小。7075接头各区组织与5356接头组织形态相似，接头各区在（Al）基体上均弥散分布有大量第二相粒子。由于7075焊丝焊接时需要采用较大电流导致热输入增大，其热影响区面积变大，组织粗化更为明显，且7075焊丝含有较多合金元素，使得焊缝结晶时具有更多非自发形核质点，其熔合区较5356接头更宽；两者焊缝组织几乎没有区别，都显示为枝晶网状组织，虽然7075接头焊缝热输入较大，但由于合金元素含量与热导率增大，7075接头焊缝组织相对细小且枝晶特征更为明显。（a）5 3 5 6 热影响区（1 0）（b）5 3 5 6 焊缝（1 0）（c）5 3 5 6 焊缝（4 0）（d）7 0 7 5 热影响区（1 0）（e）7 0 7 5 焊缝（1 0）（f）7 0 7 5 焊缝（4 0）图25356与7075焊丝MIG焊接头金相组织2.2 第二相析出与分布由于合金元素含量较低，两种焊缝XRD衍射图谱中除了(111)、(200)、(220)等强峰显示-Al基体外，观测不到表征其他相的强峰。7075焊缝中仅能观察到一些较弱的反射峰，推测有(MgZn2)、AlCuMg与Al13Fe4相存在。5356测试结果表明焊缝中不仅有5系铝合金中普遍存在的Mg2Si相，还出现了(MgZn2)与AlCuMg等7系铝合金析出相，这是由于焊接时熔池金属流动作用将部分熔化母材中的合金元素带至焊缝中心所致。另外7075焊缝存在大量沿晶界连续分布网层状与块状析出相；5356焊缝析出相明显少于7075，但其形态与分布相似，主要为沿晶界断续分布的网层状与块状。由于高合金成分共晶相的复杂性，只能判断析出相具有哪些相或以某个相为主，推测7075与5356焊缝析出相均主要由(MgZn2)、S(CuMgAl2)或 T(AlZnMgCu)组成，焊接时由于合金元素发生偏聚且受焊接热循环影响，析出相依附长大容易产生连结，形成了7075焊缝中连续分布于晶界的大表1母材和焊丝的化学成分(质量分数，%)ElementSiFeCuMnMgCrZnTiOther elementsAl7075/T6 Parent Material0.080.201.410.062.550.205.600.020.05Bal.7075 Wire0.010.032.180.161.960.015.800.010.05Bal.ER53560.040.090.0010.154.80.120.0020.090.05Bal.2023年7月上 世界有色金属 147前沿技术Leading-edge technology量网状第二相；5356焊丝主添加合金元素只有Mg，由于焊接时熔池金属流动作用将部分熔化母材中的Cu、Zn等元素带至焊缝中心，导致焊缝出现了若干7系铝合金的典型强化相，但由于少量母材熔化带入焊缝的合金元素量有限，其析出相不足以形成连接，以断续状分布于晶界。两种焊丝接头熔合区-热影响区均分布着大量形态相似的第二相，由于7075接头适用电流大且合金元素较多，导致其析出相粒子相对粗大。大的块状相主要由Al13Fe4或含Fe化合物组成，由于熔合区元素偏析严重，导致该相大多出现在熔合区；(MgZn2)、S(CuMgAl2)或T(AlZnMgCu)相互依附连结生长形成大的节点相、密集分布在晶界上多为网层状结构的条状相与小颗粒状相。2.3 接头拉伸性能与显微硬度分析7075与5356接头试样室温拉伸应力-应变曲线与断口 SEM 形貌如图 3 所示。5356 接头试样抗拉强度为297.4MPa，伸长率7.7%，接头强度达到母材强度50%，符合现有文献关于5xxx系焊丝焊接7075铝合金强度值的记载；7075接头试样抗拉强度为298MPa，伸长率6.3%。两者均为典型塑性材料拉伸应力-应变曲线，其弹性阶段与强化阶段曲线特征基本一致，但在抗拉强度相同的基础上，5356接头塑性较好，这是由于7075焊缝中相对粗大且连续分布的析出相阻碍位错运动造成的。根据断口SEM图可知，两者断面具有相同结构特点，断面上存在大量韧窝，具有明显的韧性断裂特征，局部出现若干呈冰糖状的小刻面断面结构，且在断面结构间可以观察到团聚状第二相粒子，表明接头断裂机制为韧脆复合型断裂。7075与5356接头横截面维氏显微硬度呈“W”分布如图4所示。7075焊缝平均硬度120HV，接近熔合线位置下降最低至109HV；5356焊缝平均硬度89HV，熔合区最低下降至78HV。焊缝较母材硬度下降严重，尤其5356焊缝硬度只有母材一半，导致5356接头拉伸时都在焊缝处断裂；由于熔合区合金元素烧损偏析、热影响区过时效析出相长大、晶粒长大等原因，致熔合区与热影响区硬度下降，造成接头软化现象，影响接头性能。对比分析可知，7075焊缝各区硬度较5356明显提高，但由于焊缝内部铸态组织性能不及母材经过形变强化的轧制组织，7075焊缝硬度仍远低于母材，导致7075接头拉伸时除了大部分试样在熔合区断裂外，仍有一部分试样在焊缝处断裂。图37075与5356接头试样室温拉伸结果1高士康，周利，张欣盟，等.6061-T6/7075-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能J.焊接学报，2022，3（06）：35-42+114-115.2杨智华，杨尚磊，姜亦帅，等.7075高强铝合金激光填丝焊接组织与力学性能研究J.材料导报，2017，31（12）：60-63+72.3徐腾，张春芝，鲁宽亮，等.7075铝合金MIG焊接头金相组织、力学性能和耐蚀性的应力敏感性J.焊接学报，2021，42（07）：51-59+101.4李国伟，陈芙蓉，韩永全，等.焊后热处理对7075铝合金PVPPA焊接接头组织与性能的影响J.焊接学报，2018，39（02）：57-60+131.5YangRX,LiuZY,YingPY,etal.Multistage-agingprocesseffectonformationofGPzonesandmechanicalpropertiesinAlZnMgCu alloyJ.Transactions of Nonferrous MetalsSocietyofChina,2016,26(5):1183-1190.6Li Xiaoping,Liu Xiao,Li Runzhou,et al.Microstructureand property research on welded joints of 7xxx aluminumalloy welding wire TIG for 7075 aluminum alloyJ.ChinaWelding,2021,30(04):58-64.7Oropeza D,Hofmann D C,Williams K,et al.Welding andAdditiveManufacturingwithNanoparticle-EnhancedAluminum7075WireJ.JournalofAlloysandCompounds,2020,834:154987.8ZhangK,LiuZ.EffectofSolutionTreatmentonMicrostructureandMechanicalPropertiesofHomogeneousTIGWeldedJointof7075AluminumAlloyJ.HotWorkingTechnology,2019.9MondalC,MukhopadhyayAK.OnthenatureofT(Al2Mg3Zn3)andS(Al2CuMg)phasespresentinas-castandannealed7055aluminumalloyJ.MaterialsScience&EngineeringA,2005,391(1-2):367-376.图47075与5356接头硬度3 结论（1）采用MIG焊的方式使用本文自制喷射成形坯料后经拉拔成形的7075铝合金焊丝焊接7075铝合金可以得到外观优良无缺陷的焊接接头，其接头强度不低于使用ER5356焊丝的焊接接头。（2）分析得出，接头各区在（Al）基体上均弥散分布有大量第二相粒子，且由于焊接时熔池金属流动作用将部分熔化母材中的合金元素带至焊缝中心，7075与5356焊缝析出相均主要由(MgZn2)、S(CuMgAl2)或T(AlZnMgCu)组成，同时存在Al13Fe4或含Fe化合物。析出相呈网层状与块状沿晶界分布。（3）7075接头各区组织与5356接头组织形态相似，两者焊缝组织均为枝晶网状组织，但由于合金元素含量与热导量增大，7075接头焊缝组织相对细小且枝晶特征更为明显。7075焊缝平均硬度相较于5356焊缝有明显提升。7075焊缝平均硬度为120HV，而5356焊缝平均硬度为89HV。拉伸性能方面，两者接头断裂机制均为韧脆复合型断裂，抗拉强度相当。