材料工程  2020, Vol. 48 Issue (2): 140-147   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001007
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李国伟, 梁亚红, 陈芙蓉, 韩永全
LI Guo-wei, LIANG Ya-hong, CHEN Fu-rong, HAN Yong-quan
7075铝合金脉冲变极性等离子弧焊接头的双级时效行为
Two-stage aging behavior of pulse variable polarity plasma arc welding joint of 7075 aluminum alloy
材料工程, 2020, 48(2): 140-147
Journal of Materials Engineering, 2020, 48(2): 140-147.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001007

文章历史

收稿日期: 2018-08-20
修订日期: 2019-08-03
7075铝合金脉冲变极性等离子弧焊接头的双级时效行为
李国伟1,2 , 梁亚红1,2 , 陈芙蓉1,2 , 韩永全1,2     
1. 内蒙古工业大学 材料科学与工程学院, 呼和浩特 010051;
2. 内蒙古自治区轻金属材料重点实验室, 呼和浩特 010051
摘要:通过力学性能、电导率测试和TEM分析,对10 mm厚7075铝合金脉冲变极性等离子弧焊(pulse variable polarity plasma arc welding,PVPPAW)接头的双级时效行为特征进行研究,并确定了较为合理的双级时效工艺。结果表明:7075铝合金PVPPAW接头的抗拉强度随着终时效温度的升高和终时效时间的延长先增大后减小。经160℃,12 h终时效处理后的接头抗拉强度为545.1 MPa,比焊态时提高了37%。此时接头的电导率为27.9% IACS,抗应力腐蚀性能有所提高。焊缝中心主要强化相为η'相和η相,随着终时效温度的升高和终时效时间的延长,晶内与晶界的析出相逐渐长大和粗化,晶界的无沉淀析出带变宽。
关键词7075铝合金    脉冲变极性等离子弧焊    双级时效    显微组织    性能    
Two-stage aging behavior of pulse variable polarity plasma arc welding joint of 7075 aluminum alloy
LI Guo-wei1,2, LIANG Ya-hong1,2, CHEN Fu-rong1,2, HAN Yong-quan1,2    
1. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;
2. Inner Mongolia Key Laboratory of Light Metal Materials, Hohhot 010051, China
Abstract: Two-stage aging behavior of pulse variable polarity plasma arc welding(PVPPAW)joint of 7075 aluminum alloy with thickness of 10 mm was studied by mechanical properties, electrical conductivity test and TEM analysis, and the reasonable two-stage aging process was determined. Results show that the tensile strength of 7075 aluminum alloy PVPPAW joints increases first and then decreases with the increase of second-step aging temperature and time. After second-step aging with 160℃/12 h, the tensile strength of joint is 545.1 MPa, which increases by 37% than as-weld. And the conductivity is 27.9%IACS, the resistance to stress corrosion is improved than as-weld. The main strengthening phases of the weld center are η' phase and η phase. The precipitated phases of grain interior and grain boundary grow up and become coarsened gradually, and the precipitated free zone in the grain boundary becomes wider with the increase of the second-step aging temperature and time.
Key words: 7075 aluminum alloy    PVPPAW    two-stage aging    microstructure    property    

7×××系高强铝合金因优异的性能被广泛应用于航空航天、国防、航海和汽车等领域[1-3],实际应用中经常需要进行焊接,如何实现优质焊接一直是国内外研究的热点和难点[4-5]。与其他的传统熔焊相比,脉冲变极性等离子弧焊(pulse variable polarity plasma arc welding,PVPPAW)技术在焊接铝合金方面具有一定的优势[6-7],但焊接接头仍存在强度失配严重、耐腐蚀性差等缺点[8-9],在一定程度上影响该铝合金进一步的开发应用。

如何改善焊后接头的软化及耐腐蚀性问题已成为许多科研人员的研究重点。目前常用的方法有优化焊接工艺、焊后表面处理、焊后热处理等。研究人员[10-12]发现双级时效处理既能提高7×××系铝合金的强度又能改善其耐腐蚀性能,同时还能改善7×××系铝合金焊接接头的性能。陈一进等[13]研究发现,随着双级时效时间的延长,7050铝合金的强度、硬度降低,导电率逐渐增加,同时合金的应力腐蚀敏感性不断下降。孙志华等[14]对不同时效制度处理的7804预拉伸厚板的应力腐蚀性能进行测定,发现从T6状态到过时效T74, T73状态,应力腐蚀敏感性依次降低。刘长军等[15]对AA7075-T651铝合金双脉冲MIG焊接头进行固溶后水淬+二级时效处理,发现焊后晶粒由枝晶向等轴晶转变,焊接接头的抗拉强度由342.5 MPa提高到490 MPa,软化区硬度有明显提升。Widener等[16]研究发现双级时效能够提高7075铝合金FSW接头的强度,使强度接近T6状态的同时也提高了焊接接头的抗剥落腐蚀性与断裂韧度。

采用优化的PVPPAW工艺焊接7075铝合金板材,对焊后试件固溶处理后水淬,再进行双级人工时效处理,重点研究了不同终时效工艺的焊缝组织和力学性能的变化规律,探讨终时效处理对7075铝合金PVPPAW焊缝组织和力学性能的影响规律。

1 实验材料与方法

实验材料为西南铝业公司生产的7075-T651铝合金板材,其成分(质量分数/%)范围为Zn 5.1~6.1,Mg 2.1~2.9,Cu 1.2~2.0,Mn 0.3,Ti 0.2,Cr 0.18~0.28,Fe 0.5,Si 0.4,余量为Al,抗拉强度为589.2 MPa。焊丝为ϕ1.2 mm ER5183铝镁合金。采用VPPA-300型焊接电源和PMW-300型等离子弧焊枪,离子气和保护气均为99.9%的氩气。焊接方式为对接,工艺参数如表 1所示。室温拉伸实验采用SHT-4605型万能试验机,加载速率为1 mm/min,力学性能取样垂直于焊缝的轴向并去除正面和背面余高,试样尺寸如图 1所示。焊接接头的拉伸断裂位置为焊缝中心,力学性能如表 2所示。采用Tecnai G2 F20型透射电子显微镜对析出相进行观察。采用SIGMASCOPE SMP 10型电导仪测量电阻率并进行换算。

表 1 PVPPAW工艺参数 Table 1 Process parameters of PVPPAW
Positive polarity average current/
A
Reverse polarity average current/
A
Welding speed/
(mm·min-1)
Wire feeding speed/
(m·min-1)
Plasma gas flow rate/
(L·min-1)
Protection gas flow rate/
(L·min-1)
Tungsten electrode neck-in/mm Time ratio/
ms
245-250 285-290 150 2.0 2.0 15 3 21:4
图 1 拉伸试样示意图 Fig. 1 Schematic diagram of tensile specimen
表 2 7075铝合金PVPPAW接头的性能 Table 2 Properties of 7075 aluminum alloy PVPPAW joint
Tensile strength/MPa Yield strength/MPa Hardness
(HV)
Electrical conductivity/
%IACS
397.9 332.6 126.6 21.7

实验首先对7075铝合金进行焊接,然后对焊接接头进行490 ℃/80 min的固溶处理和130 ℃/24 h的预时效处理,再进行终时效工艺的优化。终时效温度选择140,150,160,170 ℃和180 ℃,时效时间为12 h。优化出最佳温度后,选择4,8,12,16,20 h进行终时效时间的优化。

2 结果与分析 2.1 7075铝合金PVPPAW接头显微组织

图 2为7075铝合金PVPPAW接头显微组织形貌。可以看出,焊接接头由母材区(A)、热影响区(B)和焊缝区(C)组成。母材区为典型的轧制组织,热影响区为轧制组织和部分等轴晶,焊缝区为较粗大的树枝晶。该组织形貌与铝合金在PVPPAW过程中的受热状态和自身的物理特性密切相关,焊接时焊缝中心温度高,晶粒长大时间充裕,导致焊缝区形成粗大的树枝晶组织。而铝合金散热快,散热主要沿母材方向,散热作用使热影响区达到母材的再结晶温度,形成了部分等轴晶组织。母材组织则未发生明显变化。

图 2 7075铝合金PVPPAW接头显微组织 Fig. 2 Microstructure of 7075 aluminum alloy PVPPAW joint
2.2 终时效温度对焊接接头性能的影响

图 3为不同终时效温度下焊接接头的抗拉强度和电导率的变化趋势。由图 3可以看出,随着终时效温度的升高,焊接接头的抗拉强度呈现先增大后减小的趋势,140 ℃时为519.1 MPa,160 ℃时达到了最大的545.1 MPa,约为母材抗拉强度的92.5%,比焊态时提高了37%。180 ℃时减小至479.2 MPa。温度小于160 ℃时抗拉强度增加不明显,大于160 ℃时抗拉强度明显减小。温度低于180 ℃时,焊接接头的拉伸断裂位置位于焊缝中心,180 ℃时断裂位置则在热影响区。焊接接头的电导率随着温度的升高逐渐增加。140 ℃时为26.5%IACS,160 ℃时为27.9%IACS,比焊态时提高了28.6%,180 ℃时则增加至31.8%IACS。由此可知,随着终时效温度的升高,焊接接头的抗应力腐蚀能力逐渐增强。综合抗拉强度和电导率可知,较佳的终时效温度为160 ℃。

图 3 不同终时效温度下焊接接头的抗拉强度及电导率 Fig. 3 Tensile strength and electrical conductivities of welded joints with second-step aging at different temperatures

图 4为不同终时效温度下焊接接头的显微硬度分布。由图 4可知,焊接接头的显微硬度随着终时效温度的升高呈现先增大后减小的趋势,140 ℃时焊缝中心的硬度值为141.2HV,160 ℃时增加到144.3HV,约为母材显微硬度的96.2%。经终时效处理后显微硬度由母材到焊缝中心呈下降趋势。温度低于180 ℃时焊缝中心的显微硬度最小,180 ℃时热影响区的显微硬度最小。经160 ℃终时效处理后焊缝中心和热影响区的显微硬度最高。

图 4 不同终时效温度下焊接接头的显微硬度分布 Fig. 4 Microhardness distributions of welded joints with second- step aging at different temperatures
2.3 终时效时间对焊接接头性能的影响

当终时效温度为160 ℃,不同终时效时间下焊接接头的抗拉强度和电导率的变化规律如图 5所示。由图 5可知,随着终时效时间的延长,焊接接头抗拉强度的变化趋势与终时效温度增加时的变化规律一致,即先增加后减小。4 h时为489.6 MPa,12 h时达到最大545.1 MPa,20 h时减小至507.1 MPa。不同终时效时间下接头的拉伸断裂位置均为焊缝中心。焊接接头的电导率随着终时效时间的延长逐渐增大,4 h时为25.6%IACS,12 h时为27.9%IACS,20 h时增加至29.9%IACS。综合抗拉强度和电导率可知,较佳的终时效时间为12 h。

图 5 不同终时效时间下焊接接头的抗拉强度和电导率 Fig. 5 Tensile strength and electrical conductivities of welded joints with second-step aging for different time

图 6为不同终时效时间下焊接接头的显微硬度分布。由图 6可见,随着终时效时间的延长,焊接接头显微硬度的变化趋势也为先增加后减小。4 h时焊缝中心显微硬度为137.9HV,12 h时为144.3HV,比焊态时提高了14%。继续延长终时效时间显微硬度有所减小。终时效处理后焊缝中心的显微硬度比焊态时有所提高,但仍为接头的最小处,热影响区的显微硬度也有所提高,但仍低于母材。终时效时间为12 h时焊缝中心和热影响区的显微硬度最高。

图 6 不同终时效时间下焊接接头的显微硬度分布 Fig. 6 Microhardness distributions of welded joints with second- step aging for different time
2.4 终时效温度对焊接接头组织的影响

图 7为不同终时效温度下焊接接头的TEM照片,图 8为焊缝中心选区电子衍射斑点,不同终时效温度下焊缝中心析出相的平均晶粒尺寸如图 9所示。

图 7 不同终时效温度下焊缝中心的TEM图像 (a), (b)140 ℃; (c), (d)160 ℃; (e), (f)170 ℃ Fig. 7 TEM micrographs of weld center with second-step aging at different temperatures (a), (b)140 ℃; (c), (d)160 ℃; (e), (f)170 ℃
图 8 不同终时效温度下焊缝中心选区电子衍射图 (a)140 ℃〈011〉; (b)160 ℃〈011〉; (c)170 ℃〈011〉 Fig. 8 SAED patterns of weld center with second-step aging at different temperatures (a)140 ℃〈011〉; (b)160 ℃〈011〉; (c)170 ℃〈011〉
图 9 不同终时效温度下焊缝中心析出相的平均晶粒尺寸 Fig. 9 Average grain size of precipitated phase in weld center with second-step aging at different temperatures

图 7可以看出,经不同终时效温度处理试样的晶粒内部有析出相产生,晶界附近产生了无沉淀析出带和平衡相。140 ℃终时效后,焊接接头的晶内析出了一定数量的析出相,析出相尺寸约为5~7 nm,图 8(a)为相应析出相在〈011〉Al方向的衍射斑点,可以看出在1/3和2/3{0 2 2}Al处有明显的衍射斑点存在,表明焊缝中心主要的析出相为η′相,同时也产生了η相。此时,晶界析出相较小且断续分布,晶界无沉淀析出带宽度大约为43 nm。而经160 ℃终时效后,基体内析出相有所长大,尺寸约为6~8 nm,该析出相为η′+η相(图 8(b))。此时晶界上η相比140 ℃时稍有长大且断续分布(图 7(d))。170 ℃终时效后,基体中析出相密度要比160 ℃时小,部分析出相粗化严重,晶界上的η相也明显长大且不连续,析出相的间距增大,晶界无沉淀析出带宽度增至60 nm(图 7(f))。由图 9可知,随着终时效温度的升高,析出相的平均晶粒尺寸稍有增大,140 ℃时为6.04 nm,而170 ℃时长大为6.77 nm。

2.5 终时效时间对焊接接头组织的影响

图 10为不同终时效时间下焊接接头的TEM照片。图 11为焊缝中心选区电子衍射斑点。不同终时效时间下焊缝中心析出相的平均晶粒尺寸如图 12所示。

图 10 不同终时效时间下焊缝中心的TEM图像 (a), (b)4 h; (c), (d)12 h; (e), (f)20 h Fig. 10 TEM micrographs of weld center with second-step aging for different time (a), (b)4 h; (c), (d)12 h; (e), (f)20 h
图 11 不同终时效时间下焊缝中心选区电子衍射图 (a)4 h〈011〉; (b)12 h〈011〉; (c)20 h〈011〉 Fig. 11 SAED patterns of weld center with second-step aging for different time (a)4 h〈011〉; (b)12 h〈011〉; (c)20 h〈011〉
图 12 不同终时效时间下焊缝中心析出相的平均晶粒尺寸 Fig. 12 Average grain size of precipitated phase in weld center with second-step aging for different time

图 10可知,焊接接头经过4 h终时效后,析出相数量较少,主要为η′+η相(如图 11(a)所示)。晶界析出相较小且不连续,晶界无沉淀析出带宽度约为40 nm。12 h终时效后,基体内析出相出现粗化,仍为η′+η相。此时晶界上也析出了粗大且不连续的平衡相η(图 10(d))。20 h终时效后,基体中的析出相密度要比12 h时小,且部分析出相显著粗化,晶界上的η相也明显粗化且呈现不连续状,析出相的间距有所增大,晶界无沉淀析出带明显变宽。由图 12可知,析出相的平均晶粒尺寸随着终时效时间的延长明显增大,4 h时为6.18 nm,而20 h时长大为9.14 nm。

综上所述,终时效温度和时间对焊接接头的组织性能影响较大。由切割和绕过机制[17]可知,切割机制的强化效应随质点体积分数和尺寸的增大而增强,而绕过机制的强化效应随质点体积分数的减小和尺寸的增大而减弱。结合本实验可知,终时效温度为140 ℃时,析出相数量少且尺寸较小,接头强度较低。而160 ℃时析出相密度大于140 ℃时,部分析出相的尺寸有所增加,变形时切过η′相和η相质点,接头强度最高。随着终时效温度的继续升高,焊接接头过时效程度增加,晶内强化相则越来越粗大,位错由切割向绕过机制转变,接头强度有所降低。同时,由于高温下时效,溶质原子析出增多,焊接接头的电导率升高。180 ℃时由于温度过高且保温时间较长造成了热影响区的晶粒过大,导致热影响区成为焊接接头的薄弱环节,拉伸时在该处断裂。

终时效温度为160 ℃时,时效初期固溶体基体中残留的溶质原子迅速脱溶析出并扩散,为η′相的析出提供溶质原子,或者η′相在已有GP区上形核长大,使得η′相的体积分数增加,析出粒子对位错运动的阻力增加,焊接接头的强度迅速升高,在12 h时达到峰值。由于此过程固溶体中溶质原子过饱和度下降,晶格畸变程度减轻,电导率迅速上升。随着时间的延长,η′相迅速长大粗化(图 10(e)),焊接接头进入过时效状态,强度逐渐降低。同样,由于基体中溶质原子固溶度进一步降低,电导率逐渐提高。

焊接接头经130 ℃/24 h+160 ℃/12 h双级时效处理后,晶界析出相呈断续状分布,同时还存在较窄的无沉淀析出带。根据阳极溶解模型和氢脆模型[18],这种晶界结构有助于提高合金的抗应力腐蚀性能。因此,采用该双级时效工艺可以使7075铝合金PVPPAW接头在保持高强度的同时,电导率也有所提高,抗应力腐蚀性能得到一定程度的改善。

3 结论

(1) 7075铝合金PVPPAW接头较佳的双级时效工艺为130 ℃/24 h+160 ℃/12 h,此时焊接接头的抗拉强度为545.1 MPa,比焊态时提高了37%,接头抗拉强度明显提高,但焊缝中心仍为最薄弱环节。

(2) 双级时效工艺能够改善7075铝合金PVPPAW接头的抗应力腐蚀性能,经130 ℃/24 h+160 ℃/12 h处理后接头的电导率为27.9%IACS,比焊态时提高了28.6%。

(3) 7075铝合金PVPPAW接头经双级时效后主要强化相为弥散状分布的η′和η相,随着温度的升高和时间的延长,晶内及晶界处的析出相尺寸呈长大趋势,晶界无沉淀析出带变宽。

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