重复补焊和热处理对低压铸造ZL104合金力学性能和组织的影响

隔靴搔痒

2019年4月2日 16:50

浏览：2540 收藏：1

试验材料及方案

99.99%的高纯铝、Al-12Si中间合金及99.99%精镁锭，150 kg、加热功率为75 kW的坩埚电阻炉熔炼，合金经过熔化、氩气悬吹精炼、撇渣静置之后，将温度调整至720~730 ℃之间，采用熔模低压铸造，铸型为常温，浇注温度为730±5 ℃，升液/充型速度为120 mm/s，浇注压差为40 kPa，结晶时间为80 s。最终浇注成板状试样，试样尺寸为180 mm×40 mm×12 mm，试样结构见图1。采用OBLF-QSN-II发射光谱仪检测合金成分，结果见表1。通过Quanta FEI 400场发射扫描电镜附带的Oxford 50型能谱仪分析随着焊接次数的增加，ZL104合金各主要元素的烧损情况。试样焊接完成后按照HB9632005Ⅰ类标准采用2515射线机，电流为12 mA，电压为65 kV，完成射线检测。在试样上直接机加工出模拟补焊所需凹坑，2次、3次模拟凹坑应与1次模拟凹坑位置相同，见图2，采用氩弧焊补焊ZL104合金板状试样的模拟补焊区域的凹坑，焊接工艺参数见表2，具体流程见图3。

图1 板状试样

(a)焊接位置 (b)试样尺寸

图2 焊接部位机加工示意图

图3 重复热处理与多次补焊试验流程

T6热处理：固溶温度为540±5 ℃，保温12 h；淬火转移时间小于10 s，淬火介质为水,温度为50~60 ℃，保温4~5 min。时效温度为175±5 ℃，保温11 h，出炉空冷。将焊接好的试样经T6热处理，在焊接区域加工出拉伸试样，区域见图4。

图4 取样部位示意图

采用EPIPHOT 300型金相显微镜上观察其微观组织。在DDL50电子万能拉伸试验机上进行拉伸测试，拉伸速度为2 mm/min，测定试样抗拉强度、伸长率。试样硬度测试在THB-3000E电子布氏硬度计上完成。

试验结果与分析

接头的无损检测

图5为未补焊和1~3次补焊后合金X射线探伤照片。可以看出，每次焊接后，焊区与母材过渡良好，经X射线检测符合HB9632005Ⅰ类件要求，外观检查无宏观缺陷，经荧光检验未发现超标缺陷。

(a) 未补焊 (b) 1次补焊 (c) 2次补焊 (d) 3次补焊

图5 合金X射线探伤照片

拉伸试验

可以看出，每次补焊后试样抗拉强度、伸长率均有所减小，且断裂位置均在焊接区域。1次、2次、3次焊接热处理后与未焊接试样相比，抗拉强度分别降低8.4%、13.1%、20.3%，伸长率分别降低14.1%、34.3%、52.1%。但多次补焊和热处理的试样抗拉强度、硬度均高于标准要求，这是由于低压铸造使铝合金的性能大幅度提高，可以改善流线缺陷对铝合金性能的不利影响。

硬度试验

未补焊试样热处理后硬度（HB）最高达到98，补焊次数越多，硬度越低，3次补焊试样热处理后硬度（HB）最低，只有86，比母材下降了12.2%，补焊并热处理后合金硬度仍明显高于HB9622001标准要求。

图6 重复补焊和热处理后不同区域硬度分布

力学性能变化机制研究

未焊接和1次焊接后试样中心区域金相组织见图7。可以看出，试样铸态组织为枝晶组织，不够致密，具有微观缩松倾向，在焊接过程中容易出现直径很小的显微气孔。并且焊后组织凝固速度较快，AlSi合金呈明显的枝晶组织，易于在得不到充分补缩时形成缩松。从图7b可以看出，焊缝区域组织、焊接热影响区与铸造基体组织存在较大差异，焊缝区域组织具有明显的条状第二相分布，其在试样拉伸过程中割裂基体，对试样性能产生不利影响。从图7b中还可以看出，试样热影响区组织有所长大，根据HallPetch公式可知，晶粒越大，会导致试样抗拉强度和伸长率降低。综上所述，多次补焊会导致试样力学性能有所降低。

(a) 铸态 (b)焊缝与基体

图7 未焊接试样和1次焊接试样的金相组织

未焊接和多次焊接试样中心区域见图8和表4。从图8a可以看出，ZL104合金铸态组织为枝晶组织，其中存在微观缩松。而ZL104合金1次焊接组织中出现直径为3~6 μm的颗粒状气孔（见箭头处），弥散分布在焊接区域。随着焊接次数增加，气孔数量明显增加，见图8c和图8d。焊接气孔的出现表明试样组织致密度降低，而且气孔的出现会割裂铸件基体，在试样的拉伸过程中成为裂纹源，即试样伸长率随着焊接次数的增加而显著降低。

从表4可以看出，随着焊接次数增加，Mg含量明显降低，这是由于Mg属于易烧损元素，因此在焊接的过程中造成Mg的烧损。而AlSi合金的主要强化相为Mg2Si，焊接区域析出相明显小于母材，导致试样抗拉强度和硬度降低。周中波等研究表明，重复热处理会小幅度降低铝合金的力学性能，补焊与重复熔铸有一定的相似性，也会导致试样硬度的小幅度降低。