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    • 高强铝合金焊接对板材性能的影响

    • Effect of High-strength Aluminum Alloy Welding on the Properties of Aluminum Alloy Plate

    • 王千瑞

      1 ，

      居晓锋

      1 ，

      李振华

      1 ，

      陈春鑫

      2 ，

      周枫

      2 ，

      毕建国

      2
    • 2024年54卷第10期 页码：116-123   

      纸质出版日期： 2024-10-25 ，

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.14     

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  • 王千瑞，居晓锋，李振华，等.高强铝合金焊接对板材性能的影响［J］.电焊机，2024，54（10）：116-123. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.14.
    WANG Qianrui, JU Xiaofeng, LI ZhengHua, et al.Effect of High-strength Aluminum Alloy Welding on the Properties of Aluminum Alloy Plate[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(10): 116-123. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.14.
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    摘要

    高强铝合金板在焊接过程中，热影响区的存在会导致板材性能下降，影响其使用寿命。为了探究温度试验对高强铝合金板的影响，并优化焊接工艺参数与板材选型，对热影响区的温度变化梯度与层间温度进行了系统研究。采用局部加热、匀质化受热模拟和热影响区层间温度模拟三种方法，分别对高强铝合金板进行受热模拟试验，并对比分析不同温度下板材的显微硬度、强度、延伸率、显微组织和晶粒尺寸等性能指标。研究发现，高强铝合金板的硬度随温度升高而先升高后降低，500 ℃是固溶强化的拐点温度。固溶处理可以增强板材的力学性能，但过长的固溶时间会导致晶粒粗大，降低强化效果。焊接过程中，热影响区对板材性能的影响范围约为6 mm，超过9 mm范围外，板材性能呈梯度分布。通过局部受热模拟工艺的调整，可以使焊接过程中呈现梯度分布的热场能量得到均质化处理，从而获得焊后性能分布优良的铝合金板材。

    译

    Abstract

    High-strength aluminum alloy plates can experience a decrease in performance and a reduction in service life due to the presence of the heat-affected zone (HAZ) during the welding process. To investigate the effects of temperature testing on high-strength aluminum alloy plates and to optimize welding process parameters and plate selection, a systematic study was conducted on the temperature gradient in the HAZ and the interlayer temperature. Three methods were employed for heating simulation tests on the high-strength aluminum alloy plates: local heating, homogenized heating simulation, and interlayer temperature simulation in the HAZ. Comparative analyses were conducted on the microhardness, strength, elongation, microstructure, and grain size of the plates at different temperatures. The study found that the hardness of the high-strength aluminum alloy plates first increased and then decreased with the rise in temperature, with 500 ℃ being the inflection point temperature for solid solution strengthening. Solid solution treatment could enhance the mechanical properties of the plates, but excessively long solution treatment times could lead to coarse grains and reduce the strengthening effect. During welding, the HAZ affected the plate properties within approximately 6 mm, and beyond 9 mm, the plate properties exhibited a gradient distribution. Adjusting the local heating simulation process could homogenize the gradient distribution of thermal field energy during welding, resulting in aluminum alloy plates with excellent post-welding performance distribution.

    译

    关键词

    高强铝合金; 受热模拟; 热影响区; 温度试验; 焊接工艺

    译

    Keywords

    high-strength aluminum alloy; thermal simulation; heat affected zone; temperature test; welding process

    译

    0 引言

    随着轻量化进程的加速，高强度铝合金板在轨道交通、航空火箭、压力容器等领域的应用越来越普及。提高强度和韧性成为板材企业关注的焦点。然而在实际焊接过程中，二次加热引起的晶粒粗大与热影响区的层级扩展，对铝合金板材的焊接性能与力学特性产生了显著影响［

    1-2］。这就对材料设计的前瞻性提出了更高的要求，合金元素的扩散系数、溶解度、弹性畸变的回复性［3］等因素对铝合金板材焊接使用有着重要的作用［3］。
    译

    焊接区域温度升高，合金元素互扩散的距离和烧损量都会有所增加［

    4］。此外，高温弧光下Mg与铝合金表面的氧化膜反应，生成的晶态Al2MgO4氧化物溶解进入母材晶粒，降低了合金原子扩散的阻力。在熔池迁移过程中，晶格被破坏并重新排列，热影响区的晶格在有限空间点位内受到挤压，从而增加了点阵排列的布拉菲格子的弹性畸变能［5-6］。焊接加热过程中，过高的能量会导致合金元素溶解度降低，从而从过饱和基体中析出，造成局部偏聚现象，在后续的自然时效下，这些现象对熔合线处的铝合金组织结构产生了不利影响［7］。
    译

    铝合金板材焊接过程中的环境多变，在隔绝了外部湿度和温度的影响后，更多的还是内部组织晶粒的结构与尺寸的变化，因此建立热影响区域的层间温度变化曲线和实境工况模拟就显得尤为重要［

    8］。目前，为了降低焊缝淬硬性和冷裂纹的扩展倾向，通常对加工件采取预热与控制行进速度、焊枪角度、干伸长等手段来分散焊接过程中的能量累积［9-10］。但是，在高端的应用场景中，对铝合金焊材和板材的内应力、微裂纹要求更为严格。因此，优质的焊缝不仅需要具备足够的断裂韧性，还要确保裂纹扩展率极低。
    译

    热量在空间中的扩展是均匀的，而焊接过程中热量的延伸是有方向的。在板材约束和自由空间快速散热的均衡下，能量会高度集中在焊缝周围20 mm区域内，从而引起铝合金微观晶粒组织结构的剧烈变化［

    11］。弧光能量增加了原子跨越晶界界面的扩散通量，加速了晶粒间界面空洞的闭合［12］，但也干扰了增强相的弥散分布，使得成分与组织的均匀性受到影响［13］。为此，本研究将从化学成分、显微组织、微裂纹与弯曲性能、硬度等多个角度，探讨热模拟对高强度铝合金焊接热影响区的作用机制［14-15］，以期为获得优良焊后加工性的高强铝合金板提供理论依据。
    译

    1 试验材料与方法

    1.1 试验器材

    高强铝合金板；Panasonic焊机；丙酮；角磨机；铜垫板；氩气（99.999%）；海瑞WDW-20E万能拉力机；游标卡尺；千分尺；OLYMPUS BHM型立式金相显微镜；SPECTRO BLUE型等离子光谱仪；HV-1000显微维氏硬度仪；接触式测温仪；数控式火焰切割枪；莱步科技KBF1400-X2箱式炉；10%NaOH。

    译

    1.2 试验条件

    试验用高强铝合金板为轧制态厚板，尺寸250 mm×200 mm×8 mm。采用海瑞WDW-20E万能拉力机和HV-1000显微硬度仪测得的高强铝板的抗拉强度和维氏硬度如表1所示。

    译

    表1  高强度铝板强度和硬度值
    Table 1  Strength and hardness of high strength aluminium sheets
    组别强度/MPa硬度/HV10
    A 412 94.5
    B 420 92.4
    C 408 93.2
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    高强铝合金MIG焊采用的焊丝型号是华通ER5087，直径1.2 mm，焊丝和板材的化学成分如表2所示。

    译

    表2  不同组别的高强铝合金板材和焊丝的化学成分（质量分数，%）
    Table 2  Chemical composition of high strength aluminum alloy sheets with different thickness （wt.%）
    组别SiFeMnMgCrZnTiBeVZrAl
    A 0.03 0.12 0.78 5.30 0.02 0.45 0.04 0.0004 0.02 0.19 Bal.
    B 0.02 0.11 0.78 5.35 0.02 0.44 0.04 0.0004 0.02 0.18
    C 0.05 0.14 0.78 5.36 0.03 0.48 0.05 0.0004 0.02 0.17
    ER5087 0.03 0.11 0.77 4.94 0.08 0.001 0.08 0.0002 0.02 0.12
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    1.3 受热模拟试验方法

    根据试验目的，试验被分为三组。

    译

    A组研究局部加热温度的影响。用数控式火焰切割枪对高强铝合金板材直条部分中心区域进行局部加热，设定加热温度为400 ℃、450 ℃、500 ℃和550 ℃。对于400 ℃、450 ℃和500 ℃三个温度点，分别进行空冷（铝板随空气自然冷却）和水冷试验（将板材置于20 ℃水中强速急冷）。对每个温度点的样品进行宏观裂纹观察、硬度测试和显微组织分析。在加热区两边每隔3 mm取6个点进行硬度值测量，硬度测试取点示意图如图1所示。

    译

    fig

    图1  硬度测试取点示意

    Fig.1  Schematic diagram of hardness test point

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    B组研究的是匀质化受热模拟方式的影响。在450 ℃+水冷的基础上，结合A组对照样，500 ℃固溶处理，处理时间分别为30 min，50 min，80 min，120 min，以探究不同固溶处理时间对铝合金板材性能的影响。

    译

    C组研究热影响区层间温度的影响。通过对接焊控制熔池温度，并使用接触式测温仪评估热影响区层间温度的变化，控制加热区5 mm范围内的温度分别为400 ℃，450 ℃，500 ℃，550 ℃，从而模拟焊接过程中焊缝周围热影响区的温度变化，并观察显微组织，测量硬度和强度的变化。

    译

    受热模拟试验分组如表3所示，A组分为A1~A8，B组分为B1~B4，C组分为C1~C4。

    译

    表3  不同分组的高强铝合金板材的受热模拟方式与层间温度
    Table 3  Thermal simulation and interlaminar temperature of high strength aluminum alloy plates with different thickness
    试样编号局部受热模拟/℃

    热影响区域温度

    （间隔5 mm）/℃

    冷却

    介质

    		固溶处理
    A1 400 280 200 130 空气 —
    A2 450 285 200 135 空气 —
    A3 500 300 220 140 空气 —
    A4 550 340 250 153 空气 —
    A5 400 280 200 130 水冷 —
    A6 450 300 220 140 空气 500 ℃/30 min
    A7 450 300 220 140 水冷 —
    A8 500 300 220 140 水冷 —
    B1 450 300 220 140 水冷 500 ℃/30 min
    B2 450 300 220 140 水冷 500 ℃/50 min
    B3 450 300 220 140 水冷 500 ℃/80 min
    B4 450 300 220 140 水冷 500 ℃/120 min
    C1 对接焊试验，熔池温度控制在690±10 ℃ 400 280 200 水冷 500 ℃/50 min
    C2 450 285 200 水冷 500 ℃/50 min
    C3 500 300 220 水冷 500 ℃/50 min
    C4 550 340 250 水冷 500 ℃/50 min
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    1.4 焊接试验方法

    为了验证焊缝周围热影响区对高强铝合金板材使用性能的影响，采取华通数据库中推荐的铝合金板材最佳焊接工艺参数进行焊接试验。焊接工艺参数如表4所示。

    译

    表4  焊接工艺参数
    Table 4  Welding process parameters
    焊接方法焊接位置焊丝型号

    焊丝直径

    /mm

    		气体
    MIG 平焊 ER5087 1.2 Ar

    气体流量

    /（L·min-1）

    		电流/A电压/V

    预热温度

    /℃

    焊接速度

    /（cm·min-1）

    22 170/210 22/23 100 48~60
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    采用2正+1反的单层单道焊接。焊前用5%丙酮清洗加工试样，保证坡口20 mm范围内无油渍，并放入烘箱100 ℃烘干保温0.5 h，用砂轮机打磨坡口进行焊接，焊接时测量线能量和板材熔合线周围4个点温度。焊后对焊接质量、熔敷金属化学成分和机械力学性能进行检测分析。

    译

    焊接坡口尺寸如图2所示，MIG焊接接头示意如图3所示。

    译

    fig

    图2  焊接试件坡口示意（单位：mm）

    Fig.2  Sketch map of groove of welding sample（unit： mm）

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    fig

    图3  MIG焊接接头组织示意

    Fig.3  Structure Sketch map of MIG welding joint

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    1.5 焊后性能检测方法

    根据GB/T16865要求，将焊接试板切割加工成如图4所示的标准拉伸试样。图中，a为试验铝材厚度，b1为试样宽度，R为过渡弧半径（R≥25mm），B为夹持端长度，h1为过渡段长度，L0为测试的标距长度，Lc为平行长度，L1为试样总长。拉伸弯曲试样的实体加工图如图5所示。切割加工后分别进行显微硬度试验、抗拉强度试验、弯曲试验和金相试验。从而通过对比局部受热模拟与实际焊接过程中存在的性能差异，对高强铝合金差性板材的进一步应用奠定基础。

    译

    fig

    图4  拉伸试验加工

    Fig.4  Drawing of tensile test process

    a=8 mm，B=45 mm，h1=12 mm，R=25 mm，b1=32 mm， L0=80 mm，LC=136 mm，L1=160 mm

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    fig

    图5  焊接板切割测试样品部分实体

    Fig.5  Solid diagram of welded plate cutting test sample part

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    2 试验结果与分析

    2.1 力学性能试验

    试验采用HV-1000显微维氏硬度仪测量高强铝合金板材的显微硬度。如图6所示，离加热区越远，板材硬度受到的影响也就越小。在400 ℃时，硬度变化不明显，但由于固溶强化作用，温度对于铝合金有一个回复增强的过程，因此在6 mm范围内，500 ℃时硬度反而会有一个峰值提升。高温加热使得热影响区中鱼骨状的含Si相有自发转化成片粒状的趋势，同时溶解度曲线的变化也使得过饱和的含Mg、Si相从Al基体中脱溶析出，Si相异常长大，粗化结晶，导致固溶强化作用减弱，故在550 ℃时高强铝合金的显微硬度反而会降低。由图6还可以看出，在超过9 mm的范围外，硬度值基本满足随温度升高而逐渐降低，表明高强铝合金板材开始软化。因此，在设置铝合金差性板时必须考虑焊缝9 mm范围外的软化效应。

    译

    fig

    图6  高强铝合金在不同温度下的HV硬度

    Fig.6  HV hardness diagram of high strength aluminum alloy at

    different temperatures

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    在400 ℃、500 ℃下，空冷和水冷处理对显微硬度的影响如图7所示。水冷条件下，由于铝合金板材内部晶粒来不及散热，晶间内应力增大，但在超过6 mm范围后，500 ℃处理的硬度逐步提升，表明500 ℃是铝合金发生固溶强化的一个拐点温度。

    译

    fig

    图7  400 ℃、500 ℃下空冷和水冷HV硬度对比

    Fig.7  400 ℃， 500 ℃ air/water cooling HV hardness comparison

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    如图8所示，铝板进行450 ℃局部加热后分别采用空冷和水冷，并进行500 ℃+30 min的均质化处理。结果表明，水冷能够提高硬度，这与合金的淬硬性相符。同时无论是空冷还是水冷，保温处理均有助于提高铝合金板材力学性能的均匀性。

    译

    fig

    图8  500 ℃下均质化处理30 min对高强铝合金板空冷与水冷的HV硬度影响

    Fig.8  500 ℃ homogenization treatment for 30 min on HV hardness of high strength aluminum alloy plate with Air and water cooling

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    图9为500 ℃下不同固溶时间对硬度的影响。结果显示，在50 min时达到最佳硬度值。这说明在受热模拟过程中，固溶时间并非越长越好，因为固溶时间过长会导致晶粒粗大，从而抵消强化效果。

    译

    fig

    图9  不同固溶时间对高强铝合金的HV硬度变化

    Fig.9  HV hardness of high strength aluminum alloy with different

    solution time

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    不同固溶时间在室温自然时效3天的铝合金强度和延伸率如表5所示。对于8 mm厚的高强度板材，下屈服强度和抗拉强度都呈现先升后降的趋势，并在50 min时达到最大值。综合硬度、强度和延伸率的试验结果，确定最佳固溶强化参数为500 ℃下保温50 min。

    译

    表5  不同固溶时间的铝板的强度与延伸率
    Table 5  strength and elongation of aluminum sheet with different solution time

    板材

    厚度

    		工艺规范力学性能
    固溶处理自然时效Rm/MPaRp0.2/MPaA/%
    8 mm 500 ℃/30 min

    室温26 ℃，

    3天

    		405 297 15
    500 ℃/50 min 422 334 16
    500 ℃/80 min 414 319 13
    500 ℃/120 min 418 313 11
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    2.2 局部加热与焊接过程中的层间温度对比

    在铝焊丝焊接过程中，熔池温度约为690 ℃。为了准确判断高强铝合金板材的层间温度，本研究通过控制熔池温度和焊丝移动速度，并考虑板材的散热情况，以更好地模拟局部受热模拟的处理结果。焊接速度与局部受热模拟层间温度对比如图10所示，为了实现第一道层间温度在400~550 ℃，焊接速度应控制在52~57 cm/min较为合适。

    译

    fig

    图10  焊接速度与熔池温度对第一道层间温度的影响

    Fig.10  Influence of welding speed and molten pool temperature on the first interlayer temperature

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    在C1~C4组中，5 mm范围内的第一道层间温度线分别设定为400 ℃，450 ℃，500 ℃和550 ℃，与A组不同局部加热温度的试板进行层间温度的对比。如图11所示，两者的偏差系数小于0.17，表明受热模拟工艺可以有效模拟高强铝合金板材焊接过程中产生的性能差异。

    译

    fig
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    图11  焊接与局部受热模拟层间温度比对

    Fig.11  Temperature contrast between welding and local thermal simulation

    2.3 金相试验

    采用OLYMPUS BHM型立式金相显微镜按GB/T3246.1《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》对焊缝及热影响区的5 mm，10 mm，15 mm区域进行显微组织观察试验，腐蚀剂采用10%NaOH。高强铝合金板材受热试样的金相图片如图12所示，C2焊接板经过500 ℃保温50 min的焊缝及周边热影响区的显微组织照片如图13所示。

    译

    fig
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    图12  高强铝合金板材及受热模拟试样显微组织（腐蚀剂：10％NaOH）

    Fig.12  Microstructure of high strength aluminum alloy sheet and thermal simulation sample （corrosion agent：10% NaOH）

    fig
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    图13  C2焊接试板500 ℃保温50 min焊缝及热影响区显微组织（腐蚀剂：10%NaOH）

    Fig.13  Microstructure of C2 weld seam and heat affected zone （HAZ） at 500 °C for 50 min （corrosion agent：10% NaOH）

    如图12a、12b所示，该成分的铝合金板材中均匀弥散分布着黑色含Mn强化相，如（FeMn）Al6和MnAl6，整体晶粒度约为1.85 μm，晶体形貌呈成圆形及椭球形，整体分布均匀细密。如图12c所示，450 ℃空冷条件下可见很多杂色的粗大晶粒，这是由于局部高温加热导致晶格畸变，畸变弹性能增大，晶粒异常长大，同时过饱和的合金元素从Al基体中析出，形成局部聚集的异形晶体。在图12d中，水冷导致局部内应力无法散开，晶界破碎程度高，晶体完整性差，整体晶粒度达到6.59 μm。如图12e所示，经过保温30 min后，晶粒分布整体更加均匀，但相较于50 min固溶强化的效果仍有不足。而经过了500 ℃+50 min的固溶处理后，晶粒结构与原板材相似，虽然有异常粗大的晶粒，但整体晶粒度约为2.29 μm。

    译

    如图13a所示，焊缝区域增强相与Al基体紧密结合，起到了增强增韧的作用，虽然不可避免地导致了晶粒的高温粗大，但经过50 min固溶处理后，晶粒弥散更加均匀，显微组织结构完整性更强，晶体形态分布更有规律。在图13b、13c、13d中，随着距离焊缝越来越远，晶粒尺寸逐渐减小，在5 mm范围内，固溶强化效果还比较明显，而超过9 mm后，材料出现软化区，晶体排列沿着热传导方向重新排列，显示出取向性。这些观察结构为高强铝合金差性板的设计提供了显微组织基础。

    译

    3 结论

    （1）通过对比焊接与局部受热模拟的差异，为高强铝合金板的热影响区的回复与再结晶机制提供了数据支撑，采用匀质化处理和固溶强化可以有效抵消因热影响区温度梯度变化引起的性能差异。

    译

    （2）在高强铝合金板材的热影响区，受影响最严重的区域集中在距焊缝6 mm范围内。当距离超过焊缝9 mm时，铝板性能呈现梯度分布的差异。从显微组织分析来看，这种性能差异主要取决于晶粒尺寸和加强相的弥散分布情况。晶粒尺寸越小，晶体排列越整齐，铝板的韧性越好；晶界完整度越高，加强相弥散越均匀，铝板的强度也相应提高。

    译

    （3）通过调整局部受热模拟工艺，可以使焊接过程中呈现梯度分布的热场能量得到均质化处理，从而获得焊后性能分布优良的铝合金板材。为了避免晶粒粗大带来的强硬度降低，同时达到固溶强化的效果，这种成分的高强铝合金板材最佳受热模拟工艺为：500 ℃固溶强化50 min，可以抵消热影响区6 mm范围内的软化效果。

    译

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