韩丽娟，李小欣，李继承

（1.平高集团有限公司，平顶山467001；2.河南平高电气股份有限公司，平顶山467001）

0 引 言

铝合金由于密度小、比强度高、耐蚀性好、无磁性、成形性好以及低温性能好等特点而广泛应用于工业领域。2A12（LY12）硬铝合金是一种共晶型高强度硬铝合金，具有优良的综合力学性能，在航空、航天、舰船制造等领域［1］用于制造各种承受高载荷的零件和结构件，如飞机的骨架、蒙皮、翼肋、翼梁、隔框零件铆钉［2-3］等。作为典型的硬铝合金，2A12铝合金的焊接性较差，主要表现在易氧化、易产生气孔、易产生热裂纹以及接头不等强度等方面，焊接时需要采取一定的工艺措施才能获得性能优良的焊接接头。刘守法等［4］利用不同形状的搅拌头对高强度异种铝合金2024-T3与7075-T6进行了搅拌摩擦对接焊，并对焊缝的宏观形貌、硬度及接头的拉伸性能、断口形貌进行了分析；严军等［5］对8mm厚2A12铝合金板进行了CO2激光-MIG（熔化极惰性气体保护焊）复合焊接，讨论了焊接电压和焊接速度对焊缝几何参数的影响，认为熔深和母材熔化面积取决于焊接速度，此外他们还研究了接头的显微组织和力学性能；许良红等［6］分析了微观组织对MIG焊接接头冲击韧性的影响，认为在焊接过程中生成的CuAl2是影响接头冲击性能的主要因素。到目前为止，大部分研究人员的研究重点主要集中在焊接方法及工艺对2A12铝合金焊接接头的影响，而关于焊丝对其焊接性能影响的研究则鲜见报道。鉴于此，作者采用不同牌号的焊丝对2A12硬铝合金进行了逆变氩弧焊接，研究了焊丝对焊接接头显微组织、强度和硬度的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用母材为2A12-T4（固溶热处理＋自然时效状态）铝合金，其尺寸为330mm×125mm×5mm，化学成分见表1。母材焊接坡口形式为“Y型”，焊接方式为对接焊，坡口尺寸如图1所示。选用BJ-380A（北京航天材料及工艺研究所）和ER4043（郑州船王有限公司）焊丝，二者均为光亮直丝，直径为4mm，焊前不需酸洗，它们的化学成分见表2。

在OTC ADMIRAL 500W 型氩弧焊机上进行TIG（钨极氩弧焊）焊接。焊前用钢丝刷或砂轮将2A12铝合金坡口两侧20mm范围内的氧化膜清理干净，然后用干净的棉布蘸酒精或丙酮溶液擦拭，以除去油污、氧化物等。然后按表3所示的工艺参数进行焊接，焊后进行检验，焊缝外表面应光滑，不允许有裂纹、气孔和咬边等焊接缺陷。

表1 2A12铝合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of 2A12aluminum alloy（mass） %

表2 两种焊丝的化学成分（质量分数）Tab.2 Chemical composition of two kinds of welding wires（mass） %

图1 母材坡口尺寸Fig.1 Size of base metal groove

表3 焊接工艺参数Tab.3 Welding parameters

1.2 试验方法

图2 拉伸和硬度试样截取示意Fig.2 A bridged general view of sampling for tensile properties testing and hardness testing

焊后，按图2所示截取硬度试样和拉伸试样。按照GB/T 231-2009《金属材料布氏硬度试验》制备硬度试样，室温下在HB-3000型布氏硬度计上沿垂直于焊缝方向进行硬度测定，同一位置的硬度值取3个试样的平均值；按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样，室温下在WEW-100B型液压万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为1mm·min-1，抗拉强度取3个试样的平均值；采用 Axio Scope.A1型蔡司光学显微镜（OM）及JSM 6510A型扫描电镜（SEM）进行显微组织观察，腐蚀剂为HF、HCl、HNO3和H2O按体积比1∶1.5∶2.5∶95配制成的混合溶液；采用D2phase型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析，铜靶，波长为0.154 06nm，工作电压为30kV，工作电流为10mA。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可知，2A12铝合金母材为铝-铜-镁合金，其组织由黑色块状S强化相Al2CuMg和基体α-Al组成。

由图4和图5可知，两种焊丝接头焊缝区均为典型的铸态枝晶组织，且晶粒生长方向以弯曲形状垂直于焊接方向，具有一定的方向性。这是因为在焊接过程中，靠近焊接熔池的母材为冷基体，焊接熔池熔融液体一般沿热扩散方向凝固结晶生长所致；热影响区晶界粗化，晶粒大小不一，在晶界和晶内均有强化相析出。与图4（a）相比，图5（a）中焊接接头的晶粒更细小；图4（b）与图5（b）无明显区别；但与图4（c）相比，图5（c）的晶界中有更多的第二相析出。有研究表明［6-7］，晶界上共晶组织的脆性大，对焊缝金属的拉伸性能极为不利；同时焊接热输入导致合金中的镁元素被烧损，形成的强化相Mg2Si的数量极为有限，这也会降低接头的抗拉强度。

图3 2A12铝合金母材的显微组织及XRD谱Fig.3 Microstructure（a）and XRD pattern（b）of 2A12aluminum alloy base metal

图4 2A12铝合金焊接接头的显微组织（ER4043焊丝）Fig.4 Microstructure of 2A12aluminum alloy welded joint with ER4043welding wire：（a）welded joint；（b）weld seam zone and（c）heat-affected zone

图5 2A12铝合金焊接接头的显微组织（BJ-380A焊丝）Fig.5 Microstructure of 2A12aluminum alloy welded joint with BJ-380Awelding wire：（a）welded joint；（b）weld seam zone and（c）heat-affected zone

2.2 抗拉强度及硬度

无论采用哪种焊丝，2A12铝合金焊接接头的抗拉强度均在200MPa以上，如表4所示，可达母材强度（约为414MPa）的50%以上；且断裂部位均位于热影响区。这是因为焊接过程中的热输入导致接头热影响区组织粗化，低熔点共晶物偏聚于热影响区组织的晶界间，加之热影响区软化，在拉应力作用导致热影响区先发生断裂。与BJ-380A焊丝相比，ER4043焊丝接头的抗拉强度较高，平均值为281MPa，达到了母材强度的67.9%。

表4 母材及不同焊丝接头的抗拉强度Tab.4 Tensile strength of base metal and welded joint with different welding wires MPa

由图6可知，两种焊丝接头中焊缝与热影响区的硬度均低于母材的（103HB），硬度最低值出现在热影响区，靠近焊缝区；距焊缝越远，硬度逐渐升高，越趋向于母材的；与BJ-380A焊丝相比，ER4043焊丝接头的硬度稍高一些，这与上述其抗拉强度较大的结论相符。

图6 不同焊接接头上距焊缝中心不同距离处的硬度Fig.6 Hardness at different distances from welded joints center

由图7（a）可知，2A12铝合金母材的拉伸断口主要为韧窝型断裂，为韧性断裂，断口上有明显的纤维状特征，存在大量的韧窝和撕裂棱，韧窝尺寸大小不一，这是由于第二相析出及杂质的共同作用造成的［8］，热影响区晶界第二相析出分布如图4（c）和图5（c）所示。与母材相比，焊接接头拉伸断口上的韧窝变少变浅，底部变平，拉伸断裂主要为脆韧混合型断裂。与BJ-380A焊丝相比，ER4043焊丝接头拉伸断口上的韧窝尺寸较小且数量多，这与其焊接接头抗拉强度较高的结论相一致。

图7 2A12铝合金母材及不同焊丝接头拉伸断口的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of 2A12aluminum alloy base metal and welded joints with different welding wires：（a）base metal；（b）ER4043welding wire and（c）BJ-380Awelding wire

3 结 论

（1）两种焊丝接头的焊缝区均为典型的铸态枝晶组织，晶粒生长方向以弯曲形状垂直于焊接方向，具有方向性；热影响区晶界粗化，晶粒大小不一，在晶界和晶内均有强化相析出；与ER4043焊丝相比，BJ-380A焊丝接头热影响区的晶界中有更多的强化相析出。

（2）两种焊丝接头的抗拉强度均能达到母材的50%以上，断裂部位均位于热影响区；ER4043焊丝接头的抗拉强度为281MPa，为母材的67.9%；两种焊丝接头的拉伸断口均呈脆韧型混合断裂，母材断口呈韧窝型断裂。

（3）两种焊丝接头硬度的最低值出现在热影响区，靠近焊缝区；与BJ-380A焊丝相比，ER4043焊丝接头的硬度稍高一些，但它们均低于母材的（103HB）。

［1］张士林.简明铝合金手册［M］.上海：上海科学技术文献出版社，2001.

［2］TANG Y X，ZHANG Y K，WANG X D，et al.Elastic properties modification in aluminum alloy induced by laser shock processing［J］.Mater Sci Eng：A，2001，297：138-145.

［3］马壮，李应红，汪诚，等.激光冲击处理2A12航空铝合金低循环疲劳寿命影响研究［J］.材料热处理学报，2007，28（增1）：46-48.

［4］刘守法，蔡云，吴松林.不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能［J］.机械工程材料，2014，38（3）：80-84.

［5］严军，高明，曾晓雁.激光-MIG复合焊接2A12铝合金工艺和接头性能［J］.中国有色金属学报，2009，19（12）：2112-2118.

［6］GUO Xu-ming，YANG Cheng-gang，QING Bai-nian.Pulsed MIG welding process of high strength Al-Cu alloy［J］.Transaction of China Welding Institution，2004，25（4）：7-8.

［7］彭云，许良红，田志凌，等.焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响［J］.焊接学报，2008，29（2）：17-21.

［8］许良红，田志凌，彭云.微观组织对高强铝合金接头冲击韧度的影响［J］.机械工程学报，2009，45（7）：108-113.