CN1724701A - 提高铝－锌－镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金领域的铝合金材料热处理方法，其特征是在焊接前对Al－Zn－Mg合金基材高温预析出处理或/和在焊接后对Al－Zn－Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理，本发明不改变合金成分，在保证合金可焊性的前提下能有效提高焊接热影响区应力腐蚀抗力。其中应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC由7.0MPa·m1/2提高到12.8MPa·m1/2，提高约83％；平台区裂纹扩展速率由1.0×10－8m·s－1降低到4.7×10－9m·s－1，降低约53％。
Description
技术领域：
本发明属于冶金领域的铝合金材料热处理方法，尤其是提高Al-Zn-Mg合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法。
背景技术：
Al-Zn-Mg合金具有良好的焊接性能、高的强度、塑性和加工性能，是建筑、军用设施、航空航天器与地面车辆和装备的主要焊接结构材料。但是由于存在抗应力腐蚀性能较差的问题，限制了其应用潜力的进一步发挥。
图1为热处理强化合金焊接接头的组织图。如图所示，Al-Zn-Mg合金的焊接结构件包括非热影响区(基体材料)、热影响区和焊缝三部分。热影响区包括局部熔化区、淬火区和过时效区三部分，非热影响区(基体板材)焊接时未受到热影响，仍旧保持原来的加工纤维状组织。焊缝实际上是铸态组织，晶粒细小，晶内焊后不经热处理就有强化相析出时，焊缝强度就越高，焊接时热裂纹倾向越小。在实际的使用过程中，由于焊缝区有余高，焊接结构件往往断裂在热影响区。
图2为Al-Zn-Mg合金焊接后自然时效焊接接头硬度分布曲线图。从图2的硬度曲线可以看出，硬度值以焊缝中心线为对称轴呈近似对称分布，焊缝区的硬度值最低，其次是热影响区距焊缝中心约17～20mm处。随着距焊缝中心距离的增大，硬度逐渐增加，直至母材焊前的硬度。Al-Zn-Mg合金属于可热处理强化合金，焊接接头的强度在焊接后通过自然时效就能得到回复，随停放时间延长，析出不断增加，热影响区的强度和硬度也随着增加。Al-Zn-Mg热影响区，特别是淬火区是依赖后续自然时效得到强化的，焊后停放时间延长，析出强化不断增加，但这种自然时效状态下应力腐蚀抗力较低。
目前，为提高焊接用Al-Zn-Mg合金的抗应力腐蚀性能，主要从合金化角度出发，添加对合金抗应力腐蚀性能有益的微量元素Zr、Cr和Sc等，试图抑制再结晶，减少大角度晶界。加Cu改变析出相成分和电位，提高合金抗应力腐蚀性能，但降低合金可焊性。Al-Zn-Mg合金在焊接过程中，热影响区不可避免存在过热和再结晶现象，合金化对提高合金抗应力腐蚀性能作用有限。迄今为止，缺乏有效改变可焊合金热影响区晶界析出相及其分布的方法，应力腐蚀抗力未能有效提高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种提高Al-Zn-Mg合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法。该方法不改变合金成分，即在保证合金可焊性的前提下，采用比较简便的热处理方法有效提高焊接热影响区应力腐蚀抗力。
本发明的技术方案是：
在焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理或/和在焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理，从而提高焊接热影响区应力腐蚀抗力。
三种具体方案：
①焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理：合金基材高温固溶后以2-4℃/min速度缓慢降温至380-450℃保温0.5-1.0小时后冷水淬火，淬火后进行人工时效，之后用氩弧焊焊接；
②焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理：用氧乙炔焊枪、燃油喷射器、激光红外或高温热源局部辐射技术对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min。然后取出空冷，自然时效或人工时效。
③焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理，同时焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理：合金基材高温固溶后以2-4℃/min速度缓慢降温至380-450℃保温0.5-1.0小时后冷水淬火，淬火后进行人工时效；用氩弧焊焊接铝基材；之后用氧乙炔焊枪、燃油喷射器、激光红外或高温热源局部辐射技术对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min。然后取出空冷，自然时效或人工时效。
上述方案基于：
Al-Zn-Mg合金的应力腐蚀开裂是沿着晶界发生和发展的，因此抗应力腐蚀性能主要取决于晶界析出相和晶界结构。晶界析出相尺寸越大，间距越宽，抗应力腐蚀性能就越好。晶内析出相通常为GP区、η′、η相，晶界析出相为η相并存在无沉淀析出区。晶内平衡析出相(η相)析出少，亚稳相(GP区、η′)析出多且尺寸小而弥散，沉淀强化效应越显著，合金的强度越高；而晶界析出相(η相)尺寸和间距越大，应力腐蚀抗力越高。
现在，提高合金应力腐蚀抗力的措施是时效调控晶界析出，实质在于时效热处理(双级过时效和回归再时效RRA)利用晶界和晶内在析出热力学和动力学条件上的差异，扩大了晶界与晶内析出相几何形态、成分和结构的差异。但是，时效温度下，固溶体过饱和度大，晶内与晶界析出且析出量不断增加，晶内析出随晶界析出的调控而改变，以致于在提高应力腐蚀抗力的同时，降低合金的强度，致使高强铝合金的强化与韧化相互制约，成为矛盾。
本发明提出将晶界析出相的调控前移至高温固溶阶段或焊接后，即通过高温固溶后缓慢降温处理，在固溶体低过饱和度即小析出驱动力的高温***衡条件下在晶界处产生预析出，形成不连续的晶界析出物，改变最终时效后晶界的析出状态，在保持强度和断裂韧性的同时，显著改善合金Al-Zn-Mg合金焊接热影响区抗应力腐蚀性能。在高温近固溶度即小析出驱动力条件下使晶界优先析出而晶内无析出的高温预析出工艺，改变随后时效中晶界和晶内的析出状态，在保持强度的同时，提高Al-Zn-Mg合金焊接热影响区抗应力腐蚀性能。如图3所示，高温析出具有以下特点：
①高温析出的驱动力下降、析出量可控；
②小驱动力下析出相限于晶界形核，晶内析出被抑制，析出相形核位置可调控；
③恒温时间延长，析出相数量不增仅粗化，有利于形成数量可控的不连续晶界析出物；
④高温析出将提高析出相中Cu的含量，更有效提高富集析出相的晶界的电位，降低晶界与晶内电位差，提高应力腐蚀抗力。
焊接时热影响区处于快速升温固溶和随后快速冷却(空冷)的过程，与高温固溶阶段预析出的条件相似。焊接后的后续高温加热处理对热影响区的组织和性能有类似作用。
本发明的优点和积极效果：
本发明提高Al-Zn-Mg合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法不改变合金成分，即在保证合金可焊性的前提下，采用比较简便的热处理方法能有效提高焊接热影响区应力腐蚀抗力。其中应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC由7.0MPa·m1/2提高到12.8MPa·m1/2，提高约83％；平台区裂纹扩展速率由1.0×10-8m·s-1降低到4.7×10-9m·s-1，降低约53％。
附图说明：
图1为热处理强化合金焊接接头的组织图，焊缝金属1；局部熔化区2；热影响区3；淬火区(粗晶)4；软化区(过时效)5；非热影响区6。
图2为Al-Zn-Mg合金焊接接头硬度分布曲线图。
图3为高温预析出设计思想图。
图4中曲线1是实施例1焊前无高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例1焊前高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。；
图5中曲线1是实施例2焊后无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例2焊后高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。
图6中曲线1是实施例3焊前焊后均无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例3焊前焊后均进行高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。
具体实施方式：
实施例1：
焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理
对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后进行高温析出处理，即以2-4℃/min速度缓慢降温至400℃保温0.5小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。
经焊前高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区硬度(HRB)为73.0，略低于无预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区硬度(73.7)；电阻率为61.5nΩ·m，略低于无预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区电阻率(62.56nΩ·m)。经焊前高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能优于无预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区(KISCC由7.0MPa·m1/2提高至10.0MPa·m1/2。
图4中曲线1是实施例1焊前无高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例1焊前高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。如图1所示，经焊前高温预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能优于无预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区。经焊前高温预析出处理后，应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC由7.0MPa·m1/2提高到10.0MPa·m1/2，平台区裂纹扩展速率由1.0×10-8m·s-1降低到9.3×10-9m·s-1。
实施例2：
焊接后对Al-Zn-Mg合金热影响区高温析出处理
对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后冷水淬火，T61时效。用氧乙炔焊枪对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min。空冷，自然时效45天。
经焊后高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区硬度(HRB)为78.5，略低于无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区硬度(79)；电阻率为55.08nΩ·m，略低于无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区电阻率(56.52nΩ·m)。经焊后高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能优于无预析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区(KISCC由(7.0Pa·m1/2提高至9.4MPa·m1/2。
图5中曲线1是实施例2焊后无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例2焊后高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。如图2所示，经焊后高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能优于无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区。经焊后高温析出处理后，应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC由7.0MPa·m1/2提高到9.4MPa·m1/2左右，平台区裂纹扩展速率约为7.9×10-9m·s-1。
实施例3：
焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理，同时焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理
对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后进行高温析出处理(以2-4℃/min速度缓慢降温至400℃保温0.5小时)，冷水淬火，T61时效，焊接。用氧乙炔焊枪对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min。空冷，自然时效45天。
图6中曲线1是实施例3焊前焊后均无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线，曲线2是实施例3焊前焊后均进行高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区裂纹扩展速率v-应力强度因子KI曲线。如图6所示，焊前焊后均进行高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能明显优于无高温析出处理的Al-Zn-Mg合金热影响区应力腐蚀性能。焊前焊后均进行高温析出处理后，应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC由7.0MPa·m1/2提高到12.8MPa·m1/2，平台区裂纹扩展速率约为4.7×10-9m·s-1。
Claims (6)
1.提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理：合金基材高温固溶后以2-4℃/min速度缓慢降温至380-450℃保温0.5-1.0小时后冷水淬火，淬火后立刻进行人工时效，之后用氩弧焊焊接。
2.提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理：用氧乙炔焊枪、燃油喷射器、激光红外或高温热源局部辐射技术对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min；然后取出空冷，自然时效或人工时效。
3.提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：焊接前对Al-Zn-Mg合金基材高温预析出处理，同时焊接后对Al-Zn-Mg合金焊接热影响区作后续高温加热处理：合金基材高温固溶后以2-4℃/min速度缓慢降温至380-450℃保温0.5-1.0小时后冷水淬火，淬火后进行人工时效；用氩弧焊焊接铝基材；用氧乙炔焊枪、燃油喷射器、激光红外或高温热源局部辐射技术对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min；然后取出空冷，自然时效或人工时效。
4.根据权利要求1所述的提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后进行高温析出处理，即以2-4℃/min速度缓慢降温至400℃保温0.5小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天。
5.根据权利要求2所述的提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天；再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后冷水淬火，T61时效；用氧乙炔焊枪对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min；空冷，自然时效45天。
6.根据权利要求3所述的提高铝-锌-镁合金焊接热影响区应力腐蚀抗力的方法，其特征在于：对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理，固溶工艺制度如下：465℃保温30分钟，升温至470℃保温30分钟，继续升温至475℃保温1小时，冷水淬火，T61时效，焊接后自然时效45天；再对Al-Zn-Mg合金基材固溶处理(工艺同上)，之后进行高温析出处理(以2-4℃/min速度缓慢降温至400℃保温0.5小时)，冷水淬火，T61时效，焊接；用氧乙炔焊枪对Al-Zn-Mg合金焊接后热影响区局部加热，至400-470℃保温2-4min；空冷，自然时效45天。
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