一種高強度鋁合金焊接接頭的焊后熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高強度招合金加工技術領域，涉及Al-Zn-Mg-Cu型合金(中國國標中命名為7XXX系鋁合金)的熱處理，更具體地，涉及一種Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Zr-Er變形鋁合金板材焊接接頭的熱處理工藝。
【背景技術】
[0002]文獻調查結果表明，高強度鋁合金由于其高的比強度和比剛度、良好的斷裂韌性和耐腐蝕性能、優良的成型性及適于回收利用等特點，是目前航空航天、交通運輸等領域的主體結構材料，尤其是Al-Zn-Mg-Cu合金，其屈服強度基本在500MPa以上，是鋁合金體系中強度最高的一類，被廣泛應用于重要的承力構件中。該型合金的板材和管材在應用中常需要連接加工，目前主要的連接工藝仍為鉚接和螺栓連接。焊接相對于鉚接和螺栓連接具有節省材料、降低自重、密封性好、生產效率高等優點，而該型合金的主合金元素Zn、Mg、Cu含量較高，且在液態鋁基體中的平衡分配系數k/Ι，熔池結晶時，主合金元素在晶界處偏聚析出含Cu的離異共晶相，該相共晶溫度較低，結晶溫度區間較大，在拉伸應力作用下極易產生焊接熱裂紋。因此，該型合金長期以來被視為不可焊接材料。有研究表明，該型合金熱裂紋敏感性大的主要原因是Cu元素含量過高，但足量的Cu元素在該型合金中可以提高沉淀相的彌散度，且自身具有固溶強化效果，另外Cu原子溶入沉淀相ιΓ和η相中，降低晶內和晶界的電位差，抑制沿晶開裂的趨勢，從而提高合金的耐腐蝕性能，所以微量Cu或不含Cu的Al-Zn-Mg合金雖然具有較好的焊接性能，但是難以滿足高強度、良好耐腐蝕性的要求。目前，一些研究者通過適度降低Cu元素含量、調控Zn、Mg元素含量平衡合金的焊接性、強度、耐腐蝕性，同時，微量Er、Zr元素在鋁合金中的有益作用也已被證實，包括細化鑄態晶粒、抑制再結晶、促進時效析出、提尚耐腐蝕性能、改善焊接性等，主要原因是Al、Er、Zr元素能夠形成與Al基體共格的納米級二次析出相。
[0003]基于上述調查，擬采用黃暉等人發明的一種Al-Zn-Mg-Cu合金(成分范圍:Zn7.80 ?8.20wt.%，Mg 2.80 ?3.20wt.%, Cu 0.50 ?0.70wt.%，Mn 0.40 ?0.60wt.%，Zr 0.15 ?0.25wt.%, Er 0.10 ?0.20wt.%, Fe ^ 0.20wt.%, Si ^ 0.15wt.%，余量為Al)板材制備焊接接頭取代目前7075、7050、7055等高強鋁合金的鉚接和螺栓連接結構，該合金T6狀態下的屈服強度、抗拉強度、斷后延伸率分別達到631.7MPa、675.9Mpa、8.8%，力學性能優于或相當于目前應用成熟的7075、7050、7055等合金；同時，前期的熱裂紋敏感性試驗證實該合金熱裂紋敏感性低，滿足焊接材料的要求。但該合金焊接接頭強度損失比較嚴重，T6態母材TIG焊接頭強度僅為436.2MPa。采用熱乳板材的焊接接頭經焊后熱處理可以改善接頭軟化，但焊后熱處理工藝一般直接采用適用于母材的單級固溶+時效工藝，未充分考慮焊接接頭的焊縫與母材中一次相及合金元素分布的差異性，難以充分發掘該合金焊接接頭的強度潛力。
[0004]本發明采用上述熱乳板做為母材，采用合適的焊絲及TIG焊工藝制備焊接接頭，并對接頭進行雙級固溶+人工時效的焊后熱處理，得到高強度的鋁合金焊接接頭，以期取代目前7075、7050、7055等高強鋁合金的鉚接和螺栓連接結構件，具備工業應用的潛力。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種高強度鋁合金焊接接頭的焊后熱處理工藝，該工藝包括雙級固溶+室溫水中淬火+人工時效，其中雙級固溶工藝使焊縫及母材中的一次相充分回溶，增加基體的過飽和度，同時保證母材因再結晶造成的軟化效應不超過一次相回溶造成的硬化效應，最終經人工時效使焊縫和母材均達到較高的硬度值，從而保證焊接接頭具有高的強度。
[0006]—種高強度鋁合金焊接接頭的焊后熱處理工藝，其特征在于步驟如下:
[0007](I)對Al-Zn-Mg-Cu合金熱乳板材進行全自動TIG填絲焊接，該合金成分范圍:Zn7.80 ?8.20wt.%，Mg 2.80 ?3.20wt.%，Cu 0.50 ?0.70wt.% ,Mn 0.40 ?0.60wt.%，Zr0.15 ?0.25wt.%, Er 0.10 ?0.20wt.%, Fe ^ 0.20wt.%, Si ^ 0.15wt.%，余量為 Al ；焊接所用焊絲為Al-Mg-Er系合金，其成分范圍:Mg 4.3?6.5wt.%, Mn 0.4?1.2wt.%，Zr 0.05 ?0.3wt.%, Er 0.1 ?0.6wt.%，余量為 Al ；
[0008](2)對步驟(I)得到的焊接接頭進行雙級固溶處理，具體工藝流程為:470°C保溫90min，然后升溫至500°C保溫20min，然后室溫水中淬火；
[0009](3)對步驟(2)淬火后所得接頭進行時效處理，時效工藝為:120°C保溫24h，然后空冷至室溫。
[0010]進一步，步驟(2)中升溫至500°C的升溫速度不小于10°C /min。
[0011]TIG焊接工藝為:電流類型為正弦波交流，鎢極直徑3mm，鎢極到母材的距離3mm，焊接電流125A，焊接速度27cm/min，送絲速度40cm/min，保護氣體為Ar，正面和背面氣體流量分別為20L/min和10L/min。
[0012]對接頭首先進行470°C /90min固溶處理，此時，焊縫和母材中一次相比例由最初的8.5%和5.2%下降到1.2%和2.0%，可溶一次相基本回溶入基體，基體的過飽和度增加，且母材因再結晶造成的軟化效應低于一次相回溶造成的強化效應；然后以10°C /min的升溫速度將試樣升至500°C保溫20min，此時焊縫和母材中未溶一次相中的主合金元素Zn、Mg繼續回溶入基體，基體過飽和度進一步增加，且母材中合金元素回溶造成的強化與再結晶造成的軟化達到一個平衡，繼續升溫或延長保溫時間都造成母材的進一步軟化。
[0013]對雙級固溶試樣進行室溫水中淬火，然后進行120°C /24h人工時效，時效結束后試樣空冷至室溫。
[0014]采用本發明的技術方案，接頭強度可達到621.6MPa，相比于傳統的470°C /2h固溶+120°C /24h人工時效處理得到的接頭強度589.2MPa，具有明顯的提升效果。
【附圖說明】
[0015]圖1:實施例1后焊縫的背散射電子圖像；
[0016]圖2:實施例1后母材的背散射電子圖像；
[0017]圖3:實施例2中470°C /90min固溶后焊縫的背散射電子圖像；
[0018]圖4:實施例2中470°C /90min固溶后母材的背散射電子圖像；
[0019]圖5:實施例3中470°C /90min+500°C /20min固溶后焊縫的背散射電子圖像；
[0020]圖6:實施例3中470°C /90min+500°C /20min固溶后母材的背散射電子圖像；
[0021 ]圖7:實施例2室溫水中淬火+30天自然時效焊縫及母材硬度值；
[0022]圖8:實施例3室溫水中淬火+30天自然時效焊縫及母材硬度值；
[0023]圖9:實施例4后焊縫及母材硬度值與傳統工藝對比；
【具體實施方式】
[0024]以下例子中提及的％，沒有特別說明都表示質量百分比濃度。
[0025]實施例1:對 2mm 厚 Al-Zn-Mg-Cu 合金(實測成分:Α1_7.83Ζη_2.87Mg