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引 言

      ZL101 鑄造鋁硅合金具有優(yōu)異的鑄造性能，中等強(qiáng)度的力學(xué)性能， 良好的導(dǎo)熱、 導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)。5×××系鋁合金屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，有導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕性能良好，有電磁波吸收特性，以及良好的加工性能和焊接性能等特點(diǎn)。因此，在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑、 電力通信等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。

1、ZL101 鑄造鋁硅合金組織與性能分析

1．1 ZL101 鑄造鋁硅合金的化學(xué)成分與力學(xué)性能

1.1.1 化學(xué)成分

      ZL101鑄造鋁硅合金，通常實(shí)際產(chǎn)品中化學(xué)成分見GB/T 1173—2013規(guī)定，其中雜質(zhì)元素允許含量見表1。

1.1.2 力學(xué)性能

      GB/T 1173—2013規(guī)定通常鑄造鋁合金實(shí)際產(chǎn)品的力學(xué)性能見表2。

1.2 合金元素對合金性能的影響

      ZL101鑄造Al－Si合金的力學(xué)性能取決于初晶α－Al，共晶Si，二次相金屬間化合物及孔隙的形態(tài)、大小與分布。在鑄造鋁合金中Si能夠改善合金的流動(dòng)性和鑄件氣密性，同時(shí)在一定范圍內(nèi)也能使合金的強(qiáng)度有所提高， 而合金的塑性卻隨之降低。Cu能夠降低合金自然時(shí)效速度，減輕停放效應(yīng)的不良影響，能夠提高合金的抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度，改善合金的切削加工并提高表面光潔度， 而不會(huì)使其鑄造性能下降， 而且還可形成四元的W（Al₄CuMg₅Si₄）相，并可能出現(xiàn)S（CuMgAl₂）相和θ（Cu Al₂）相，并由于Cu也能夠起到部分細(xì)化晶粒作用，因而保證了合金的力學(xué)性能。Cu的存在輕微增加了晶格的剛性，這使得晶體的熱振動(dòng)減弱，因而使得電導(dǎo)率稍微回升。Mg主要是通過時(shí)效強(qiáng)化產(chǎn)生Mg₂Si強(qiáng)化相，提高合金的力學(xué)性能。通常認(rèn)為較高的Mg含量可增加合金的屈服強(qiáng)度， 降低疲勞韌性，還可以抑制Fe的有害作用。

      不同合金元素含量對鑄態(tài)和T6處理態(tài)合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率的影響不同。由相關(guān)研究數(shù)據(jù)可知，當(dāng)w（Si）4％時(shí)，T6處理態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度最大；合金伸長率的變化主要取決于 Cu和Si，鑄態(tài)時(shí)Si的影響最為強(qiáng)烈，T6時(shí)Cu的影響最為強(qiáng)烈，且在各個(gè)元素含量最少時(shí)，伸長率最大；而硬度的變化主要取決于Mg的含量，合金電導(dǎo)率的變化卻主要取決于Cu和 Si，鑄態(tài)時(shí)Si的影響最為強(qiáng)烈，T6時(shí)Cu的影響最為強(qiáng)烈，Mg的影響次之。若在鋁鎂合金中加入w（Mn）0.15％-0.8％，則有利于改善合金的耐蝕性，并可提高合金的強(qiáng)度。若在鋁鎂合金中分別加入w（Ti）0.1％或w（V）0.1％，則可促使其合金獲得細(xì)晶組織。

      因此，在鑄造Al－Si－Cu－Mg合金中Si可提高合金的鑄造流動(dòng)性， 隨著Si含量的增加，在一定范圍內(nèi)也能使鑄鋁合金的強(qiáng)度有所提高，而合金的塑性卻隨之降低；Cu和Mg是鑄造Al－Si合金中2個(gè)最重要的強(qiáng)化元素，其可提高合金的強(qiáng)度，但是，Cu對電導(dǎo)率和伸長率的影響最為顯著，同時(shí)會(huì)影響鑄鋁合金的抗耐蝕能力；Mg對鑄鋁合金硬度的影響最為顯著， 極易發(fā)生熱裂脆性的現(xiàn)象。Fe，Cu，Zn等元素均能使鑄鋁合金的耐蝕性及工藝性變壞，所以應(yīng)該限制其含量。

1.3 鑄造合金元素ZL101常見的鑄造缺陷

1.3.1 氧化夾渣

      鑄造缺陷特征：氧化夾渣多分布在鑄件的上表面，在鑄型不通氣的轉(zhuǎn)角部位，其斷口多呈灰白色或黃色。

1.3.2 氣孔、 氣泡

      鑄造缺陷特征：鑄件壁內(nèi)部所含氣孔一般呈圓形或橢圓形，具有光滑的表面，一般是發(fā)亮的氧化皮，有時(shí)呈油黃色。其中表面氣孔、氣泡可通過噴砂發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部氣孔、氣泡可通過X射線探傷或機(jī)械加工發(fā)現(xiàn)。

1.3.3 縮松

      缺陷特征：鋁鑄件縮松一般產(chǎn)生在內(nèi)澆道附近飛冒口根部厚大部位、 壁的厚薄轉(zhuǎn)接處和具有大平面的薄壁處。在鑄態(tài)時(shí)斷口為灰色，淺黃色經(jīng)熱處理后為灰白淺黃或灰黑色在X射線底片上呈云霧狀，嚴(yán)重的呈絲狀，縮松可通過X射線、熒光低倍、斷口等檢查方法發(fā)現(xiàn)。

1.3.4 夾雜

      鑄造缺陷特征：混入壓鑄件內(nèi)的金屬或非金屬雜質(zhì)，加工后可看到狀態(tài)不規(guī)則，大小、顏色、高度不同的點(diǎn)或孔洞。

1.3.5 脆性

      鑄造缺陷特征：由于鋁合金中雜質(zhì)鋅、鐵、鉛、錫超過規(guī)定范圍；合金液過熱或保溫時(shí)間過長，導(dǎo)致晶粒粗大；激烈過冷使晶粒過細(xì)等原因，造成鑄件基體金屬晶粒過于粗大或極小，使鑄件易斷裂或碰碎。

1.3.6 裂紋

（1） 鑄造裂紋沿晶界發(fā)展，常伴有偏析，是一種在較高溫度下形成的裂紋，在體積收縮較大的合金和形狀較復(fù)雜的鑄件容易出現(xiàn)。

（2） 熱處理裂紋由于熱處理過燒或過熱引起，常呈穿晶形態(tài)的裂紋。其一般在產(chǎn)生應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)較大的合金冷卻過劇，或存在其他冶金缺陷時(shí)產(chǎn)生。

（3） 應(yīng)力腐蝕開裂ZL101鋁合金是一種含硅的合金，應(yīng)力腐蝕的主要原因是共晶硅沿晶界分布，共晶硅和基體之間存在電位差， 形成大陽極小陰極的腐蝕電池，基體作為陽極被腐蝕。晶界腐蝕敏感性低，但是內(nèi)應(yīng)力或雜質(zhì)偏聚會(huì)增加晶間腐蝕敏感性，增大晶間腐蝕級別。使用中在應(yīng)力腐蝕環(huán)境下容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，其是陽極溶解和機(jī)械損傷共同作用的結(jié)果，以陽極溶解為主，該斷口為穿晶脆斷形貌。

（4） 低溫脆斷鑄鋁ZL101鋁合金實(shí)際使用時(shí)，隨著外加應(yīng)力的增加，合金進(jìn)入塑性變形階段，鋁基體在塑性變形過程中產(chǎn)生大量位錯(cuò)塞積在Si相邊界產(chǎn)生應(yīng)力，使Si相發(fā)生破裂。ZLl01合金的裂紋擴(kuò)展過程是斷裂Si相形成的微裂紋在鋁基體中的延伸和連接過程。即合金中破裂Si相周圍的鋁基體產(chǎn)生較大的塑性變形，裂紋之間的鋁基體呈明顯的撕裂特征，裂紋沿著Si相邊界擴(kuò)展，相鄰破裂Si相的基體易被撕裂，使裂紋相連。

2、5×××系鎂鋁合金性能分析

      5×××系列鎂鋁合金，主要元素為鎂，鎂含量在3%-5％之間，又可以稱為鋁鎂合金。5×××系鋁合金屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，通常在加工硬化狀態(tài)或退火狀態(tài)下使用，由于其密度小，質(zhì)量輕，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，耐腐蝕性能良好，有電磁波吸收特性，以及良好的減震、加工性能、焊接性能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、建筑、電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域。

2.1 鋁鎂合金的焊接特點(diǎn)

2.1.1 強(qiáng)的氧化能力

      鋁和氧的親合力很強(qiáng)，5×××系列鎂鋁合金，在空氣中及焊接時(shí)極易氧化，氧化后生成致密結(jié)實(shí)的Al₂O₃， 其熔點(diǎn)約2050℃，非常穩(wěn)定，阻礙母材的熔化和熔合，并且其密度大，不易浮出表面，極易使焊接產(chǎn)生夾渣、未熔合、未焊透和裂紋等缺陷，因此其焊接時(shí)電流宜選擇方波交流的方法焊接。

2.1.2 較高的熱導(dǎo)率和比熱容大

      鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容均為碳素鋼和低合金鋼的2倍多，在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體金屬內(nèi)部，因而焊接鋁及鋁合金時(shí)，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時(shí)也可采用預(yù)熱等工藝措施。

2.1.3 熱裂傾向大

      鋁的線膨脹系數(shù)約為22.9×10^－6/℃， 鐵的為11．7×^10－6/℃， 鋁及鋁臺(tái)金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的2倍。鎂鋁合金凝固時(shí)的體積收縮率較大，達(dá)6.5％，而鐵為3.5％，因而鋁及鋁合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。實(shí)際焊接中通常采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施，以防止熱裂紋的產(chǎn)生。

2.1.4 氣孔敏感性高

      鎂鋁鋁合金液體熔池很易吸收氫等氣體，高溫下溶入的大量氣體在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，聚集在焊縫中會(huì)形成氣孔?；≈鶜夥罩械乃帧⒑附硬牧霞澳覆谋砻嫜趸の降乃?，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，焊接前對母材坡口與焊絲進(jìn)行清理是很必要的。

2.1.5 固態(tài)液化時(shí)無色澤變化

      鎂鋁合金焊接熔池金屬由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，沒有明顯的色澤變化，給焊接操作帶來了不便。

2.1.6 單向

      鋁為面心立方晶格，沒有別的同素異形體， 加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細(xì)化晶粒。5×××系列鎂鋁合金，為不可熱處理強(qiáng)化的鎂鋁合金材料。

3、鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金焊接分析

      從相關(guān)文獻(xiàn)、資料中，目前尚未有鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金焊接實(shí)例借鑒，如果嘗試將這2種鋁合金進(jìn)行焊接，需要有更多的焊接性試驗(yàn)工作和合適的焊接材料研發(fā)工作來實(shí)現(xiàn)。

3.1 鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金焊接工藝分析

      擬嘗試選擇焊接工藝時(shí)，可選擇氬弧焊是較完善的焊接方法，氬離子的陰極破碎可有效去除熔池表面的氧化鋁薄膜，焊接時(shí)無熔渣，不會(huì)產(chǎn)生焊后殘?jiān)鼘宇^的腐蝕，氬氣流對焊接區(qū)域有沖刷、保護(hù)作用，使焊接接頭冷卻加快，從而改善了接頭的組織和性能。在選擇焊接材料時(shí)，焊材的化學(xué)成分中包括合金元素、添加的微量元素及雜質(zhì)元素。合金元素在焊材化學(xué)成分中占主導(dǎo)地位，如A1－Si焊絲中的合金成分主要是Al和Si，A1－Mg焊絲中的主要合金成分是Al和Mg，它們決定了焊絲的使用性能，如力學(xué)性能、焊接工藝性、耐蝕性等。焊材選擇偏Al－Si系列時(shí)，焊接接頭強(qiáng)度和硬度雖然有一定的提高，但是，由于合金伸長率的變化主要取決于Cu和Si，焊接接頭的伸長率很低，當(dāng)焊接接頭缺少一定的韌性儲(chǔ)備時(shí)，極易在使用過程中發(fā)生脆性破裂，給產(chǎn)品的安全使用帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)選用Mg－Al系類的焊材焊接時(shí)，Mg元素的加入均使焊接接頭的強(qiáng)度有一定提高，不同Mg含量的焊絲焊接接頭的屈服強(qiáng)度與伸長率相差不大，抗拉強(qiáng)度并不是隨著Mg含量的增加而線性提高，w（Mg）達(dá)到 0.25％時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高，而且具有最小的屈強(qiáng)比，塑性和強(qiáng)度達(dá)到較好的統(tǒng)一。

3.2 鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金焊接接頭性能分析

      如果嘗試將鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金進(jìn)行焊接，接頭性能上的薄弱環(huán)節(jié)依舊存在于焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)3個(gè)區(qū)域中的1個(gè)區(qū)域之中。就焊縫而言，由于是鑄造組織，即使在焊縫成分同母材基本一樣的條件下，強(qiáng)度可能差別不大，但焊縫塑性一般都不如母材。所有時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，焊后不論是否經(jīng)過時(shí)效處理，其接頭塑性均未能達(dá)到母材的水平。但是，5×××系鎂鋁合金是不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金系列，目前常用的鋁合金焊絲主要是Al－Si系與A1－Mg系列，這2種鋁合金焊絲均屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金。為保證焊縫強(qiáng)度與塑性，由于母材為異種材料焊接接頭，焊縫成分不同于母材，焊縫性能將主要決定于所選用的焊接材料，因此，合理選擇焊接材料十分重要。但是，目前沒有合適性能的焊接材料來匹配這2種材料的焊接。從NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和NB/T47015—2011《壓力容器焊接工藝規(guī)程》中，都沒有推薦出這2種材料焊接方法和焊接材料的選取。氣體絕緣金屬封閉輸電線路用鋁合金外殼殼體制造與壓力容器制造有著極為相近的制造技術(shù)要求，對殼體的強(qiáng)度、塑性、韌性儲(chǔ)備、耐蝕性能、焊接性、殼體的密封性能、耐壓強(qiáng)度、抗外壓失穩(wěn)的穩(wěn)定性等都有一定特殊要求。對于熔合區(qū)，非時(shí)效強(qiáng)化鋁合金的主要問題是晶粒粗化而降低塑性，在時(shí)效強(qiáng)化鋁合金焊接時(shí)，除了晶粒粗化，還可能因晶界液化而產(chǎn)生顯微裂紋，所以熔合區(qū)的變化主要是惡化塑性。對于熱影響區(qū)，存在相當(dāng)程度的接頭軟化問題。這主要是由于焊縫區(qū)存在較為粗大且方向性較強(qiáng)的柱狀晶粒，且在熱輸入的作用下，熱影響區(qū)發(fā)生晶粒長大和再結(jié)晶造成的。對于鑄鋁ZL101側(cè)，鋁及非熱處理強(qiáng)化鋁合金從固態(tài)到液態(tài)無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在無其他細(xì)化晶粒措施的情況下易形成較大的晶粒。同時(shí)在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)性能的變化、焊材中元素的燒損及母材與焊縫成分的差異等因素，導(dǎo)致接頭的耐蝕性低于母材。加之咬邊、氣孔、夾渣、未焊透、材質(zhì)疏松等焊接缺陷破，壞接頭表面氧化膜的連續(xù)性，減小了缺陷處焊縫金屬的耐蝕有效厚度。

4、結(jié)論

      綜上所述，嘗試鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金進(jìn)行焊接，接頭性能上的薄弱環(huán)節(jié)依舊存在，深入地研究鑄鋁ZL101與5×××系鎂鋁合金的焊接性、 開發(fā)新型鋁合金焊接材料是解決鑄鋁ZL101 與5×××系鎂鋁合金焊接問題的前提。