摘要：ZL～107A铸造铝合金是Al～Si～Cu系铸造高强铝合金。经T5状态热处理后强度可达σb=420～470MPa.在制造大型、高强、复杂关键的工程结构出现缺陷时需要补焊。其焊缝亦要求和母材等强度。因ZL～107A系在ZL～107基础上通过添加多元微量元素合金化而成，对ZL～107A铸造合金的成分、组织、性能及焊接工艺进行了研究。
关键词：铸造；焊接；机械性能
中图分类号：TG 113.26+3　文献标识码：A
文章编号：1000-1646(2000)02-0123-02

Study on weldability of high strength cast aluminium alloy

AN Zhen～zhi,ZHANG Xi～cuan
（School of Material Scienceand Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 10023,China）
WANG Shu～fang
（School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110023,China）

Abstract：ZL～107 A cast aluminium alloy is a high strengt haluminium alloy with the Al～Si～Cu alloy system.After a heat treatment at the Ts temperature its σb can reach 420～470 MPa.Sometimes,the cast defects on large,high strength and complex machinery need repairing by welding,and the weld strength must be the same as the welded metal.As the ZL～107 A alloy is a new type aluminium alloy by adding some alloy elements on the basis of ZL-107 aluminium alloy,its weldability need to be judged by the welding tests.
Key words:cast;welding;mechanicalpropertyy

　　随着现代工程结构向大型、复杂、高强度发展，优质铝合金铸件应用日益增多。对铝合金的综合性能提出了更高的要求。它集中体现在要求具有较高力学性能的同时，又要具有优异的铸造性能。Al－Si－Cu系铸造铝合金结合了Al－Cu系合金力学性能好和Al－Si系铸造铝合金铸造性能好的优点，因而一直是铸造高强铝合金的研究重点。美国的BAE354,前苏联的B124均属Al－Si－Cu系高强铸造铝合金，具有优异的力学性能和良好的铸造性能。我国的ZL－107亦属此系合金。ZL－107中含Cu量较高，故合金的性能还有潜力可挖。通过添加Mg、Zn、Cu、Ti等多种微量元素对合金进行综合强化，获得了一种铸造高强铝合金ZL－107A.合金性能由原来的σb=280～320MPa,σ0.2=210～230MPa,δs=3%～4%分别提高到σb=420～470MPa,σ0.2=325～390MPa,δs=4%～6%,从而使该合金在现代大型、复杂铝合金铸件的生产上获得应用。但是，该种合金的可焊性如何，需要通过焊接工艺进行检验。

1　合金的成分

　　合金的成分如表1所示。

表1　ZL～107A的化学成分

合金元素 含量/%   杂质    含量/%
Si       6.5～7.4 Fe(s) ≤0.12
Cu      3.5～4.5
Zn       0.8～1.2 Fe(J) ≤0.2
Mg      0.1～0.2
Cd     0.1～0.2
Ti      0.1～0.2 其它 每种≤0.05
B     0.01～0.05
Be      0.04～0.1 总和 0.3(s)
Al       其余           0.4(s)

l)、Si、Mg2Si、AlCu、W(AlxMg5Si4Cu4)、TiAl3、AlB2、TiB，按照相图ZL107A在平衡凝固条件下的相组成为α(Al)+Si+Al2Cu+W(AlxMg5Si4Cu4),在铸造大型铸件时，局部结晶缓慢，金相观察时组织组成为α(Al)+(α+Si)+Al2Cu,Al2Cu分布在晶界上。

3　合金力学性能

　　合金力学性能如表2所示。

表2　ZL107A的力学性能

铸造方法 状态 σb/MPa σ0.2/MPa δs/% HBS
砂型     F       175 　           1～2 　
砂型     T5    360～380 　         2～3 125
金属型    F     200 　            1.5 　
金属型    T4     370 　            8～10 　
金属型     T5    420～470 325～390 4～6 145

　　由表2可见，该合金具有较高的综合力学性能。尤其应说明的是，ZL107A的屈服强度很高，且和σb较接近，特别适合制造工程结构中大型复杂的关键铸铝件。

4　合金的焊接工艺

　　铸造结构出现缺陷时，必须焊补。通常铸铝件焊补所用焊丝为331、321、311.311为铝硅焊丝，其抗拉强度σb为118MPa,321为铝锰焊丝，抗拉强度σb为118MPa.根据表2,ZL107A的σb约为420～470MPa,所以这几种焊丝与母材的机械性能差异较大。铸件的技术要求是焊缝应和母材强度一致，所以市售焊丝无法采用。
　　若采用同种材料铸造焊丝用于母材，能否保证其焊缝组织达到预期力学性能，就应仔细考虑其焊接工艺性了。
　　首先，采用同种材料试件浇注成焊丝，对铸态试件试焊，检验焊缝性能。
　　其次，焊接时先不预热。采用较大电流以加快焊接速度。焊接结果则由于焊缝在大电流下熔化速度较快，凝固时又受较大电流影响，容易出现粗大晶粒组织，抗拉强度较低。同时，大电流下焊缝组织易出现裂纹。这种现象已在焊后金相观察及性能试验中得到确认。故这种工艺不宜采用。
　　将试件预热到200～250℃，采用较小电流以待焊处表面刚出现发亮的液斑时填入焊丝熔滴，待熔滴刚润湿焊缝时即将焊缝处电弧向前移动。这样焊的结果是熔池凝固速度快。晶粒较细，有利于提高焊缝的机械性能。这种焊接工艺采用的电流约为180A左右。
　　从母材的成分看来，该系Al－Si－Cu合金，Si和Cu对焊接性无不利影响。而Mg含量在0.1%～0.2%之间，其含量较小，也对焊接性影响不大。总的看来，同种材料铸成的焊丝在焊接冶金中相当于对母材的重熔过程，因而焊缝的金相组织及化学成分与母材能基本保持一致，随同母材进行时效处理时，可以达到焊缝与母材机械性能相一致的效果。
　　焊后对焊缝进行机械性能试验，热处理前试棒均断裂于母材处。这是由于母材系铸造组织，在热处理前晶粒粗大，而焊缝处由于冷速较快，晶粒较细，因而焊缝强度高于母材。这一点在金相观察中已得到证实。而在焊缝随同母材一起进行热处理后，其焊缝断口区与母材在金相观察时组织已趋于一致，无法分辨。这说明在焊接过程中焊缝金属成分基本与母材保持了一致,氩气保护效果还是很好的。焊接过程基本上是一种重熔的过程。在焊缝随同母材热处理后进行测试时，5个试棒有3个断裂于母材，2个断裂于焊缝，其抗拉强度σb均大于400MPa,而铸造部件本体的σb最高只达372MPa,说明焊接是成功的。

5　结论

　　ZL107A是在ZL107基础上添加多元微量元素而发展的一种合金，这种合金机械性能综合指数较高。通过试验，采用适当焊接工艺，这种合金的可焊性还是较好的，焊缝的机械性能可以达到母材的标准。

(邓美艳 编辑)

作者简介：安振之（1944-）,男,山东烟台人,沈阳工业大学工程师.
作者单位：安振之（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
　　　　　张希川（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
　　　　　王书芳（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110023）

参考文献：

［1］林肇琦。有色金属材料学[M].沈阳：东北工学院出版社，1986.
［2］印有胜。金属焊接缺陷及其防止[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1995.
［3］美国金属学会。金属手册[M].北京：机械工业出版社，1994