99.99%的高純鋁、Al-12Si中間合金及99.99%精鎂錠，150 kg、加熱功率為75 kW的坩堝電阻爐熔煉，合金經過熔化、氬氣懸吹精煉、撇渣靜置之后，將溫度調整至720~730 ℃之間，采用熔模低壓鑄造，鑄型為常溫，澆注溫度為730±5 ℃，升液/充型速度為120 mm/s，澆注壓差為40 kPa，結晶時間為80 s。最終澆注成板狀試樣，試樣尺寸為180 mm×40 mm×12 mm，試樣結構見圖1。采用OBLF-QSN-II發(fā)射光譜儀檢測合金成分，結果見表1。通過Quanta FEI 400場發(fā)射掃描電鏡附帶的Oxford 50型能譜儀分析隨著焊接次數的增加，ZL104合金各主要元素的燒損情況。試樣焊接完成后按照HB9632005Ⅰ類標準采用2515射線機，電流為12 mA，電壓為65 kV，完成射線檢測。在試樣上直接機加工出模擬補焊所需凹坑，2次、3次模擬凹坑應與1次模擬凹坑位置相同，見圖2，采用氬弧焊補焊ZL104合金板狀試樣的模擬補焊區(qū)域的凹坑，焊接工藝參數見表2，具體流程見圖3。

圖1 板狀試樣

(a)焊接位置   (b)試樣尺寸

圖2 焊接部位機加工示意圖

圖3 重復熱處理與多次補焊試驗流程

T6熱處理：固溶溫度為540±5 ℃，保溫12 h；淬火轉移時間小于10 s，淬火介質為水,溫度為50~60 ℃，保溫4~5 min。時效溫度為175±5 ℃，保溫11 h，出爐空冷。將焊接好的試樣經T6熱處理，在焊接區(qū)域加工出拉伸試樣，區(qū)域見圖4。

圖4 取樣部位示意圖

采用EPIPHOT 300型金相顯微鏡上觀察其微觀組織。在DDL50電子萬能拉伸試驗機上進行拉伸測試，拉伸速度為2 mm/min，測定試樣抗拉強度、伸長率。試樣硬度測試在THB-3000E電子布氏硬度計上完成。

接頭的無損檢測

圖5為未補焊和1~3次補焊后合金X射線探傷照片。可以看出，每次焊接后，焊區(qū)與母材過渡良好，經X射線檢測符合HB9632005Ⅰ類件要求，外觀檢查無宏觀缺陷，經熒光檢驗未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。 

(a) 未補焊   (b) 1次補焊  (c) 2次補焊  (d) 3次補焊

圖5 合金X射線探傷照片

拉伸試驗

可以看出，每次補焊后試樣抗拉強度、伸長率均有所減小，且斷裂位置均在焊接區(qū)域。1次、2次、3次焊接熱處理后與未焊接試樣相比，抗拉強度分別降低8.4%、13.1%、20.3%，伸長率分別降低14.1%、34.3%、52.1%。但多次補焊和熱處理的試樣抗拉強度、硬度均高于標準要求，這是由于低壓鑄造使鋁合金的性能大幅度提高，可以改善流線缺陷對鋁合金性能的不利影響。

硬度試驗

未補焊試樣熱處理后硬度（HB）最高達到98，補焊次數越多，硬度越低，3次補焊試樣熱處理后硬度（HB）最低，只有86，比母材下降了12.2%，補焊并熱處理后合金硬度仍明顯高于HB9622001標準要求。

圖6 重復補焊和熱處理后不同區(qū)域硬度分布

力學性能變化機制研究

未焊接和1次焊接后試樣中心區(qū)域金相組織見圖7。可以看出，試樣鑄態(tài)組織為枝晶組織，不夠致密，具有微觀縮松傾向，在焊接過程中容易出現(xiàn)直徑很小的顯微氣孔。并且焊后組織凝固速度較快，AlSi合金呈明顯的枝晶組織，易于在得不到充分補縮時形成縮松。從圖7b可以看出，焊縫區(qū)域組織、焊接熱影響區(qū)與鑄造基體組織存在較大差異，焊縫區(qū)域組織具有明顯的條狀第二相分布，其在試樣拉伸過程中割裂基體，對試樣性能產生不利影響。從圖7b中還可以看出，試樣熱影響區(qū)組織有所長大，根據HallPetch公式可知，晶粒越大，會導致試樣抗拉強度和伸長率降低。綜上所述，多次補焊會導致試樣力學性能有所降低。

(a) 鑄態(tài)        (b)焊縫與基體

圖7 未焊接試樣和1次焊接試樣的金相組織

未焊接和多次焊接試樣中心區(qū)域見圖8和表4。從圖8a可以看出，ZL104合金鑄態(tài)組織為枝晶組織，其中存在微觀縮松。而ZL104合金1次焊接組織中出現(xiàn)直徑為3~6 μm的顆粒狀氣孔（見箭頭處），彌散分布在焊接區(qū)域。隨著焊接次數增加，氣孔數量明顯增加，見圖8c和圖8d。焊接氣孔的出現(xiàn)表明試樣組織致密度降低，而且氣孔的出現(xiàn)會割裂鑄件基體，在試樣的拉伸過程中成為裂紋源，即試樣伸長率隨著焊接次數的增加而顯著降低。

從表4可以看出，隨著焊接次數增加，Mg含量明顯降低，這是由于Mg屬于易燒損元素，因此在焊接的過程中造成Mg的燒損。而AlSi合金的主要強化相為Mg2Si，焊接區(qū)域析出相明顯小于母材，導致試樣抗拉強度和硬度降低。周中波等研究表明，重復熱處理會小幅度降低鋁合金的力學性能，補焊與重復熔鑄有一定的相似性，也會導致試樣硬度的小幅度降低。

(a) 未焊接 (b) 1次焊接  (c) 2次焊接 (d) 3次焊接

圖8 不同焊接次數下ZL104合金面掃描組織