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 出驱动力的高温近平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1.0×10-8 m·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。