銲條合金成分對AA7005鋁合金擠型材銲後熱處理製程之影響

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

銲條合金成分對 AA7005 鋁合金擠型材銲後熱處理製程之影 響

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2212-E-011-008-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人： 吳翼貽

計畫參與人員： 賴昶頌,陳威廷

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 9 月 18 日

銲條合金成分對 AA7005 鋁合金擠型材 銲後熱處理製程之影響

Effects of filler chemical composition on the postweld heat treatability of extruded AA7005 aluminum alloy

（期末報告）

計畫主持人：吳翼貽

計畫參與人員： 賴昶頌、陳威廷

執行單位：國立台灣科技大學機械工程系

中華民國九十五年九月七日

一、摘要

在本年度計畫內係探討銲後熱處理製程 對應用 ER5183、ER5356 及 ER5556 等三 種銲條所得 AA7005 鋁擠型材銲件之機械性 質與抗應力腐蝕性的影響，找尋合適之熱處 理製程，使其具有高強度和高抗應力腐蝕 性；並探討鎂(Mg)、錳(Mn)與鈦(Ti)等合金元 素之含量對析出強化能力及微觀結構的影 響。

實驗結果顯示，使用ER5356 銲條之銲 件不論經T6、T73 或RRA等銲接熱處理製 程，均可改善銲件強度，強度之提昇與所用 之熱處理製程有極大的影響，而本研究所進 行之 7005 鋁合金RRA熱處理製程參數可作 為最佳銲後熱處理製程之選擇。應用 5183 及 5556 銲條所得銲件因銲道與熱影響區界 面間Zn、Mg元素無法穿透擴散層，導致強化 相η’(MgZn

2

)無法充分析出，且銲接過程或熱 處理時銲道之高錳、鎂含量與鋁基材造成 Mg

2

Al

3

、MnAl

6

及(MgMn)

3

Al

10

等相析出，使 銲道機械性質不佳，造成銲件之抗拉強度無 法提升。

二、前言

中高強度 7005(Al-Zn-Mg)屬析出強化型 鋁合金，可藉由熱處理強化其機械性質，其 Cu含量極低(Cu＜0.1%），可避免產生 7000 系列鋁合金常見之銲道熱裂、淬火敏感性不 佳等問題。經過不同時效處理，產生 G.P.

zone、η’(MgZn

2

)、η(MgZn

2

)等數種微觀結 構，來達到析出強化的目的。故熱處理製程 與析出物之大小、數量與分佈，有相當大之 關聯性，對其機械性質及耐蝕性有極大影響。

7000 系列鋁合金使用T6 頂時效(peak ageing)熱處理可得到最高強度，但材料的抗 應力腐蝕性卻達到最低[1]，尤其在含有氯的 環境及厚件的短軸向（ST）方向更為明顯。

若合金經過T73 或T76 煉度的過時效熱處 理，則可使工件具有優良的抗應力腐蝕性 (Stress Corrosion Resistance，SCR)，惟其

強度較T6 煉度者低了 10~15%。AA7005 強 度本身就比高強度鋁合金低，若使用犧牲強 度的T73 煉度，便使強度大打折扣，失去材 料在設計與運用上之優異性。目前能兼具 7005 強度及抗應力腐蝕性之熱處理方法，是 由Cina[2]提出的退化-再時效(Retrogression and Re-Ageing，簡稱RRA)熱處理。在RRA 熱處理製程運用方面之研究[3-7]均顯示RRA 熱處理方法可應用於 7000 系列鋁合金(如 AA7075，AA7150)，來改善其抗應力腐蝕 性，並維持T6 的強度。由先前之研究[8-9]

顯示， AA7005(Al-Zn-Mg)鋁合金經RRA熱處 理後，亦可達到相同效果。

不同煉度的母材微觀組織，會影響銲後 熱影響區之微觀組織與機械性質；熱影響區 受熱循環作用會發生析出物溶解與粗化的現 象[10]。文獻[11-13]指出 Al-Zn-Mg 銲件經合 適的銲後固溶與時效熱處理，可大幅改善銲 道之強度。另外高全盛[14]之研究結果顯示 AA7005 銲件可經由銲後熱處理來改善強度 及抗應力腐蝕性，因此銲條成分對銲道與熱 影響區之析出物型態有相當密切之關係，而 銲後熱處理則對析出物之大小與分佈亦有很 大的影響。

三、實驗方法與步驟 3.1 熱處理製程

本 實 驗 採 用 AA7005 鋁 合 金 方 形 擠 型 管，將尺寸切割為 200mm×50mm，厚度為 4.5mm之平板；應用ER5183、ER5356及 ER5556等三種不同成分之銲條經自動氬銲 後，進行NA(自然時效)、ST(固溶處理)、T6、

T73及RRA等各種不同熱處理製程(如表ㄧ所 示)；再對其銲道、熱影響區及基材做橫截面 微硬度量測、金相顯微組織觀察及析出物分 布情形與其特徵，進而探討銲後各項熱處理 應用在不同銲料對於AA7005鋁合金之機械 性質之影響。

研究所用實驗材料係AA7005鋁合金與 ER5356、ER5183及ER5556鋁合金銲條，

其合金成分經電子微探測儀(EPMA-WDS)分

析後（如表二與表三所示） 。

3.2 硬度實驗

經銲後熱處理之銲件，取其截面用 320 號砂紙依序至 1500 號砂紙研磨，再以 1μm 氧化鋁粉拋光，最後用 keller’s 腐蝕液浸蝕，

以 Mitutoyo MVK-H 微硬度試驗機作定點硬 度量測。荷重及反應時間分別為 300g 及 15 秒，每隔 0.6mm 量測一點，範圍自銲道中心 線至熱影響區及母材，並繪出微硬度分佈曲 線，觀察不同熱處理製程對銲件硬度之影響。

3.3 電子微探分析實驗

本實驗採用 JEOL JXA-8600SX 型之電 子 微 探 分 析 儀 （ Electron Probe Micro- Analyzer，EPMA）進行合金元素分析，觀 察經不同銲後熱處理之銲道、HAZ 與母材其 鋅、鎂、鈦與錳等元素分佈現象。

3.4 應力腐蝕實驗

為避免銲道受到三點應力腐蝕測試應力 集 中 點 的 影 響 ， 故 銲 件 採 用 Four-Point Loaded bent-beam 應力腐蝕測試，取試片之 中央為銲道(如圖 1 所示)，由於試片在內部 兩支撐點所涵蓋的區域(包含銲道、熱影響區 與母材三區)，內應力為最大值且為定值，如 圖 2(A)所示，而在內部支撐點至外部支撐點 所涵蓋之範圍內，應力則線性遞減至零，如 圖 2(B)所示，可同時比較銲道、熱影響區與 母材之抗應力腐蝕能力。

四、結果與討論 4.1 硬度試驗

圖 3 為應用 ER5356 銲條所得銲件經過 NA(自然時效)、ST(固溶處理)、T6、T73 及 RRA 等熱處理製程之微硬度分佈圖。銲道及 熱影響區受銲接熱循環之影響，導致有析出 物溶解現象，硬度大幅度降低，熱影響區域 約為 1.2mm。銲件經 NA 處理後，銲道微硬 度提升至 HV75，母材及熱影響區則略微提 升微硬度至 HV90；銲件經 ST 處理後，使銲 道與母材之鋅與鎂元素達成擴散，將析出物 重溶回基地，有均質化效果。固溶處理後第 三天至第十八天銲件硬度逐漸提高，為熱處 理型鋁合金典型之析出強化效果，到第 18

天以後已不再有明顯變化，銲道微硬度增加 到 HV95，而熱影響區微硬度逐漸增加至 HV105，熱影響區與未受銲接熱循環影響之 未受影響區間的分界已不太明顯。

經 T6、T73 及 RRA 熱處理製程後，母 材 區 未 受 熱 影 響 區 之 微 硬 度 值 分 別 為 AA7005 鋁合金經各式熱處理後之硬度。熱 影響區之硬度值相當於未受熱影響區。銲道 經過 T6 熱處理製程，硬度可大幅提升到 HV140；經 T73 熱處理製程後，銲道強度明 顯提高且高於熱影響區，銲道硬度亦可增加 至 HV125，母材則因兩階段式人工時效熱處 理造成析出物粗化，產生過時效現象，導致 硬度降低；RRA 熱處理則為將析出物回溶後 再析出，使銲道及熱影響區之硬度有效提高 銲道硬度至 HV145。

經 T6、T73 及 RRA 製程中可提高銲道 微硬度之原因與固溶、水淬之製程產生均質 化作用有關；固溶淬火後使銲道內鋅與鎂元 素均勻擴散，形成過飽和固溶體與足夠之空 孔密度，能在後續時效處理，產生析出強化 效果。惟銲道因不同製程參數所產生析出硬 化能力不一，影響析出物之大小與分散密度 之不同，導致其硬度之差異。

圖 4 為AA7005 鋁合金經ER5183 銲接 所得銲件經NA、T6、T73 及RRA四種熱處理 製程後之微硬度分布圖。經銲後NA時效處理 後， AA7005 母材硬度值與銲道有明顯差距，

母材經T6、T73 及RRA三種人工時效熱處理 後，硬度均有略微再提升之現象，而銲道部 分卻呈現出略降的情形，根據Wen [15]指出 5xxx系列鋁合金經過固溶處理後，經低溫熱 處理時在晶界形成β相(Mg

2

Al

3

）；King [16]

觀察Al-Mg-Mn鋁合金亦發現在 200℃-300℃

時晶界會析出連續板狀β相，屬板狀FCC結 構，與基地組織並無方向性，導致基地組織 之抗拉強度降低；Nishi [17]指出在固溶溫度 下當Mn基材之含量在 2%以上及Mg 超過 4.5%以上時，會在晶粒內產生MnAl

6

，導致 基地組織之延展性下降及耐衝擊(impact）性 低；Ratchev [18]指出MnAl

6

分為兩種型態，

一種為長菱狀(rhomboidal） ，大小約 0.1~0.4 μm，低長寬比(aspect）與基地無方向性，

體積不受溫度變化，而另一種MnAl

6

為類板狀

(platelike）尺寸約為 1.2μm，具較高之長寬 比，體積會因高溫而變的粗大化。圖 5 所示 為Al-Mg-Mn合金於 437℃共晶溫度（eutectic temperature）[19]發生兩個不變之反應：液 相＋MnAl

4

→MnAl

6

＋（MgMn)

3

Al

10

，在Mg 含量≧18％，Mn含量 2-3％時發生；另一種 為：液相＋MnAl

6

→Al＋（MgMn)

3

Al

10

，於 Mg含量高於 22％，Mn含量高於 0.5％會發 生，依錳及鎂含量不同而相繼產生MnAl

6

及

（MgMn)

3

Al

10

等化合物析出。在 500℃時，

錳在鋁中可溶解 0.96％，但鎂含量提高至 2

％時，錳含量降至 0.8％。因此可得知Al-Mg 固溶相會受Mn元素增加而減少，而Al-Mn析 出相亦受Mg多寡之影響。綜合以上結果，銲 道部分呈現硬度下降之原因，是因經ER5183 經高溫熔融銲接之銲道，在晶粒基地內形成 MnAl

6

及晶界上會析出β相(Mg

2

Al

3

），造成機 械性質之劣化。

圖 6 所示為應用ER5556 銲條所得銲件 經固熔處理及自然時效處理之微硬度分佈 圖，經固溶均質化熱處理後能有效使銲件改 善偏析現象，並重溶回基地，母材及銲道硬 度均降低至HV60。在銲後自然時效第 10 天 至第三十天期間，判斷銲件受銲接熱循環作 用使銲道、熱影響區析出物溶入基地，因自 然時效時間之增長而有再析出之情形，在期 間內硬度僅略微提升，銲道硬度約為HV80，

母材為 HV100，類似於ER5183 銲件之情 形。是因高溫銲接過程中形成晶粒及晶界之 析出物，如Mg

2

Al

3

、MnAl

6

等，造成銲道機械 性質不佳。

經觀察不同銲件進行不同熱處理製程 後，發現應用 ER5556 及 ER5183 銲條所得 銲件經熱處理後，銲道及熱影響區硬度並未 明顯提高，惟有 ER5356 銲件之銲後熱處理 製程方可提升硬度，不論是採自然時效或是 低溫時效熱處理製程，銲道部分硬度明顯比 未經熱處理大幅增加，熱影響區與母材區強 度亦有改善。

ER5356 銲件經T6 時效處理，銲道及母 材皆因析出強化相η’(MgZn

2

)，而使強度有

明顯提高之趨勢；而T73 過時效熱處理，主 要是針對抗應力腐蝕性而設計，強化效果低 於T6 時效，母材呈過時效現象，但熱影響區 及銲道呈頂時效現象，硬度有明顯提高； RRA 熱處理製程為本研究所進行實驗中最佳銲後 熱處理製程，母材、熱影響區與銲道之硬度 均高於其他熱處理製程，是因經退化-再時效 熱處理製程將粗大之析出相回溶至基地再析 出，使銲件之強度大幅增加。

綜合上述研究結果，銲件施以完整熱處 理（固溶、水淬與時效處理） ，能大幅改善銲 件整體之強度，其中以 T6 熱處理製程而言，

最能提升母材區之強度；而 T73 熱處理製 程，最能增加銲道強度；而 RRA 熱處理製 程，除提升母材區之強度外，亦能使銲道之 強度大幅提高。

4.2 電子微探分析試驗

觀察 AA7005 鋁合金，其析出硬化之主 要元素為鋅與鎂，各佔 4.5wt.%與 1.4wt.%；

而 ER5183、ER5356 及 ER5556 鋁合金銲 條，主要含 5.0wt.%的鎂，呈現出母材高鋅 含量，而銲道高鎂含量之差異。因此本研究 使用 EPMA-EDS 觀察銲件經不同熱處理製 程之母材、熱影響區及銲道之鋅、鎂、錳及 鈦元素擴散現象。

圖 7 至圖 9 分別為ER5356、ER5183 及 ER5556 銲件經熱處理製程從母材到銲道之 定性掃瞄分析示意圖。圖 7 說明ER5356 銲 道及熱影響區經時效熱處理後，鋅含量有明 顯上升之情形，而鎂含量則呈現下降之趨 勢，顯示ER5356 銲件能藉由時效熱處理進 行高溫擴散反應使鎂鋅含量逐漸與母材相 近，因此ER5356 銲件經完整銲後熱處理可 在 銲 道 及 熱 影 響 區 形 成 析 出 強 化 相 η ’

（MgZn

2

） ，可有效提高銲道強度。

ER5356 銲件之熱影響區經 T6 及 RRA

熱處理後其鋅/鎂比提高，顯示具有較佳之強

度，但應力腐蝕敏感性亦較為嚴重，而經 T73

熱處理之熱影響區鋅/鎂比低，代表η’散佈密

度甚低，且其析出物較為粗大，強化效果不

佳，實驗結果與文獻[5]相符。而觀察 ER5183

及 ER5556 銲道之鋅及鎂含量經過熱處理

後並沒有大幅度變化之情況發生，在母材

7005（熱影響區）與銲道間的界面間 Zn，

Mg 元素的落差非常陡峭（sharp），如圖 8 及圖 9 所示，即使經長時間時效也沒有大量 的鋅、鎂元素擴散情形發生，在這薄層內 Zn，Mg 元素起伏甚大，遠離此層即保持原 有的化學組成，意即擴散並未深入銲道或熱 影響區內，說明母材 Zn 元素並不會深入擴散 到低 Zn 含量的銲道中，所以銲道缺乏 Zn 難 以形成析出強化元素，銲道中微量的 Zn 元素 充其量只能扮演固溶強化的角色，而無法藉 時效處理提昇銲道強度。

觀察錳元素於三種銲件之含量變化發 現，ER5356 銲件之銲道及熱影響區經熱處 理後，錳元素有明顯上升的情況，是因擴散 反應造成母材錳元素擴散至熱影響區之影 響。ER5183 及 ER5556 銲件之銲道及熱影 響區因銲道本身高錳含量經銲接後在基地內 容易形成MnAl

6

，而錳元素在時效處理中亦扮 演著提高Mg

2

Al

3

及（MgMn)

3

Al

10

等晶界析出 物形成。上述析出物均會對銲道之機械性質 有不好的影響。

4.3 應力腐蝕測試

經過T6、T73 及RRA熱處理製程之銲 件，加工製成bent-beam試片，以四點施力 法，對試片施加 80%抗拉強度之應力，觀察 銲道、熱影響區與母材之抗應力腐蝕能力，

其結果如表四所示。ER5183 銲件在T6 熱處 理中，僅 33 小時就在銲道產生裂縫，是因在 含鎂量 3wt%以上之 5xxx系銲道，經高溫熔 融下容易析出 Mg

5

Al

8

，具高應力腐蝕敏感 性，且長時間置於常溫下，容易於晶界析出 連續之β相（Mg

2

Al

3

），降低抗應力腐蝕能 力，故銲道發生裂縫時間較快；銲件經T73 與RRA熱處理製程後，母材晶界則因有較大 PFZ及粗大之晶界析出物，具高抗應力腐蝕 性，銲道晶界則因佈滿β相導致應力腐蝕破 裂，雖抗應力腐蝕性高於T6 時效，但仍於 50 小時內便產生裂縫。

ER5183 及ER5556 銲件因銲條成分關 係，經T6、T73 及RRA熱處理製程後，使銲 道 晶 界 處 易 形 成 具 高 應 力 腐 蝕 敏 感 性 之 Mg

5

Al

8

、Mg

2

Al

3

析出物，造成銲道區抗應力 腐蝕能力不佳之原因。

ER5356 銲件則因為銲條中的鎂元素形 成 MgZn2，所以鋁鎂析出物對銲道所造成之 傷害較不明顯，整體組織類似於母材結構，

實驗結果顯示，經過自然時效之抗應力腐蝕 性最差， T6 時效其次，而 T73 擁有最佳之抗 應力腐蝕性，但母材因有明顯的過時效，及 銲道還有殘留之鋁鎂析出物，造成銲道抗應 力腐蝕性較差，產生裂縫。RRA 則擁有接近 於 T73 之高抗應力腐蝕性。文獻[20,21] 指 出 Al-Mg-Mn 合金之應力腐蝕裂縫發生大致 為 分 為 兩 種 部 分 ： 1. 在 晶 界 周 圍 會 析 出 Mg2Al3 導致抗應力腐蝕能力降低；2.鋁合金 會因氫脆導致沿晶（intergranular）破裂，裂 縫皆沿著晶界成長，導致降低材料的強度，

並造成脆性斷裂。此兩種現象導致 5xxx 系銲 道比 7005 母材更容易發生應力腐蝕裂縫。

五、結論

1. AA7005 鋁合金經 ER5356 銲接後，進行 本研究任一熱處理製程均可改善銲件強 度，惟強度之回復量測與所用之熱處理製 程有極大的影響。

2. 應 用 ER5183 及 ER5556 銲 條 所 得 之 AA7005 銲件經施以T6、T73 及RRA熱處 理製程後，並未有效提升強度，銲道與熱 影響區界面間有擴散層導致Zn、Mg元素 無法穿透擴散層，使強化相η’(MgZn

2

) 無法充分析出；銲道經固溶後之時效處理 則易形成晶界析出物β相(Mg

2

Al

3

)，使抗 應力腐蝕能力降低；亦使銲道及熱影響區 之強度無法提升。

3. ER5356 銲道未經熱處理前鋅/鎂含量低 於母材，熱處理後銲道之鋅鎂含量會經擴 散反應與母材達成平衡，銲件經T6 熱處 理製程後，母材具T6 頂時效強度，銲道 則因擴散反應獲得鋅元素而使η’(MgZn

2

) 強化相析出提高強度；經T73 熱處理製 程，母材區具T73 過時效特性，銲道強度 則具頂時效效果。

4. 應用 ER5356 銲條所得之 AA7005 鋁合金

銲件，銲後施以 RRA 熱處理製程，可得

兼具高強度及高抗應力腐蝕性之機械性 質。故本研究所進行之 RRA 熱處理製程 除了為 7005 鋁合金最佳熱處理製程外，

亦為銲後熱處理製程之最佳選擇。

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6

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圖1 四點應力腐蝕試片取樣

(A)四點施力示意圖

(B)四點施力應力分佈圖

圖2 Four -Point Loaded bent-beam 測試試片

（c）

圖 3 AA7005 銲件以 ER5356 銲接後，經各式 熱處理後之微硬度分布圖

圖 4 AA7005 銲件以 ER5183 銲接後，經各式 熱處理後之微硬度分布圖

25mm

127mm 2l4Rolling Direction

Area of the inner

應力

MAX

距離

圖5 Al-Mg-Mn 合金(a)液態(b)450℃相分佈[19]

圖6 AA7005 銲件以 ER5556 銲接後，經各式 熱處理後之微硬度分布圖

（a）

（b）

（c）

圖 7 ER5356 銲件熱處理後之(a)Zn(b)Mg(c)Mn 成分變化

（a）

（b）

（c）

圖8 ER5183 銲件熱處理後之(a)Zn(b)Mg(c）Mn 成分變

(a)

(b)

(c)

圖9 ER5556 銲件熱處理後之(a)Zn(b)Mg(c)Mn 成分變化

表一 銲後熱處理製程表

代號 熱處理製程

NA(Nature Ageing)製程 自然時效 18 天

ST 製程 固溶 470℃/40min+水淬

T6 製程 固溶 470℃/40min+水淬+ 80℃/72hr +人工時效 120℃/72hr

T73 製程 固溶 470℃/40min+水淬+ 80℃/72hr +人工時效 107℃/8hr+168℃/17hr

RRA（180℃）製程

固溶 470℃/40min+水淬+ 80℃/72hr+人工時效 120℃/72hr+退化處理 180℃/20min+人工時效 120℃/72hr

表二 AA7005 合金成分表

7005 合金 成分表

（wt.%）

Zn Mg Mn Zr Fe Cr Si Ti Cu Al

規格值 4.0- 5.0

1.0- 1.8

0.2- 0.7

0.08- 0.2

0.4 - Max

0.06- 0.2

0.35- Max

0.01- 0.06

0.1-

Max Bal.

實測值 4.537 1.269 0.337 0.114 0.024 0.11 0.03 0.025 0.02 93.534

表三 銲條合金成分表

銲條成分表（wt.%） Mn Mg Cr Ti Al

規 格 值

0.05-0.20 4.5-5.5 0.05-0.20 0.06-0.20 Rem.

ER5356

實 測 值

0.134 4.564 0.056 0.022 94.59

規 格 值

0.5-1.0 4.3-5.2 0.05-0.25 0.15 Rem.

ER5183

實 測 值

1.025 5.067 0.054 0.041 93.743

規 格 值

0.5-1.0 4.7-5.5 0.05-0.20 0.05-0.20 Rem.

ER5556

實 測 值

0.71 4.766 0.155 0.097 93.998

表四 銲件經不同熱處理製程對抗力腐蝕之裂縫起始時間表

ER5356 銲件 ER5183 銲件 ER5556 銲件

應力腐蝕

T73 T73 RRA RRA T6 T73 RRA T6 T73 RRA

厚度

5.19 5.25 5.2 4.9 4.25 4.05 5.12 4.95 3.99 5.19

外加應力

^80％

264Mpa

80％

264Mpa

80％

284Mpa

80％

284Mpa

80％

170Mpa

80％

160Mpa

80％

175Mpa

80％

178Mpa

80％

180Mpa

80％

170Mpa

PH

6.3 6.6 6.6 6.8 6.7 6.7 6.8 6.6 6.6 6.5

撓度（mm) 1.64 1.62 1.74 1.87 1.33 1.31 1.13 1.2 1.5 1.09

時間（hr）

165 × 155 × 33 48 46 35 51 45

斷裂點 銲道 銲道 銲道 銲道 銲道 銲道 銲道 銲道

註：“×”為在實驗過程 168 小時內均無發生破裂。