6061鋁合金零件去應(yīng)力工藝研究*

羅 錫，王 祥，喬 平，王智峰

(中國(guó)航空工業(yè)計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安 710068)

0 引言

機(jī)載液冷零件由于需要滿足強(qiáng)度高、重量輕的特點(diǎn)，6061鋁合金材料成為了首選材料。液冷結(jié)構(gòu)件的液冷流道需要通過焊接而成，焊后需要進(jìn)行淬火，加工成型，壓力測(cè)試等工序，在進(jìn)行這一系列工序后，6061鋁合金液冷零件殘余應(yīng)力達(dá)85 MPa左右，需要進(jìn)行殘余應(yīng)力清除，才能保證液冷零件的后續(xù)安全可靠使用。殘余應(yīng)力的常規(guī)方法大約有自然時(shí)效，熱時(shí)效法，振動(dòng)時(shí)效三種。

自然時(shí)效去除殘余應(yīng)力，主要靠環(huán)境變化造成反復(fù)的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力形成的過載下，促使小于應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸及精度獲得穩(wěn)定，但對(duì)殘余應(yīng)力的降低不大，并且時(shí)效周期長(zhǎng)。

熱處理時(shí)效適合熱應(yīng)力(鑄造和鍛造過程中參數(shù)的殘余應(yīng)力)，冷應(yīng)力(機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力)，焊接應(yīng)力(焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力)，熱時(shí)效處理是傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力的方法。熱時(shí)效工藝要求嚴(yán)格，對(duì)爐溫均勻性要求不大于±25℃。

振動(dòng)時(shí)效適合熱應(yīng)力(鑄造和鍛造過程中參數(shù)的殘余應(yīng)力)，冷應(yīng)力(機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力)，焊接應(yīng)力(焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力)，振動(dòng)時(shí)效(VSR Vibratory Stress Relieve)就是在激振設(shè)備周期性在激振力的作用下在某一頻率使金屬工件共振，形成的動(dòng)應(yīng)力使工件在半小時(shí)內(nèi)進(jìn)行數(shù)萬次較大的振幅的亞共振振動(dòng)。使其內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加，達(dá)到一定數(shù)值后，在應(yīng)力最集中處，會(huì)超過屈服極限而產(chǎn)生微小的塑性變形，降低該處的殘余應(yīng)力，并強(qiáng)化金屬基體。在考慮效率和設(shè)備利用方面，選擇熱時(shí)效的方法進(jìn)行去應(yīng)力處理，并進(jìn)行了針對(duì)6061材料的零件進(jìn)行熱時(shí)效工藝研究。

1 6061鋁合金零件性能需求

參照 JB/T4734 －2002《鋁制焊接容器》［1］標(biāo)準(zhǔn)中表4－2推薦的6061材料T4焊狀態(tài)的許用應(yīng)力為41 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)6061液冷零件的硬度指標(biāo)要求，液冷零件硬度指標(biāo)為HR15T＞70，才能確保零件的強(qiáng)度。在該強(qiáng)度下，殘余應(yīng)力水平滿足JB/T4734－2002指標(biāo)要求，才能保證液冷零件的安全可靠。

2 6061鋁合金去應(yīng)力工藝研究

去應(yīng)力時(shí)效設(shè)備:多用途干燥箱DGT3006B，溫度控制精度±1℃，爐溫均勻性±10℃。

硬度測(cè)試:具有自動(dòng)加載，自動(dòng)計(jì)時(shí)，測(cè)試結(jié)果數(shù)字顯示和打印等功能的自動(dòng)全洛氏硬度計(jì)301HRSS－150型。

應(yīng)力檢測(cè):JH－30殘余應(yīng)力檢測(cè)儀。

2.1 不同熱時(shí)效工藝對(duì)硬度影響實(shí)驗(yàn)

為了掌握熱處理時(shí)效對(duì)6061材料液冷模塊硬度的影響，需對(duì)熱時(shí)效工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于液冷零件數(shù)量有限，采用狀態(tài)為6061－T651，材料厚度為1.6 mm的板材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試片大小為50 mm×50 mm進(jìn)行熱時(shí)效實(shí)驗(yàn)［2］。實(shí)驗(yàn)前對(duì)每件試件選取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行HR15T的硬度測(cè)試，算平均值。實(shí)驗(yàn)時(shí)針對(duì)每個(gè)熱時(shí)效溫度選取的時(shí)間為2 h、4 h、6 h等時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每個(gè)溫度的時(shí)間節(jié)點(diǎn)試件為3件。實(shí)驗(yàn)完成后每件試件也選取三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行HR15T的硬度測(cè)試，并算平均值。依據(jù)熱處理手冊(cè)［3］中6061人工時(shí)效硬化曲線的推薦溫度，如圖1所示，溫度主要為121℃、149℃、171℃、204 ℃、232 ℃、260 ℃。

圖1 6061熱時(shí)效硬化曲線

根據(jù)6061液冷零件和設(shè)備性能，選取190℃、200℃、230℃、240℃共四個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行熱時(shí)效溫度、時(shí)間與硬度的工藝實(shí)驗(yàn)。工藝方法為設(shè)備升溫至規(guī)定溫度，將試件放入，到規(guī)定時(shí)間后取出空冷，表1為200℃各時(shí)間段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為不同熱時(shí)效溫度后硬度變化數(shù)據(jù)匯總。通過表2不同熱時(shí)效工藝對(duì)硬度影響結(jié)果來看，要保證6061鋁合金零件性能不發(fā)生明顯變化的工藝曲線為200℃保溫6 h的熱時(shí)效工藝。

表1 200℃熱時(shí)效數(shù)據(jù)

表2 不同熱時(shí)效溫度后硬度變化數(shù)據(jù)

2.2 不同熱時(shí)效對(duì)零件的影響實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同熱時(shí)效對(duì)殘余應(yīng)力去除的效果，進(jìn)行6061鋁合金零件的熱時(shí)效去應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。根據(jù)前述熱時(shí)效對(duì)6061材料試件硬度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇200℃保溫6 h的熱時(shí)效工藝曲線，同時(shí)為了對(duì)比不同熱時(shí)效工藝對(duì)去除殘余應(yīng)力的效果，選擇參考資料2A12_T4鋁合金零件去應(yīng)力處理工藝研究中推薦的熱時(shí)效工藝240℃保溫6 h。不同熱時(shí)效溫度對(duì)6061鋁合金零件硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 6061鋁合金零件去應(yīng)力硬度數(shù)據(jù)

2.3 熱時(shí)效殘余應(yīng)力測(cè)試

為了準(zhǔn)確掌握熱時(shí)效后零件的殘余應(yīng)力狀況，選取6061鋁合金液冷結(jié)構(gòu)件上不同部位進(jìn)行測(cè)試，包括厚板槽、厚板筋、薄板槽、薄板筋四種部位，每個(gè)部位選取兩點(diǎn)，用JH－30殘余應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，殘余應(yīng)力單位MPa，測(cè)試結(jié)果如表4所列。

表4 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表中測(cè)試結(jié)果來看，200℃和240℃熱時(shí)效6 h后的模塊，殘余應(yīng)力水平與原來的85 MPa相比大幅降低，平均值為33 MPa，均小于41 MPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。但240℃熱時(shí)效會(huì)導(dǎo)致零件硬度降低，從而影響其抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)語

通過6061鋁合金零件去應(yīng)力工藝研究，為6061鋁合金零件硬度調(diào)整，選用不同熱時(shí)效工藝提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

通過工藝研究，得出200℃為6061鋁合金熱時(shí)效分界點(diǎn)，200℃熱時(shí)效既能保證零件性能不降低，也能滿足零件去除殘余應(yīng)力后殘余應(yīng)力水平小于41 MPa的需求，從而較好保證6061鋁合金零件的可靠性，提高6061鋁合金零件的壽命。因此選用200±5℃，保溫6 h，取出空冷的熱時(shí)效工藝為6061鋁合金零件去應(yīng)力推薦工藝。

［1］ JB/T4734－2002.鋁制焊接容器［S］.2002.

［2］ 韓延華.2A12_T4鋁合金零件去應(yīng)力處理工藝研究［J］.空間電子技術(shù)，2009(4):121－123.

［3］ 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)［M］.第1卷.第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.