時效對6016鋁合金激光焊接接頭力學性能的影響

郭 超，左敦桂，黃 堅，蘇永超，閻 啟，聶璞林，李 芳

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時效對6016鋁合金激光焊接接頭力學性能的影響

郭 超1，左敦桂2, 3，黃 堅1，蘇永超2, 3，閻 啟2, 3，聶璞林1，李 芳1

(1. 上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240；2. 寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900；3.汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室(寶鋼)，上海201900)

對6016鋁合金激光焊接接頭的力學性能開展研究，分析焊后時效熱處理對其力學性能的影響規(guī)律。結果表明：焊后時效處理可以提高焊接接頭的力學性能，采用(180 ℃+10 h)時效處理工藝可將焊縫中心的硬度從58 HV提高到82 HV，可將焊接接頭的拉伸強度從180 MPa提高到274 MPa，時效強化效果明顯。動力學分析表明，6016鋁合金焊接接頭時效強化過程符合 Johnson-Mehl-Avrami (JMA)方程。當時效溫度升高，接頭中強化相體積分數(shù)的變化率也隨之增大，合金硬度上升速率增加，達到峰值硬度所需時間變短。

6016鋁合金；激光焊接；力學性能；時效；動力學分析

隨著近年汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金材料被越來越多地應用于汽車車身制造之中，但是鋁合金的焊接一直是焊接領域的一個難點，阻礙著鋁合金在車身制造方面的應用。首先，鋁合金的熱導率高，在熔焊過程中需要更多的能量產(chǎn)生熔池；其次，鋁合金焊接需要較快的焊接速度，以減少熱傳導時間，控制焊接熱應力及變形。此外，鋁合金對光的反射率高，在焊接過程中只有少部分的能量被吸收用于產(chǎn)生熔池，例如鋁合金對激光的反射率高達90%，因此采用激光焊焊接鋁合金充滿了挑戰(zhàn)。但是相對于其他焊接方法，激光焊具有焊接速度快、線能量高、變形小等優(yōu)點[1?2]，被汽車行業(yè)所廣泛關注。因此，積極開展鋁合金激光焊研究，對于推廣激光焊接在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用，提高汽車性能具有重要意義。目前，已經(jīng)有一些研究聚焦于鋁合金的激光焊接方法[3?6]。例如BERGMANN等[7]采用了脈沖激光與連續(xù)激光復合的方法，獲得了成形良好的6016鋁合金焊縫。近年來高亮度激光器的發(fā)展也為鋁合金激光焊提供了裝備上的保障。

6016鋁合金是一種Al-Mg-Si系鋁合金，該合金被廣泛地應用于汽車覆蓋件[8?9]。6016鋁合金一個突出的特點就是具有時效強化機制。目前已有大量針對6016鋁合金時效行為的研究[10?11]，如PEROVI等[12]研究了6016鋁合金在烘烤硬化(180 ℃+0.5 h)時效條件下的沉淀強化機制；張巧霞等[13]采用AJM方法研究了6016鋁合金在時效過程中的析出動力學，獲得了T4和T4P態(tài)合金GP區(qū)溶解激活能與″相析出激活能；HIRTH等[14]研究了Si含量對6016鋁合金力學性能及其時效動力學過程的影響；MOON等[15]研究了6016鋁合金時效過程中相析出過程及時效強化機制。但是，關于6016鋁合金焊接接頭在時效過程中所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變和性能提升的報道較少，因此，迫切需要開展這方面的研究，以提升6016鋁合金焊接接頭的性能。本文作者針對6016鋁合金激光焊焊接接頭開展研究，關注焊后時效熱處理對6016鋁合金焊接接頭組織和性能的影響規(guī)律，并采用時效動力學理論，分析了焊接接頭在時效過程中硬度的變化，獲得了強化相析出規(guī)律。本研究對于6016鋁合金焊接接頭焊后時效熱處理的優(yōu)化、力學性能的提升具有積極的參考作用。

1 實驗

研究了6016鋁合金激光焊焊接頭組織與力學性能，以及焊后時效熱處理對其力學性能的影響規(guī)律。研究分為3部分：首先采用焊接實驗及組織分析，研究了6016鋁合金激光焊焊接接頭的焊縫成形及顯微組織；隨后采用力學實驗，研究了焊后時效熱處理對6016鋁合金焊接接頭性能影響規(guī)律；最后，采用硬度測量，分析了6016鋁合金焊接接頭時效動力學過程。

本實驗所采用的鋁合金牌號為6016，厚度為1 mm，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：Mg 0.4，Si 1.25，Cu 0.2，F(xiàn)e 0.5，Mn 0.2，Al 余量，其熱處理狀態(tài)為T4態(tài)，顯微組織為固溶態(tài)組織。焊接試驗采用10 kW光纖激光器，該激光器的波長為1060 nm，最大輸出功率為10 kw，焦點直徑為0.6 mm。在焊接前，對鋁合金焊材進行表面處理，具體步驟為：先采用銅刷去除鋁合金表面氧化膜，隨后采用丙酮清洗樣品，最后烘干。所有焊接實驗采用相同焊接工藝，具體工藝參數(shù)為：激光功率4 kW、焊接速度7.2 m/min、焦距為0 mm、激光與試樣表面法線呈10o。在焊接過程中，采用氬氣對熔池進行保護，保護氣流量為20 L/min，送氣角度為與熔池表面呈45°。

焊接接頭成形及顯微組織采用蔡司顯微鏡進行觀察，試樣采用標準金相試樣制作過程(包括切割、研磨、拋光)，顯微組織腐蝕采用Keller試劑(1% HF+1.5% HCl+2.5% HNO3+95% H2O，體積分數(shù))。材料的力學性能采用拉伸試驗和硬度試驗來表征，拉伸試驗在Zwick Z100 萬能材料試驗機完成，相同工藝的試樣重復3次，拉伸尺寸見圖1，硬度試驗在Zwich全自動硬度計上進行。焊后時效熱處理采用德國納博熱加熱爐，溫度變化在±1 ℃。時效溫度為140、160、180及200 ℃，時效時間為0.5~30 h。時效結束后，將試樣迅速投入冷水中，以防止試樣在冷卻過程中繼續(xù)發(fā)生相變。

圖1 焊接接頭拉伸示意圖

2 結果與討論

2.1 焊縫成形及顯微組織

圖2所示為焊接接頭截面宏觀金相照片。由圖2可以看到，焊縫的上表面寬為2.1 mm，下表面寬為1.5 mm，具有典型激光焊焊縫窄的特征。在此截面內(nèi)，沒有觀察到氣孔、裂紋等缺陷，也沒有出現(xiàn)下凹等成形缺陷，焊縫成形良好。

圖2 焊接接頭截面宏觀金相照片

圖3所示為焊接接頭微觀金相照片。由于焊縫區(qū)經(jīng)歷了快速冷卻凝固過程，形成了不同于基體的樹枝晶組織。但是，在焊縫區(qū)不同位置的顯微組織，也呈現(xiàn)出不同的特征[16]。圖3(a)所示為6016母材的金相組織，其形貌表現(xiàn)為典型的等軸晶組織，晶粒的尺寸大約為37.8 μm，在晶粒的內(nèi)部，有大量黑色的析出物。通過EDS的化學能譜分析(見圖4)，確定其化學成分為Al、Fe、Mn、Si。MCKENZIE等[17]也報道了相同的分析結果，并確定該相為Al12Fe3Si和 Al5FeSi。圖3(b)所示為焊縫區(qū)和母材熔合線附近組織，由于該區(qū)域經(jīng)歷快速凝固過程，組織形貌特征表現(xiàn)為柱狀樹枝晶。由于一次枝晶的生長方向受到凝固過程中溫度梯度的影響，因此在焊縫熔合線附近區(qū)域出現(xiàn)垂直于熔合線方向的柱狀樹枝晶，一次枝晶間距約為4.9 μm。圖3(c)所示為焊縫區(qū)中心區(qū)域，其形貌特征表現(xiàn)為等軸狀樹枝晶，而且有明顯的二次枝晶生長，這表現(xiàn)出該區(qū)域合金所經(jīng)歷的冷卻速度較熔合線區(qū)域慢。這區(qū)域等軸狀樹枝晶的晶粒尺寸約為8.6 μm。以上分析表明，在熔池(焊縫)的不同區(qū)域，經(jīng)歷了不同的凝固條件(冷卻速度)，這導致焊縫區(qū)不同位置凝固后形成的組織形貌及晶粒(枝晶)尺寸不同，這種組織的不均勻性必將導致焊縫區(qū)力學性能的不均勻性。

2.2 焊接接頭力學性能

圖5所示為焊接接頭截面上硬度分布。可以看到，6016鋁合金硬度從母材到焊縫中心逐漸降低。其中，母材的硬度是69 HV，而焊縫中心的硬度是58 HV。這表明焊縫存在軟化特征，這不利于焊接接頭性能的提高。圖6所示為母材和焊接接頭的拉伸曲線，可以看到母材的抗拉強度為214 MPa，焊接接頭的抗拉強度為180 MPa，且焊接接頭的拉伸斷裂位置均在焊縫處，這表明焊接接頭的抗拉強度是低于母材的。該結果與硬度測試結果所反應出焊縫性能低于母材的規(guī)律相吻合。為了提高焊接接頭的力學性能，在下面的工作中采用焊后時效熱處理的方法，對合金進行強化。

圖3 焊接接頭截面微觀金相照片

圖4 母材析出相EDS譜

圖5 焊接接頭截面硬度分布

圖6 母材和焊接接頭的拉伸曲線

采用(180 ℃+0.5 h)工藝對焊接接頭進行時效處理。該工藝為6016鋁合金汽車車身烘烤硬化所經(jīng)歷的加熱條件。圖5和圖7所示分別為時效處理后樣品的硬度和拉伸性能。對比未時效樣品的測試結果，可以看到，母材的硬度可以由69 HV提高到74 HV，焊縫中心的硬度由58 HV提高到60 HV；接頭拉伸強度由180 MPa提高到222 MPa。因此，焊后時效處理可以提高6016鋁合金的力學性能。

圖7 焊接接頭在不同時效工藝下的拉伸曲線

2.3 時效工藝對焊接接頭力學性能影響規(guī)律

為研究時效工藝對6016鋁合金焊接接頭力學性能的影響，測量了不同時效溫度和時效時間處理的焊接接頭(焊縫中心位置)硬度，如圖8所示?？梢钥吹剑瑫r效處理工藝(溫度和時間)可以顯著影響6016鋁合金焊接接頭的硬度。首先，在相同時效溫度條件下，焊接接頭的硬度值隨著時效時間的延長先升高再降低，在硬度曲線上存在一峰值。例如，在180 ℃時效工藝下，硬度曲線的峰值存在于10 h，所對應的焊縫中心硬度為82 HV。當時效時間從0 h增加到10 h時，硬度從未時效條件下58 HV一直升高到82 HV；繼續(xù)增加時效時間將導致硬度的緩慢降低，當時效時間達到24 h，硬度降低到79 HV。其次，在不同時效溫度條件下，時效溫度的升高會降低時效強化的效果，具體表現(xiàn)在對峰值硬度和到達峰值硬度所需時效時間的影響。在140~200 ℃時效溫度區(qū)間內(nèi)，峰值硬度隨時效溫度的降低而升高，例如，200 ℃時效溫度獲得的峰值硬度為75 HV，而140 ℃時效溫度獲得的峰值硬度可達85 HV。在140~200 ℃時效溫度區(qū)間內(nèi)，時效溫度越高，到達峰值硬度所需時間越短。例如，140 ℃時效溫度需21 h達到峰值硬度；而200 ℃時效溫度僅需要2.5 h即可達到峰值硬度。

圖8 不同時效工藝下的焊接接頭中心硬度

以上研究結果表明，焊后熱處理工藝的變化會影響到6016鋁合金焊接接頭力學性能，必須合理優(yōu)化時效工藝，才能達到良好的時效強化效果。實驗表明，在烘烤硬化溫度(180 ℃)條件下，時效10 h可達該溫度下最佳強化效果。圖7所示為該時效工藝處理6016鋁合金焊接接頭的拉伸曲線?？梢钥吹剑?016鋁合金焊接接頭的拉伸性能由未處理的180 MPa增加到274 MPa，且高于當前標準烘烤硬化條件(180℃+0.5h)下所取得的強化效果(抗拉強度222 MPa)。

2.4 焊接接頭時效動力學的分析與討論

MATSUDA等[18]研究表明，在6016鋁合金的時效過程中，Mg、Si溶質(zhì)原子從過飽和(Al)固溶體中析出，形成細小彌散強化相，使合金性能得到提高。該過程符合金屬固態(tài)相變動力學理論Johnson-Mehl- Avrami (JMA)方程[19]的描述。假設焊接接頭組織在時效過程中所發(fā)生的強化機制與母材相同，屬時效強化機制，遵守JMA方程所描述的時效動力學一般過程。但是，由于焊縫組織化學元素分布及顯微組織特征相對于母材發(fā)生了明顯變化，這將影響焊縫組織時效動力學過程，導致JMA方程中參數(shù)的數(shù)值變化。在下述討論中，將依據(jù)6016鋁合金焊縫中心位置硬度在時效過程中的變化，研究焊接接頭的時效動力學過程，確定時效工藝對動力學JMA方程參數(shù)的影響規(guī)律。

Johnson-Mehl-Avrami (JMA) 方程可以定義為

式中：為擴撒常數(shù)，并遵循阿累尼烏斯方程；為新相的體積分數(shù)；為相變時間；為與擴散條件相關的常數(shù)。

強化相析出的體積分數(shù)越大，合金的力學性能越高，表現(xiàn)為合金硬度值的提高。因此，合金硬度值的變化與強化相析出體積分數(shù)的變化密切相關。采用強化相析出體積分數(shù)替代Johnson-Mehl-Avrami (JMA) 方程中新相的體積分數(shù)[20]，可以得到：

易杰等[20]研究表明，強化相析出體積分數(shù)可以由時效不同階段的硬度值求得，即：

式中：m為峰時效時的硬度；H為時效時間的硬度；i為未時效時的硬度。需要補充說明的是，式(2)適合于表征鋁合金峰時效之前的動力學過程，即時效硬化階段，而不適合表征過時效過程中的相變行為，即軟化階段的相變行為。采用式(3)分析硬度實驗數(shù)據(jù)(見圖8)，可得時效時間?強化相析出體積分數(shù)關系圖(見圖9)。

通過對式(2)等式兩邊作對數(shù)處理，可以發(fā)現(xiàn)強化相析出體積分數(shù)()與擴散系數(shù)和時效時間具有線性關系，即：

圖10所示為將實驗數(shù)據(jù)進行對數(shù)處理獲得的曲線，可見實驗結果很好地體現(xiàn)出線性特征，符合JMA 方程對合金時效強化行為的描述。

此外，6016鋁合金焊縫組織擴散系數(shù)()和方程指數(shù)()與時效溫度的關系可以通過圖11和圖12中實驗曲線線性擬合獲得，即：

由式(5)可知擴散激活能為30.69 kJ。

圖9 時效時間?強化相析出體積分數(shù)關系圖

圖10 ?關系圖

以上理論分析，表明了時效工藝(時效溫度、時效時間)對6016鋁合金接頭組織時效強化的影響規(guī)律。具體表現(xiàn)為：首先，時效溫度的升高，會導致擴散系數(shù)()和方程指數(shù)()的值都會變大，也就說明時效溫度越高，會導致合金中強化相體積分數(shù)升高越多，合金硬度值上升越快，到達峰值硬度所需的時效時間越短。其次，本研究獲得6016鋁合金接頭的擴散激活能為31 kJ/mol，此激活能數(shù)值與Al-Mg-Si合金中GP區(qū)的擴散激活能數(shù)值接近[21]，因此可以推斷焊接接頭在時效過程中GP區(qū)的形成。文獻[15]的研究表明，6016鋁合金母材在時效過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變過程為：相?GP區(qū)?″相?′相?相?！逑?、′相、相的激活能數(shù)值高于GP區(qū)的激活能。因此，6016鋁合金焊接接頭的時效組織不同于6016母材的時效組織，這也導致接頭和母材在時效后力學性能的不同。2.2節(jié)中的硬度試驗表明，時效后焊縫的硬度低于母材的硬度。

圖11?[?1000/(RT)]關系圖

圖12 方程指數(shù)n與時效溫度T關系圖

3 結論

1) 6016鋁合金焊接接頭組織及力學具有不均勻性，導致焊縫中心區(qū)域為等軸狀樹枝晶，晶粒較粗，硬度值較低(58 HV)；熔合線附近區(qū)域為柱狀樹枝晶，枝晶較細，硬度較高(66 HV)，但仍低于母材的(69 HV)。

2) 焊后時效熱處理可以提高6016鋁合金焊接接頭力學性能，(180 ℃+10 h)時效工藝處理焊接接頭焊縫中心硬度可達82 HV，拉伸強度可達274 MPa，高于未處理焊接接頭拉伸強度(180 MPa)。

3) 6016鋁合金時效過程符合Johnson-Mehl- Avrami (JMA)方程，在120~200 ℃時效溫度范圍內(nèi)，時效溫度的升高，會導致擴散系數(shù)()和方程指數(shù)()的值都會變大，即時效溫度越高，合金中強化相體積分數(shù)升高越多，合金硬度值上升越快，到達峰值硬度所需的時效時間越短。

4) 通過采用JMA方程分析不同時效工藝下焊接接頭硬度值，獲得6016鋁合金焊接組織擴散激活能為31 kJ。

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(編輯 王 超)

Effects of aging on mechanical properties of laser welded 6016 aluminum alloy joint

GUO Chao1, ZUO Dun-gui2, 3,HUANG Jian1, SU Yong-chao2, 3, YAN Qi2, 3, NIE Pu-lin1, LI Fang1

(1. Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 3. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels, Shanghai 201900, China)

The mechanical properties of laser welded 6016 aluminum alloy joint were investigated firstly, and then the influence of aging process on the mechanical properties was analyzed. The results show that the mechanical properties of welded structure without post-weld heat treatment are lower than that of base metal. After an aging treatment of (180℃+ 10 h), the hardness at the center of welded joint can increase from 58 HV to 82 HV as well as the tensile strength from 180 MPa to 274 MPa. The dynamics analysis shows that the age-hardening process of the joint agrees the Johnson-Mehl-Avrami (JMA) law. The increase rates of volume fraction of strengthening phase and hardness of the joint increase with increasing of the aging temperature. The duration time of aging for obtaining maximum hardness decreases with increasing of the aging temperature. It is firmly believed that this work offers a positive reference for optimizing the aging process of welded 6016 aluminum alloy joint and improving its resultant mechanical properties.

6016 aluminum alloy; laser welding; mechanical property; aging process; dynamics

2015-08-11; Accepted date:2016-02-26

NIE Pu-lin; Tel: +86-21-54748940-8022；E-mail: nplhxy@sjtu.edu.cn

1004-0609(2016)-10-2049-07

TG113.26

A

2015-08-11；

2016-02-26

聶璞林，助理研究員，博士；電話：021-54748940-8022；E-mail: nplhxy@sjtu.edu.cn