時(shí)效處理對(duì)6061鋁合金MIG焊接頭組織和性能的影響

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 前言

6061鋁合金屬Al-Mg-Si系鋁合金，可焊性良好，適用于TIG、MIG、FSW等多種焊接方法。該合金抗蝕性良好，廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度和高抗蝕性的各種工業(yè)構(gòu)件中，如制造卡車、塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等[1]。但6061鋁合金焊接接頭在焊接熱循環(huán)的作用下會(huì)形成軟化區(qū)，降低接頭的性能及構(gòu)件的承載能力。在此前的研究基礎(chǔ)上，本研究以相同的固溶處理工藝和時(shí)效時(shí)間，通過改變時(shí)效處理溫度，研究時(shí)效溫度對(duì)接頭組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用10 mm厚的6061鋁合金板，焊絲為ER4043，化學(xué)成分分別如表1、表2所示。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分%Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy

表2 ER4043焊絲化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of ER4043 %

1.2 試驗(yàn)步驟

采用MIG焊，V 型坡口，如圖1所示；低碳鋼板作為墊板，采用多層多道焊。焊接保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣。焊接參數(shù)如表3所示。固溶處理工藝為530℃×4 h，時(shí)效時(shí)間6 h，時(shí)效溫度分別為140℃、160℃、180℃、200℃，對(duì)應(yīng)1#~4#接頭。使用NikonEPIPHOT300光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織；采用WDW-200電子液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能；采用HVS-1000顯微硬度計(jì)測(cè)定顯微硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 不同時(shí)效溫度下接頭的顯微組織

觀察金相顯微組織（見圖2~圖5）發(fā)現(xiàn)有第二相β相均勻分布于焊縫中；且焊縫晶粒較為細(xì)小。比較圖2~圖5的熔合區(qū)和熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)：時(shí)效處理溫度較低時(shí)，彌散相β-Mg2Si的分布較為均勻；高溫時(shí)效固溶處理后出現(xiàn)β-Mg2Si的聚集。經(jīng)固溶處理后，過飽和固溶體存在于基體相中，然后在人工時(shí)效時(shí)，時(shí)效初期的Mg、Si原子向周圍擴(kuò)散，聚集在鋁基體相的晶面上，形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，即球狀G.P.區(qū)，該區(qū)域迅速長(zhǎng)大為針狀或棒狀β″相，并有大量空位對(duì)基體產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高合金強(qiáng)度。如果繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)時(shí)間，即形成局部共格的β′過渡相，β′為立方晶體結(jié)構(gòu)，或者呈六立方結(jié)構(gòu)，最后在與基體的界面上以消耗β′過渡相的方式形成穩(wěn)定的β（Mg2Si）強(qiáng)化相[2]。

圖1 坡口設(shè)計(jì)Fig.1 Groove design

表3 焊接規(guī)范參數(shù)Table 3 Welding parameters

圖2 1#接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.2 Microstructure of 1#welding joint

根據(jù)鋁合金的一般脫溶順序：偏聚區(qū)（或稱G.P.區(qū)）→過渡相（亞穩(wěn)相）→平衡相，且在低溫時(shí)效時(shí)形成G.P.-Ⅰ區(qū)和G.P.-Ⅱ區(qū)的程度更大[3]。這表明距離焊縫較近的淬火時(shí)效區(qū)，在低溫時(shí)效形成球狀G.P.區(qū)的程度較大，進(jìn)而析出的平衡相Mg2Si更多。

2.2 不同時(shí)效溫度接頭斷裂方式比較

經(jīng)固溶時(shí)效處理后的試樣均在焊縫區(qū)斷裂，說明經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，焊接接頭軟化區(qū)的性能得到明顯改善。熱處理后的接頭拉伸試樣斷口形貌如圖6所示?？梢钥闯?，1#、2#試樣的斷口有大而深的韌窩，表明材料的塑性變形量較大，強(qiáng)度較低[4]。3#試樣的斷口出現(xiàn)了一些撕裂棱，4#試樣的斷口有很多撕裂棱且呈河流狀分布，說明斷口處塑性變形量小，強(qiáng)度較高。在斷口的微觀形貌中有一些較小的深坑，這些深坑是焊接時(shí)留下的焊接缺陷——?dú)饪譡5]。

圖3 2#接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.3 Microstructure of 2#welding joint

圖4 3#接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.4 Microstructure of 3#welding joint

圖5 4#接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.5 Microstructure of 4#welding joint

2.3 不同時(shí)效溫度下接頭的力學(xué)性能

焊接接頭的強(qiáng)度及塑性曲線如圖7所示。隨著溫度的升高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度先升高后降低，在180℃時(shí)達(dá)到峰值；而延伸率持續(xù)下降，尤其當(dāng)時(shí)效溫度超過180℃后，延伸率急劇降低。

焊接接頭顯微硬度分布如圖8所示。時(shí)效處理溫度的選擇會(huì)影響焊接接頭熱影響區(qū)的硬度恢復(fù)，并不是時(shí)效處理溫度越高，硬度恢復(fù)得越多。

時(shí)效處理的實(shí)質(zhì)是過飽和固溶體自發(fā)分解的過程，從而使沉淀出來(lái)的析出相在基體相中的點(diǎn)陣達(dá)到一種比較穩(wěn)定的狀態(tài)[6]。時(shí)效處理溫度過低，分解的自發(fā)過程越慢，析出相越少，強(qiáng)度恢復(fù)就越?。粫r(shí)效處理溫度過高，分解的自發(fā)過程過快，加速析出相的聚集，會(huì)造成新的軟化區(qū)，從而進(jìn)一步降低其力學(xué)性能[7]。當(dāng)時(shí)效溫度為200℃時(shí)，從焊縫區(qū)到熱影響區(qū)硬度明顯下降。

3 結(jié)論

（1）固溶時(shí)效處理對(duì)6061鋁合金性能影響非常明顯，能有效改善接頭軟化現(xiàn)象。

圖6 6061焊接接頭拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture surface of 6061 welding joint

圖7 時(shí)效溫度對(duì)強(qiáng)度及塑性的影響Fig.7 Effect of aging temperature on tensile strength and elongation

圖8 不同時(shí)效處理溫度下焊接接頭的硬度分布Fig.8 Hardness curve of welding joint with different aging temperature

（2）在相同的固溶條件和時(shí)效時(shí)間下，隨著時(shí)效溫度的升高，接頭中析出的β-Mg2Si逐漸增加，并由均勻分布變?yōu)榫奂植?；接頭的斷裂形式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?；接頭的抗拉強(qiáng)度及延伸率、焊縫和熱影響區(qū)的硬度先升高后降低。

（3）當(dāng)時(shí)效處理工藝為180℃×6 h時(shí)，獲得的接頭組織和綜合力學(xué)性能最好。

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