时效处理对6061铝合金MIG焊接头组织和性能的影响

2018-03-19

电焊机 2018年2期

（重庆科技学院，重庆 401331）

0 前言

6061铝合金属Al-Mg-Si系铝合金，可焊性良好，适用于TIG、MIG、FSW等多种焊接方法。该合金抗蚀性良好，广泛应用于要求有一定强度和高抗蚀性的各种工业构件中，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆等[1]。但6061铝合金焊接接头在焊接热循环的作用下会形成软化区，降低接头的性能及构件的承载能力。在此前的研究基础上，本研究以相同的固溶处理工艺和时效时间，通过改变时效处理温度，研究时效温度对接头组织和性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用10 mm厚的6061铝合金板，焊丝为ER4043，化学成分分别如表1、表2所示。

表1 6061铝合金化学成分%Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy

表2 ER4043焊丝化学成分Table 2 Chemical composition of ER4043 %

1.2 试验步骤

采用MIG焊，V 型坡口，如图1所示；低碳钢板作为垫板，采用多层多道焊。焊接保护气体为纯度99.99%的氩气。焊接参数如表3所示。固溶处理工艺为530℃×4 h，时效时间6 h，时效温度分别为140℃、160℃、180℃、200℃，对应1#~4#接头。使用NikonEPIPHOT300光学显微镜观察微观组织；采用WDW-200电子液压万能材料试验机测试力学性能；采用HVS-1000显微硬度计测定显微硬度。

2 试验结果和讨论

2.1 不同时效温度下接头的显微组织

观察金相显微组织（见图2~图5）发现有第二相β相均匀分布于焊缝中；且焊缝晶粒较为细小。比较图2~图5的熔合区和热影响区发现：时效处理温度较低时，弥散相β-Mg2Si的分布较为均匀；高温时效固溶处理后出现β-Mg2Si的聚集。经固溶处理后，过饱和固溶体存在于基体相中，然后在人工时效时，时效初期的Mg、Si原子向周围扩散，聚集在铝基体相的晶面上，形成溶质原子偏聚区，即球状G.P.区，该区域迅速长大为针状或棒状β″相，并有大量空位对基体产生压应力，提高合金强度。如果继续升高温度或延长时间，即形成局部共格的β′过渡相，β′为立方晶体结构，或者呈六立方结构，最后在与基体的界面上以消耗β′过渡相的方式形成稳定的β（Mg2Si）强化相[2]。

图1 坡口设计Fig.1 Groove design

表3 焊接规范参数Table 3 Welding parameters

图2 1#接头各区域的显微组织Fig.2 Microstructure of 1#welding joint

根据铝合金的一般脱溶顺序：偏聚区（或称G.P.区）→过渡相（亚稳相）→平衡相，且在低温时效时形成G.P.-Ⅰ区和G.P.-Ⅱ区的程度更大[3]。这表明距离焊缝较近的淬火时效区，在低温时效形成球状G.P.区的程度较大，进而析出的平衡相Mg2Si更多。

2.2 不同时效温度接头断裂方式比较

经固溶时效处理后的试样均在焊缝区断裂，说明经过固溶时效处理后，焊接接头软化区的性能得到明显改善。热处理后的接头拉伸试样断口形貌如图6所示。可以看出，1#、2#试样的断口有大而深的韧窝，表明材料的塑性变形量较大，强度较低[4]。3#试样的断口出现了一些撕裂棱，4#试样的断口有很多撕裂棱且呈河流状分布，说明断口处塑性变形量小，强度较高。在断口的微观形貌中有一些较小的深坑，这些深坑是焊接时留下的焊接缺陷——气孔[5]。

图3 2#接头各区域的显微组织Fig.3 Microstructure of 2#welding joint

图4 3#接头各区域的显微组织Fig.4 Microstructure of 3#welding joint

图5 4#接头各区域的显微组织Fig.5 Microstructure of 4#welding joint

2.3 不同时效温度下接头的力学性能

焊接接头的强度及塑性曲线如图7所示。随着温度的升高，焊接接头的抗拉强度先升高后降低，在180℃时达到峰值；而延伸率持续下降，尤其当时效温度超过180℃后，延伸率急剧降低。

焊接接头显微硬度分布如图8所示。时效处理温度的选择会影响焊接接头热影响区的硬度恢复，并不是时效处理温度越高，硬度恢复得越多。

时效处理的实质是过饱和固溶体自发分解的过程，从而使沉淀出来的析出相在基体相中的点阵达到一种比较稳定的状态[6]。时效处理温度过低，分解的自发过程越慢，析出相越少，强度恢复就越小；时效处理温度过高，分解的自发过程过快，加速析出相的聚集，会造成新的软化区，从而进一步降低其力学性能[7]。当时效温度为200℃时，从焊缝区到热影响区硬度明显下降。