6082铝合金TIG焊接接头深冷处理研究-硕士学位论文

硕士学位论文6082铝合金TIG焊接接头深冷处理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 学科专业 材料科学与工程 研究方向 材料加工工程 作者姓名 指导教师 教授中南大学 年 月中图分类号 学校代码 UDC 学位类别 硕士学位论文6082铝合金TIG焊接接头深冷处理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 作者姓名：学科专业：材料科学与工程研究方向：材料加工工程学院（系、所）：材料科学与工程学院指导教师：教授论文答辩日期 答辩委员会主席 中南大学 年 月中南大学硕士学位论文 摘要6082铝合金TIG焊接接头深冷处理研究摘要：铝合金由于其热导率、线膨胀系数大等特点使其焊后经常出现气孔夹杂焊缝成形不良等焊接缺陷。深冷处理作为一种低成、无污染、不破坏工件的工艺，能有效改善材料的综合力学性能，具有很广阔的应用前景。本文主要研究了不同深冷处理时间和时效温度对6082铝合金TIG焊接接头组织与性能的影响，并结合ABAQUS有限元数值模拟研究了深冷处理对焊接接头残余应力的影响。深冷处理实验研究结果表明：6082铝合金TIG焊接接头最佳深冷时间为12h，焊接接头硬度提高30.55%，抗拉强度提高53.15%，延伸率增加206.72%，焊缝区Mg2Si强化相大量析出且在基体中均匀分布，焊缝区内形成了大的（111）织构；-196/12h深冷处理后的时效处理以150/4h为最佳，在该工艺下，强化第二相析出基本达到动态平衡，焊缝区保留了大量细小再结晶组织，且经过150/4h时效处理后焊接接头耐腐蚀性能最佳。残余应力数值模拟和检测结果显示，实测各点的残余应力值与模拟计算结果吻合良好。深冷处理后焊板各处的纵向和横向残余应力值均有不同程度的降低，且高值应力分布范围缩小，沿焊缝方向上的残余应力消除效果更为显著，最大消除率达27.17%。关键词：6082铝合金；TIG焊；深冷处理；残余应力；数值模拟分类号：TG146.2I中南大学硕士学位论文 AbstractResearch on Cryogenic Treatmentof 6082 aluminum alloyTIG welded jointAbstract:The large thermal conductivity,linear expansion coefficient of aluminum are easy to cause a porosity of welding defects such as inclusions,bad weld forming performance,etc.Cryogenic treatment as a process of non-pollution,little damage to the workpiece,can effectively improve the comprehensive mechanics performance of materials,which has a bright prospect.This paper mainly studied the different cryogenic processing time and aging temperature on microstructure and properties of 6082 aluminum alloy Tungsten Inert Gas arc Welded joints,and studied the cryogenic treatment on the influence of residual stress of it combined with the ABAQUS finite element numerical simulation.The Experimental results of cryogenic treatment indicate that: 12h is the optimal cryogenic time of 6082 aluminum alloy TIG welded joint. Through the process the hardness is increased by 30.55%, tensile strength is increased by 53.15% and elongation is increased by 206.72%, weld area microscopic pored and loose basic eliminated, the strengthening phase of Mg2Si precipitation distributed a lot and uniformly in the matrix. A large number of (111) fiber texture formed in the weld zone. The optimal parameters of aging treatment after -196/12h cryogenic treatment is 150/4h. Through this process the strengthening phase precipitation basically reached the dynamic equilibrium. A large number of tiny recrystallization retained in the weld zone and obtained the optimum corrosion resistance by this process.Numerical simulation and text results of the residual stress shows that the residual stress experiment measuring value are in good agreement with those obtained in the simulation. After cryogenic treatment, the longitudinal and transverse residual stress of the welding plate area decreased in different degrees and the high stress distribution range narrowed. The relieving effect of residual stress along the weld direction is more significant by cryogenic treatment and the maximum residual stress eliminating rate was 27.17% .Keywords:6082aluminum alloy;TungstenInert Gas arc Welding; Cryogenic treatment; Residual stress;Numerical simulationClassification: TG146.2IV中南大学硕士学位论文 目录目录摘要IAbstractIII目录V1文献综述11.1铝及铝合金11.1.1铝及铝合金的特点11.1.2铝及铝合金的分类21.1.3铝及铝合金应用41.2铝合金的焊接51.2.1铝合金的焊接类型51.2.2铝合金常用焊接方法61.2.3铝合金焊接性81.3深冷处理简介91.3.1深冷处理的发展101.3.2深冷处理工艺101.3.3深冷处理设备111.3.4深冷处理应用121.4本文研究的内容和意义122实验材料与方法132.1实验方案132.2实验材料及制备132.3实验方法132.3.1焊接方法和工艺132.3.2深冷处理实验方案142.4力学性能测试142.4.1维氏硬度测试142.4.2拉伸力学性能测试142.4.3抗腐蚀性能测试152.5微观组织观察152.5.1金相组织（OM）观察152.5.2拉伸断口形貌（SEM）观察162.6 X射线衍射物相分析162.7电导率测试162.8残余应力检测163深冷时间对6082铝合金焊接接头组织与性能的影响173.1实验过程和方法173.2实验结果与分析173.2.1硬度测试结果分析173.2.2拉伸力学性能分析193.2.3拉伸断口形貌分析213.2.4金相组织分析223.2.5 X射线衍射分析243.3本章小结264深冷-时效对6082铝合金焊接接头组织与性能的影响274.1实验过程和方法274.2实验结果与分析274.2.1硬度测试结果分析274.2.2拉伸力学性能分析284.2.3拉伸断口形貌分析304.2.4金相组织分析314.2.5电导率测试结果分析334.2.6耐腐蚀性能测试结果分析344.3本章小结375深冷处理对焊接接头残余应力影响有限元模拟和实验研究395.1前处理395.1.1几何模型395.1.2网格划分395.1.3热源模型405.2材料物性参数415.3边界条件415.3.1力学边界条件415.3.2温度边界条件415.4有限元模拟计算流程425.5深冷处理模拟结果与实验验证435.5.1测试原理435.5.2测试方法435.5.3测试结果与模拟结果对比分析445.6深冷处理前后残余应力对比455.6.1深冷前后残余应力场云图分析455.6.2深冷前后残余应力计算结果及分析465.7本章小结496结论51参考文献53硕士期间公开发表论文及获奖情况59致谢61VII中南大学硕士学位论文 1文献综述1文献综述1.1铝及铝合金1.1.1铝及铝合金的特点铝的储量在地壳中仅次于氧和硅，在金属元素中含量最多，其储存量含量超过7%，位于元素周期表中第13位，原子量为26.98，熔点660，密度2.702g/cm3，原子体积为10.0cm3/mol，晶格类型为面心立方结构，晶格常数0.404nm，其抗拉强度b：90120MPa，弹性模量E：6971GPa，屈服极限s：2090MPa等。详细数据如表1-1和表1-2所示。表1-1纯铝的室温力学性能力学性能铸态压力加工退火未退火抗拉强度/MPa902080110150250弹性极限/MPa3040屈服极限/MPa5080120240延伸率/%11120324048断面收缩率/%70905060布氏硬度/HBS10/500243215254055冲击韧度/Jcm-2340抗剪强度/MPa4260100弯曲疲劳强度/MPa5040表1-2纯铝的室温物理性能物理参考量数值物理参考量数值晶格常数/nm4.0494热导率/Wm-1K-1235.2密度/kgm-32.698比热容/Jkg-1K-1934.82熔点/660.24电导率/Sm-164.94沸点/2060线膨胀系数/umm-1k-124.58溶解热/10-5J/kg3.961燃烧热/10-7J/kg3.094铝合金的发展史相对于铁来说起步较缓慢，在很多情况下纯铝的性能都没办法迎合结构材料的应用的性能需求，所以在现实生活生产中铝合金中经常加入某些金属或非金属元素，以提升其综合性能，如：添加Cu能使组织产生化合物CuAl2，有助于提高时效强化程度，添加Mg能加强合金的焊接性能，同时也能加强其抗腐蚀性能，添加Si能让合金的结晶温度下降，有利于形成共晶体，促进铝合金的充形性能等。铝合金的二元相图如下图1-1所示。从图中可以看出，铝合金分割线是最大溶解度n点。其共晶组织存在于最大溶解度n点右边区域，由于其流动性能优良，该合金易于铸造。变形合金存在于最大溶解度点n的左边区域，当温度升高到固溶线 m-n之上，平衡组织将以单相固溶体的形式析出，温度变化会改变其固溶体的组成，则该合金为热处理强化型。在m点左边区域合金，温度变化不会改变其固溶体的组成，该合金为非热处理强化型，此类型的合金的强化只能通过冷作变形，其力学性能无法采用热处理来增强1-4。图1-1铝合金的二元相图1形变铝合金2不可热处理强化铝合金3热处理强化铝合金1.1.2铝及铝合金的分类铝合金按照加工方式、热处理性能和化学元素有不同的分类。按照加工方式，铝合金有变形及铸造型铝合金之分；按照热处理性能，铝合金可以划分成两类：其中一类为非热处理强化铝合金，反之为可热处理强化铝合金。按照添加元素类型，将铝合金分为8个系列：工业纯铝(1000系)，Al-Cu系合金(2000系)，Al-Mn系合金(3000系)，Al-Si系合金(4000系)，Al-Mg系合金(5000系)，Al-Mg-Si系合金(6000系)，Al-Zn 系合金(7000系)，Al-其他元素（8000系）。其分类见图1-2 和表1-35。铝及铝合金变型铝合金非热处理型合金纯铝1000系，如1000合金Al-Mn系合金3000系，如3004合金Al-Si系合金4000系，如4043合金热处理型合金Al-Mg系合金5000系，如5083合金Al-Cu系合金2000系，如2024合金Al-Mg-Si系合金6000系，如6083合金Al-Zn-Mg-Cu系合金7000系，如7075合金Al-Li系合金8000系，如8089合金铸造铝合金非热处理型合金纯铝系Al-Mg系合金，如ZL103合金Al-Si系合金，如ZL102合金热处理型合金Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金Al-Cu-Mg-Si系合金，如ZL110合金Al-Mg-Si系合金，如ZL104合金Al-Mg-Zn系合金，如ZL305合金图1-2铝及铝合金分类大纲表1-3常用铝合金特点分类合金名称合金系性能特点变形铝合金非热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn耐蚀性、压力加工性和焊接性能显著，强度比较低Al-Mg热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg力学性能好超硬铝Al-Cu-Mg-Zn硬度强度最好锻铝Al-Mg-Si-Cu锻造性能好Al-Cu-Mg-Fe-Ni抗热性能好铸造铝合金简单铝硅合金Al-Si铸造性能好，力学性能较低。不可热处理强化特殊铝硅合金Al-Si-Mg铸造性能良好，可热处理强化。力学性能比较好Al-Si-CuAl-Si-Mg-CuAl-Si-Mg-Cu-Ni铝铜铸造合金Al-Cu耐热性好，铸造性能较差，同时耐蚀性也较差镁铸造合金Al-Mg力学性能高，抗腐蚀性好铝锌铸造合金Al-Zn宜于压铸，能自动淬火铝稀土铸造合金Al-Re耐热性能好能应用于焊接的铝合金中类非常多，由美国铝业协会根据铝合金中所含有的合金元素能够将变形铝合金划分为以下几类2：（1）工业纯铝(1000系)工业纯铝中铝的含量一般占有99.099.9%的比例甚至更高，以Fe和Si元素为最主要的杂质。纯铝具有一系列优良的特性，但相对于合金，机械强度小，然而纯铝具有耐腐蚀性，对光的反射性强、同时导电性和导热性优良，无磁性，冲击不产生火花，可强化易加工等特性，铝一系列的优良特性被广泛应用于电子零件、建筑材料、机械设备、家具材料、管棒线箔材等方面。（2）Al-Cu系合金(2000系)该系列主要添加Cu元素，可热处理强化，同时为了增加其切削性也会添加Mn、Mg、Pt和Bi等元素。Al-Cu系合金属于高强的硬质铝、高强铝，该系不同类型铝合金存在不同特性，例如：2014系合金因高强度从而被广泛采用于航天航空产业，2017耐高温性能极强等。但该系列合金也存在缺陷，比如在2011铝合金的熔练时会产生有害气应小心安全防护。该系广泛应用于航空（2014合金），螺钉、螺杆（2011合金）以及要求高温作业的领域（2017合金）。（3）Al-Mn系合金(3000系)该系列主要添加Mn元素，不能够采用热处理强化的合金，但其抗腐蚀性能佳，焊接性优良，塑性良好，该系铝合金强度略低，可以采用各种冷作硬化手段获得不同材质的金属，该系列在退火时晶粒易粗化而形成缺陷。（4）Al-Si 系合金(4000系)该系列主要添加Si元素，部分4系铝合金可以通过热处理的方法使其综合性能得到强化，但也有部分4系铝合金不可以使用该方法强化。因其不易形成热裂纹，可当做热处理强化过程的添加原料。根据金属基体的状态，可以将其与基体金属重新合成新型合金，在这样的条件下，焊缝金属拥有可热处理的强化的优点。当该系列中Si成分不及12%，Si减少，熔点将逐步上升。在控制的区域内，该系合金熔化后不容易形成结晶裂纹，流动性，可造性和焊接性优异，可以利用其低熔点的特点和大跨度结晶温度的特性铸造钎焊材料、焊接条、焊接丝等。（5）Al-Mg系合金(5000系)该系列主要添加Mg元素，耐磨性能优异，焊接性优良，抗疲劳性优，但无法热处理增强，只能冷加工强化。在该系铝合金里面，Mg含量为2.55%的5052和5083等铝合金，抗拉强度能够达到196294MPa。该系合金也可当做焊接材料使用，在其中添加金属元素如Mg的含量，增强其焊接性能，同时耐腐蚀性增加。由于具有良好的阳极镀膜特点，该系列合金被广泛用于汽车、船舶、安全设备、飞机油箱导管、防弹衣等领域。（6）Al-Mg-Si系合金(6000系)该系列主要添加Mg和Si元素，Mg2Si为其主要的热处理强化相，是目前工业和生活中使用最广泛的合金系列。该系列合金具有中等强度，焊接性能好，抗环境腐蚀的能力优异，氧化着色性能好，适合于多种加工成形方法等优良特点。在该系列铝合金中应用最多的为6061和6063，此外6082、6160、6125、6005、6463、6262、6060也有较广泛的应用。其应用范围：日用门和窗、车用行李架、汽车车身、电器散热片、箱体外壳等。（7）Al-Zn系合金(7000系)该系列主要添加Zn元素，有时也加入小量Mg、Cu元素，该系合金抗拉强度极高，并且具有优良的可焊性。7075和7005在7系中应用最广泛，能够通过热处理增强。该系列常用于：飞机承力件、航天飞船、火箭、起落架、螺旋桨。1.1.3铝及铝合金应用铝合金作为一种被大量应用于工业生产中的有色金属，涉及各类领域。由于其具有大量的优良特性，在各类轻量化装置中，比如航天航空飞机、军舰以及铁路运输、轨道交通、城际运输铁路各种领域中都得到应用。铝合金质轻，在满足一样强度和刚度的条件下，能够降低60%的重量（表1-4为钢、铝车体重量对比），因而能节省资源和减少对环境的破坏6。再者铝合金的表面能形成致密的氧化膜，一方面可以防止铝合金内部的金属被周围环境氧化，另一方面加强了材料的耐腐蚀能力，增延了其工作寿命7-9。表1-4铝合金和钢结构车体重量对比种类钢结构/kg铝合金结构/kg减重/%西德地铁9500467051瑞士客车9350395057东京地铁9540410056米兰地铁67003000551.2铝合金的焊接1.2.1铝合金的焊接类型相对于现在工业应用特点来说，铝合金焊接技术主要划分以下2种类型：（1）熔化焊熔化焊又称为熔焊，在焊接的时候，利用局部加热的方法使焊接接头处于较高温度条件的作用下升温至熔化状态。因为被焊试样紧贴一块，在重力温度场各条件且没有施加压力的影响下，两块焊件的熔融液体发生融合。这种加热情况下，金属原子的动能加强，有利于原子之间的分散，当温度下降，熔化部分区域冷却凝固后，能够形成牢固坚硬的焊接接头，从而完成焊接。常见铝合金熔焊手段有氩弧焊、激光焊、等离子弧焊等。（2）固态焊固态焊接是指两块被焊接原料在处于固态的状态下（无熔池），通过接触面上的扩散以及再结晶到达牢固结合的一类手段。固态焊接不会产生原子熔化再形核的情况，因此这种方法能够避免某些相变的形成，减少焊接接触界面某些化合物的产生，通过采用上述方法能够在最大程度上加强界面连接的强度。固态焊相对于熔化焊的区别在于，能够使焊接表面清洁，并且保证母材不熔化的同时，可以采用加热或者不加热两种方式10。目前，常见的铝合金固态焊接手段有搅拌摩擦焊、电阻、扩散、电磁焊等11。表1-5列出了铝合金焊接常用方法的特点及其应用。表1-5铝合金焊接方法特点及其应用12焊接方法特性应用范围气焊热效率低，焊接器件变形量大，易产生夹渣、裂纹等缺陷应用于非紧要位置的薄板对接焊接及补焊等手工电弧焊接头质量略差适用于铸铝件补焊以及一般器件的修理钨极氩弧焊焊缝金属密集，接头强度更高、韧性佳、塑性优良，能得到优质接头被广泛采用，能够焊接的板厚为1mm20mm钨极脉冲氩弧焊焊接的时候比较稳定，热输入时的精确度能够调制，焊件变形量小，接头质量优良应用于薄板或全多方位的焊接，装配焊接以及对热敏感性较强的硬铝、锻铝等高强度铝合金熔化极氩弧焊电弧功率较大，焊接速率迅速适用于厚件的焊接，能够焊的厚度在50mm 以下熔化极脉冲氩弧焊焊接变形量小，抗气孔和抗裂性佳，工艺参数调控范围广使用于薄板或全方位焊，经常用于厚度约2mm12mm 的样件等离子弧焊热量较集中，焊接速率快，焊接变形量及应力都比较小，工艺复杂适用于对接头要求比氩弧焊更高条件真空电子束焊熔深大，热影响区域小，焊接变形小，接头力学性能佳适用于焊接尺度微小的焊件激光焊焊接变形量小，生产效率极高被采用于精密焊接的焊件搅拌摩擦焊焊接质量层次高，变形量小应用于紧密相连焊接1.2.2铝合金常用焊接方法（1）铝合金的气体保护焊13-15a、钨极气体保护焊钨极气体保护焊（Tungsten Inert Gas Welding，简称TIG），是使用最多的焊接方法之一。在不损耗电极和试件的情况下生成电弧，将焊接地方熔化，得到坚固焊接接头的手段。在一般情况下通常用惰性气体（如氦气或氩气）保护接近受热部分的电弧、试件和熔池。TIG焊接原理如图1-3所示。图1-3TIG焊接原理示意图TIG 焊接特点：1）TIG 焊钨极电弧稳定，尤其在电流小的条件下可以平稳燃烧，最适用于厚度小于 3mm 的薄板焊接。2）TIG焊中氦气和氩气能防止周围空气与试件接触，很好的保护试件。并且作为惰性气体一方面不溶于金属，另一方不参与基体金属的反应，所以在焊接时的反应易控制，能够获得优良焊接接头。3) 应用脉冲及交流电源能使电弧清理性能、载流性能以及电弧掌控性方面得到最好配合，对于活泼性金属（如镁或铝及其合金）的焊接能够自动清理氧化膜。4）通过各自控制补充金属和热源，可以控制热输入量，从而对工件全方位地进行焊接，对单面焊双面成形最适用。b、熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊（Metal Inert-gas Welding，简称MIG），因为电弧具有阴极雾化的效果和熔化深度大，射流状的熔滴，电弧的调整能力，MIG焊一般采用直流反极性方法保证焊道光滑美观。同时这类手段比 TIG焊接速度更快，能够适用于焊接厚度大于 3mm的中厚板。自动、半自动熔化极氩弧焊的优点是电弧穿透能力高、电流密度高、生产率大，而且伴随着焊件厚度的提高，产能提高。为了让焊接质量更高，可以适当提高焊接速度，使焊件变形量和热影响部分变小。TIG和MIG两种焊接方式的特征列于表1-6中。表1-6TIG焊与MIG焊特征对比电源TIG特点MIG特点直流正接（DCSP）电极允许的电流较大熔深较大没有阴极雾化效果粗滴过渡熔深较大没有阴极雾化作用直流反接（DCRP）电极允许电流较小熔深较浅有阴极雾化的效果喷射过渡熔深大有阴极雾化的效果电弧“自发调节”作用电流（AC）介于DCSP和DCRP之间介于DCSP和DCRP之间（2）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊，是指在线性搅拌摩擦的条件下16，经过摩擦热和机械力的相互影响完成固态连接。其原理是通过搅拌头和工件之间的摩擦产生大量的热能，使得工件达到热变形的条件，试样在压力的影响下完成定向流动，然后迅速顶锻，最终实现两试样的固态结合17。该方法于1991年由英焊所宣布，属于低熔点金属板焊接和固态连接中的应用18-21。搅拌焊是通过柱状搅拌头(Welding Pin)高速旋转插入试样的接缝部位，摩擦产生的大量热能使得连接区域材料迅速升温至软化结合，待其冷却后完成焊接。其过程如图1-4所示。焊接的时候材料应稳定的处于垫背之上，在焊接开始后，在焊接摩擦过程中一方面可以用摩擦来除去表面氧化膜22，另一方面能阻止塑性金属的溢出。图1-4搅拌摩擦焊原理图（3）激光焊激光焊（Laser Beam Welding，简称LBW），是一种精密高效的焊接方法，分为热导焊和深熔焊，是当今先进的制造技术之一，它的热源为具有高能量密度的激光束。热导焊具有102103kW/cm2的高热功率，其焊接过程主要依靠通过激光能量传递热能是材料熔化最终形成焊缝。而深熔焊的功率是前者的10倍左右。金属受热气化形成中心小孔，高能激光束穿过小孔进入金属工件内部，也称为小孔效应。深熔焊形成的焊缝窄而深，熔深可以达到熔宽的12倍甚至更高。激光焊具有一系列优于传统焊接的特点23：1）热输入低，能量密度高，冷却速度高，深宽比大；2）热变形小，精度高，焊后形成的焊缝组织细小；4）激光束可以通过反射转移到传统方法无法接触的部位；5）无需电极，不受电磁干扰；6）激光焊过程不会产生X射线，完全脱离真空室的约束，容易定位和观测；7）激光能量可以由光导设备远程传送，工艺适应性好。8)可实现自动化，节省劳动成本。1.2.3铝合金焊接性由于铝合金具有强度高、密度小、优良的机械性能、抗环境腐蚀优良和易成形等特点被大量用于日常和工业中，但是也由于铝合金的特殊物理性质，也导致其在焊接过程中存在一定的困难，其中主要有24-25：（1）铝属于活泼金属，具有强氧化性铝亲氧性极强，易形成致密氧化膜。焊接过程中因为该氧化膜的存在会产生杂质，对金属之间的结合造成不利影响。此外，水汽依附于氧化膜上易导致焊接气孔缺陷。（2）铝合金的比热、热导率大其比热和热导率是钢的3倍。大量的热能在焊接过程中被迅速传导到金属内部，使合金过热而导致内部晶粒过于粗大甚至出现过烧现象，同时合金中的低沸点元素在高温下烧损蒸发严重，也会严重影响焊接接头的机械性能。（3）铝合金线膨胀系数大一些铝合金在焊接时，在焊缝附近极易形成液化和结晶裂纹，在脆性温度范围内合金常常因无法承受巨大的应力而产生热裂纹。上述现象经常成为铝合金，特别是超强合金在焊接过程中最常见的致命缺陷。（4）易形成焊接气孔由于铝合金溶液对气体具有很强的亲和力，使得大量气体帮随着焊接加热高温过程进入铝液。这些含气铝液冷却时，由于溶解度大幅度下降，气体来不及从铝液中析出，而滞留和积聚在焊缝内形成气孔。这种缺陷在铝焊中十分常见。（5）焊接接头易软化铝合金焊接时，热影响区组织在热源循环加热下发生软化，使其力学性能变差。对于冷变形强化的铝合金也会造成性能弱化，并且随着能量密度的提高，其弱化效果加强。（6）铝在高温时的强度和塑性低铝在380左右时强度仅为79MPa，在焊接高温下该强度很难承受住液态金属的重力作用而出现焊缝塌陷甚至烧穿等缺陷，导致焊缝成形性差。在实际生产中铝及铝合金的焊接常会在其下方添加铜垫板或者其他导热性优良的垫板。（7）焊接接头耐腐蚀性低热处理强化铝合金焊接后的耐腐蚀性相比母材会发生降低，并且抗腐蚀性能随着组织均匀性的降低而直线下降。杂质、晶粒过大以及脆性相（如FeAl3）析出等，都会造成耐蚀性急剧降低，不但腐蚀金属合金外层且常常伴随着晶间腐蚀。即使铝合金焊接存在大量问题，但和其他连接方法比较，铝合金焊接一方面在很大程度降低劳动强度，另一方面可以提高效率，简化结构。随着焊接技术发展和铝合金的应用，该问题在各大国内外学者中依然是个研究重点。1.3深冷处理简介深冷处理又名超低温处理，使材料处于-130-196的低温介质中26，对材料进行处理的方法。适用于全部金属或非金属材料，如碳的化合物、陶瓷材料、塑胶 (尼龙与铁氟龙)等。该方法是普通常规冷处理的发展延续，以改变材料的显微组织结构的方式来提高试样的服役寿命和综合力学性能27-30。在深冷处理后宏观方面，材料的强韧性、抗腐蚀性等机械性能提高。微观方面，试样的组织结构发生变化，材料表面有第二相析出，材料均匀性提升，强度塑性也增强31-39。该处理工艺的好处有成本较低，没有污染，操作方便，降低变形，改进均匀性，不破坏工具，有很大的应用前景40。1.3.1深冷处理的发展在一百多年前瑞士开始有了金属深冷处理的雏形，那时候人们了解到通过冰雪冷冻保藏的器材能够使用更久远时间。时钟、手表、瑞士军刀、小刀片是此类手段工艺的使用对象。在20世纪60年代初期，苏联、美国、日本等发达国家首先对深冷手段进行探讨，较多的试验都指向经过深冷处理能够很好地提高器具的服役寿命。在二十世纪80年代的时候，美国3xistruments&Toling、Material Improvement和Ame Cry等公司，分别针对磨具、精密仪器仪表、众多齿轮、测量工具等进行深冷处理。深冷处理能够对以上零件的应用寿命有很大幅度的提高，提升510倍。深冷强化案例如表1-7所示。表1-7深冷强化案例公司名称处理的零部件处理前处理后功效（提升倍数）Chrysler拉刀（拉钢套管）1810件8600件4.76FordM2拉刀2000件12000件6.0Metals铜电极触头2周6周3.020世纪中期，国内对深冷处理展开了研究，应用酒精和干冰对测量工具、模具、工作器件的尺寸可靠性进行了实验。在90年代的时候，各大研究院逐步对模具钢、高速钢、硬质合金等各类材料进行了进一步研究和分析。实验结果表明，经深冷处理后这类材料的抗磨性、硬度、韧性、抗腐蚀性、尺寸稳定性都得到了相应程度的提高。1.3.2深冷处理工艺深冷处理常用液氮冷却，制冷温度低（-196），液氮无污染、来源广，有经济效益。按照应用的介质能够把其划分为气体法和液体法这两者方式。其中液体法是把试件放于液氮里，在一段时间的后使试件温度迅速下降。由于液体法带有较大的热冲击性，容易导致试样发生损坏，容易造成低温塑性差的试样变形和裂纹，所以并未普及。另一种气体法是通过液氮汽化，利用低温氮气吸热从而实现热传导及辐射效果，实现温度调节，能够防止热冲击性的影响，应用较为广泛。一系列实验41-46表明，材料的机械性能可以通过深冷处理强化，其工艺参数有温度、速度、保温时间和循环次数等。深冷处理工艺按其处理手段能够划分为深冷-急热法与冷热循环法这两大种类：其中，前者将工件淬火后，在水里保温在放入-100或-190左右温度下保持一定时间。即-100左右为普通冷处理；-190左右为深冷操作，随即转入热介质迅速升温；冷热循环法是让试样降至-40-190，持续0.51h接着再缓慢加热到8090或者略低于合金淬火后的人工时效温度并保持12h，这样多次反复循环将深冷配合热处理交替应用。两种方法都可以提高服役寿命和机械性能，将残余应力释放，改善精度，但是相比下后者为佳。深冷-急热法在处于快速加热的条件下会形成内应力，对工件造成潜在的破坏。目前，对于黑色金属的深冷处理研究已经趋于成熟，但对于有色金属材料的深冷处理工艺的研究尚处在探索阶段。目前，对深冷的探讨如下：1）关于深冷处理升温和降温速率目前有两种方式，其中一种是日本式（深冷-急热法），该方法认为该升温速率不能快迅速，因为急热急冷极易造成试件应力变大，从而导致试件发生变形或者开裂；另一种为前苏联式（电击法），该方法认为急冷急热会导致试件中的残余奥氏体转变为成马氏体，由于冷却速度比油淬低，不容易使试件变形或者开裂。2）被处理的试件厚度、导热性能和残余奥氏体的转化平衡状态是受深冷处理保温时间长短决定。大部分研究者认为工件深冷保温时间长所获得的效果更好，随着深冷时长的增加，奥氏体转变量越多，微小碳化粒子析出越多，也更均匀。3）研究47认为多次深冷处理效果好于一次，每次深冷处理对前一次效果都有强化作用。经过多次深冷处理后，粒子析出更多，残余体转换也更充分，试样的力学性能也相应提升，但是多次处理后性能及组织很难在发生变化。4）在对试样处理时，对于深冷处理及回火的先后顺序，目前没有统一的标准。有学者认为回火处理前进行深冷能明显的提升试件的切削性，其后深冷能增强试件的力学性能。在选用回火前深冷处理这顺序，是因为对硬件需求高，且需要承担大动载荷的试件。应用回火后深冷处理是针对那些容易变形弯曲的，并且能承受大冲击载荷的试件。1.3.3深冷处理设备深冷处理的设备最常用的是液氮作为冷却介质制冷，实现温度的调控速率精确，并且可调控的温度跨度大，能量消耗低，安全性优良，应用操作简单。在1989年的时候天津市的热处理研究所研发制造出能够使温度调控范围是常温至-180的液氮气化型深冷箱48。1993年华中理工制造出嵌套式的深冷处理设备，该设备能够双向制冷，内层液氮冷却到-150。外层机械冷却到-18-2449。在1996年中国科技研究院技术实验中心制造出最低温度达-100并且可调节和自动控制降温速度的深井式深冷处理装置50。2003年中科院物化所发布的SLX-30型程序控制深冷箱，能够降温至-196，并且可调节温度和实现自动控制降温速度的深井式深冷处理装置。也有通过空气压缩原理的冷却设备，如航空航天部的青云设备厂中的空气涡轮深冷机51。1.3.4深冷处理应用深冷处理在一方面能够明显提高材料力学性及服务寿命，并且能使尺寸稳定，改进均匀性，降低变形，另一方面该方法控制简易，绿色环保，没有破坏工件，成本低，开发领域广阔。目前深冷技术的应用主要有以下几个方面：（1）提升高速钢、硬质合金的刀具、钻具、量具等的寿命；（2）对金刚石制品及其热压机的性能改善；（3）改善精密器件及其零部件的精度；（5）碳纤维纤维成分性能改良；（6）提高工模具使用寿命。目前，深冷处理的应用领域正在逐渐扩大，并从金属领域扩大到陶瓷、碳纤维等其他领域。深冷处理工艺与其他热处理和普通冷处理工艺相比，对材料的强仍性、抗腐蚀性、疲劳寿命等性能的提升效果更为明显。正因为这样，作为一种对材料特殊物理性能具有潜在开发价值的方法，深冷处理工艺未来发展前景广阔。1.4本文研究的内容和意义目前针对焊接接头强化的研究有两个方向：一方面从冶金学方向思考，应用焊接热模拟手段，更改焊丝成分，接着通过热处理等手段改进焊接接头区域的组织结构机能，增强接头强度；另一方面是从力学方向思考，通过对材料表面进行锤、碾、挤压等机械手段以此改进其性能，但这种方法容易对工具造成破坏，影响精度。而深冷处理作为一种绿色、无破坏性的材料强化手段能最大程度地提高材料的性能。基于以上分析，本文将深冷处理的概念从黑色金属的强化拓展到6000系铝合金焊接接头的强化研究上面来，以改善铝合金焊接接头的软化和缺陷问题。这个方面至今为止鲜有研究，如果能很好地研究，将有望大幅度改善铝合金焊接接头软化和缺陷这个关键性问题，开发出一种全新的铝合金焊接接头的强化方法，为铝合金的焊接强化处理提供新的理论依据，具有重要意义。68中南大学硕士学位论文 2实验材料与方法2实验材料与方法2.1实验方案为了系统研究深冷处理对6082铝合金焊接接头的影响。本文通过对6082铝合金TIG焊接头进行深冷处理和时效热处理，采用显微硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、X衍射仪、残余应力检测仪等设备对经不同深冷工艺处理后的6082铝合金TIG焊接接头试样力学性能和显微组织对比分析，同时结合ABAQUS有限元数值模拟探究深冷处理对6082铝合金TIG焊接接头的影响规律。分析和探究讨论深冷工艺的强化效果，初步分析了解焊接接头深冷处理强化原理，以此探究深冷处理工艺在实际生产中的应用前景。2.2实验材料及制备本文选取的原材料为某铝加工企业提供的厚度2mm退火态6082铝合金冷轧板材，该板材作为焊接的母材，其化学成分见表2-1。表2-16082铝合金化学成分（质量分数，%）合金牌号SiFeCuMnMgCrZnTiAl60821.000.180.150.520.980.090.050.02Bal.2.3实验方法2.3.1焊接方法和工艺实验使用山大奥太WSME-500氩弧焊全能铝焊机对6082铝合金进行焊接实验。母材为轧制态6082-T4铝合金，尺寸为200mm120mm2mm。本次实验采用钨极气保焊(TIG)对母材试样进行对接，采取单丝双面焊，惰性保护气体采用氩气，纯度99.99%，满足GB/T10624-1995高纯氩的要求，填充金属采用ER4043焊丝，其成分见表2-2。焊接工艺参数见表2-3。表2-2ER4043焊丝化学成分（质量分数，%）合金牌号SiFeCuMnMgCrZnTiAlER40434.56.00.80.30.050.050.10.2Bal.表2-3TIG焊接参数板材厚度/mm焊丝直径/mm钨极直径/mm喷嘴直径/mm电流/A电压/V送丝速度/mmin-1焊接速度/mmin-1氩气流量/Lmin-121.62.461152045.510板材对接焊实验先进行焊前清理，出去对接部位的杂质和氧化物。焊接试件经X 射线检测合格后进行后续深冷处理实验。2.3.2深冷处理实验方案深冷处理实验使用设备为中科院物化所设计的SLX-30程序控制深冷箱（功率1.5kW，电流8A，电压380V）。该设备通过电脑实现自动化操作，以液氮为制冷介质，利用世界领先的液氮分离和温度调制技术，能够保证深冷时温度的升降和保温过程的精度和稳定性，其温度变化可以控制在2以内。加热保温设备采用SX-5-12型箱式电阻炉和101-1型鼓风电热恒温干燥箱。2.4力学性能测试通过对各实验方案下的6082铝合金TIG焊接接头进行显微维式硬度测试和拉伸试验的测试，对比分析各工艺下试样的力学性能差异以获得最佳实验工艺。2.4.1维氏硬度测试维氏硬度测试采用SCTMC显微维氏硬度计（载荷0.981N，持续15s）。在垂直焊缝的方向由焊缝中心向基材两侧15mm范围内对焊接接头的侧面逐点测量，测量间距0.25mm。每个部位测试三次硬度，取三次的平均值，同时将测试数据导入Origin工具生成焊接接头的显微硬度分布曲线图，分析探讨硬度变化趋势。实验中对试样要求：1试样表面光滑，不应有氧化皮，在获取试样时，应在温度适宜的条件下，防止表面硬度因冷热硬化而产生变化；2试样面应足够平整，Ra0.2m；3试样不可显现变形划痕在背部；4试样与平台水平放平，防止力对试样产生变形和滑动。2.4.2拉伸力学性能测试按照国标GB/T 2651-81焊接接头拉伸实验法的标准制备样品，试样尺寸如图2-1所示。图2-1拉伸标准试样拉伸实验采用CRIMSDDL100电子万能试验机进行测试。为准确获取6082铝合金的TIG焊接接头的各项拉伸数据，分别测量拉伸断裂前后各个数据，取3次测量结果的平均值，记录试验参数和数据，对比分析不同工艺下试样的拉伸力学性能变化规律。2.4.3抗腐蚀性能测试（1）晶间腐蚀试验晶间腐蚀试验参照 GB/T 79982005铝合金晶间腐蚀测定方法进行，截取带