毕业设计（论文）-中厚板压下规程优化及模型开发.doc

重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 中厚板压下规程优化及模型开发 学 院 冶金与材料工程学院 专业班级 材控试2011-01 学生姓名 学号 2011444387 指导教师 职称 讲师 评阅教师 职称 2015年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆科技学院本科毕业论文 摘要摘 要由于铝合金具有密度小，比强度高和良好的耐腐蚀性、导电性、导热性，且在低温下能保持良好的机械力学性能等特点，广泛应用于航空航天、汽车和国防等行业。在上述工业领域，其零部件的连接主要靠焊接。铝合金的焊接由于其本身的一些特性，导致焊接问题、困难颇多。当焊接经过热处理强化的变形铝合金时，焊接接头受热循环的作用，焊接接头的软化成为主要问题。本文在前期铝合金焊接工艺研究的基础上，着重研究热处理对焊接接头性能的影响。本设计选用10mm的6061铝合金，采用1.2mm的ER4043焊丝进行V型坡口对接MIG焊。通过对焊缝成形的分析，选取最佳的焊接工艺参数；采用优化的工艺施焊，并对焊接试样进行热处理，对热处理后的试样进行力学和金相组织分析。实验结果表明，焊接接头的热影响区存在软化现象，通过53025min固溶处理+16018h时效处理后接头性能得到改善，经历53025min固溶处理+16018h时效处理后焊缝的金相组织主要是（Al）+（Mg2Si），且分布较均匀，强化相（Mg2Si）的分布较为细小分散，起到了弥散强化的作用，焊接接头性能良好；在相同的固溶处理温度，不同时效处理温度的情况下，经53025min固溶处理+10018h时效处理的焊接接头性能良好。试验结果表明，对于铝合金的焊接软化问题，需采取合适的热处理工艺措施来改善。关键词:铝合金 热影响区 软化 热处理 强化相重庆科技学院本科毕业论文 ABSTRACTABSTRACTAs the alloy has a density smaller than the high strength and good corrosion resistance , electrical conductivity , thermal conductivity, and at low temperatures to maintain good mechanical properties and other characteristics, widely used in aerospace , automotive and defense industries. In the industrial sector , which is connected mainly by welding parts . Aluminum welding due to some characteristics of its own , leading to welding problems , many difficulties .When welding aluminum deformation after heat strengthened , the welded joint action of heat cycle, the softening of welded joints become a major problem. Based on the preliminary study of aluminum alloy welding process , the effect of heat treatment focuses on the performance of welded joints .The design uses 6061 aluminum 10mm, using 1.2mm the ER4043 welding wire V-groove butt MIG welding. Through the analysis of the weld, select the optimal welding parameters; using optimized process welding, heat treatment and welding samples, the samples after heat treatment the mechanical and microstructure analysis. Experimental results show that the presence of softening the heat affected zone of welded joints by 53025min solution treatment +16018h after aging treatment joint performance improvement, through 53025min solution treatment +16018h aging treatment after the weld microstructure mainly (Al) + (Mg2Si), and the distribution is more uniform, strengthening phase (Mg2Si) dispersed distribution of relatively small, played a dispersion strengthening the role of the good performance of welded joints; at the same the solution treatment temperature, under different aging temperature was 53025min solution treatment+100 18h aging treatment good performance of welded joints. The test results show that for welding aluminum softening problems, need to take appropriate measures to improve the heat treatment process.Key words: aluminum; heat affected zone; soften; heat treatment; strengthening phase重庆科技学院本科毕业论文 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1前 言11.1.1 研究背景11.1.2 选题的目的及意义11.2 铝合金的概述11.3 铝合金的热处理工艺简介21.4国内外研究现状31.5本文的研究内容及意义42实验材料、方法及设备52.1实验原料、设备及流程52.1.1实验原料及仪器设备52.1.2实验流程62.2 MIG焊接工艺试验方法及设备62.2.2焊接设备及操作方法72.2.3 MIG焊实验方案设计72.3热处理实验方法及设备72.3.1热处理实验设备及操作方法72.3.2热处理实验方案设计82.4金相组织和力学性能实验方法92.4.1拉伸实验92.4.2金相显微组织分析112.4.3硬度实验123 热处理试样焊接工艺的选定143.1铝合金焊缝成形的影响因素143.2焊接参数对焊缝成形的影响153.2.1焊接电流对焊缝成形的影响153.2.2 焊接速度对焊缝成形的影响173.2.3 根部间隙对焊缝成形的影响203.3热处理试样焊接工艺的选定224实验结果分析与讨论234.1焊接接头热处理前后的金相显微组织234.2焊接接头热处理前后的拉伸性能及断口分析304.3焊接接头热处理前后的硬度分布335结论与展望385.1结 论385.2不足与建议38参考文献39致 谢411 综 述1.1 引言我国习惯上称厚度在4.0mm以上的板带钢为中厚板（其中420mm 的为中板，2060mm 的为厚板，60mm以上的为特厚板）。中厚板是国民经济发展所依赖的重要钢铁材料之一，是工业化进程和发展过程中不可缺少的钢铁品种，主要用于建筑工程、机械结构、汽车行业、压力容器、桥梁、锅炉制造、油气输送管线、电厂、核电站、油田等方面，在国民经济中的地位日趋重要。中厚板有200多年的生产历史，在钢铁生产行业里，中厚板生产是技术密集度高、质量要求高、生产流程长、工艺和装备复杂、生产组织难度大的制造过程。随着我国工业的发展，对中厚板产品，无论从数量上还是从品种质量上都提出了更高的要求。要满足中厚板多品种、高质量、高技术含量、高附加值的生产要求，了解和掌握中厚板生产方面的理论和管理常识，就必须对中厚板的工艺流程、生产方式、技术设备、力学性能、质量控制等方面的知识有一个全面和系统的认识。【金属压力加工工艺学】【中厚板生产与质量控制】【中厚板生产】Visual Basic ,简称VB，是一种面向对象的程序设计语言，是目前Windows平台上应用最广泛的编程语言之一，其编程系统中采用了面向对象和事件驱动的编程机制，提供了所见即所得的可视化程序设计方法。VB可视化的设计平台、事件驱动的编程机制、面向对象的程序设计、结构化的程序设计语言、友好的集成开发环境、开放的数据库功能与网络支持成功的实现了集程序设计、编辑、运行、调试等多种功能于一体的强大功能。【Visual Basic 程序设计教程】压下规程（亦称轧制规程）是指坯料至成品的变形过程。中厚板压下规程主要包括压下制度、速度制度、温度制度和辊型制度。在中厚板生产中，设计和开发合理的压下规程是保证中厚板轧制过程正常运行、提高生产率和产品质量的关键。压下规程优化和设计就是根据钢板的技术要求、原料条件、温度条件和生产设备的实际情况。运用数学公式或图表进行人工计算或计算机计算，来确定各道次的实际压下量、空载辊缝、轧制速度等参数，并在轧制过程中根据实际轧制情况进行适应性修正和处理，达到充分发挥设备潜力、提高产量、保证质量、方便操作、设备安全的目的。充分考虑具体的生产条件进行设计和校核（是个凑合、修正的过程）再于实际生产中加以修改和完善。因此，压下规程具有一定的相对性、针对性和灵活性。所谓相对性就是压下规程设计只能做到相对合理，及设计所追求的目标不能完全同时达到，只能在整体上求得合理；针对性是指压下规程设计与具体的生产条件（原料、轧机、车间布置、操作）密切相关，某规程在甲厂是合理的，用于乙厂由于具体条件不同就未必合理；灵活性就是设计压下规程，允许操作人员根据具体情况（轧制温度、轧机负荷等）灵活执行。原料检查原料清理加热 除磷轧制矫直冷却表面检查修磨横切正火切边定尺切力学性能试验正火表面尺寸形状检查抛丸矫直力学性能试验油漆表面尺寸形状检查标记表面尺寸形状检查力学性能试验入库标记标记发货入库 入库发货发货抛丸底层涂料钢板热处理钢板一般用途钢板中厚板生产工艺流程1.2 选题的目的及意义 1.1.2 选题的目的及意义用在汽车车身板的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、A1-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)3。6系一T4状态板材的屈服强度和抗拉强度与钢材的强度相近，此外，6000系是可热处理强化合金，在冲压成型后经油漆烘烤，性能可进一步提高，而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工3。对于可热处理强化型的6000系变形铝合金，决定产品最终使用性能的是合金成型后的热处理制度，其中固溶时效处理是6000系铝合金最主要的热处理制度。由于焊接热循环的作用脱溶相Mg2Si3不断析出聚集成长软化区发生过时效软化4。本文主要研究铝合金的焊后热处理对焊接接头性能的影响，以提高焊接接头的承载性能。将对铝型材的汽车组件焊接后的热处理措施，提供一定的理论和技术支持。1.2 铝合金的概述在大多数场合下，纯铝的性能不能满足用户的使用要求。为此，生产者通过向纯铝中添加各种合金元素，以制造出满足不同性能和用途的铝合金。经添加合金元素的铝合金可加工成加工型材、棒材等，也可以加工成铸件、压铸件等铸造材。铝及铝合金的分类如图1.1所示。纯铝1，如1050Al-Mn系3，如3003非热处理型合金Al-Si系4，如4043加工材Al-Mg系5，如5A02Al-Cu系合金2，如2014热处理型合金 Al-Mg-Si系合金6，如6061 Al-Zn-Mg-Cu系合金7，如7005 Al-Li系合金8，如8090铝及铝合金 纯铝系 Al-Si系合金，如ZL102合金 非热处理型合金 Al-Mg系，如ZL103合金铸造材 Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金 热处理型合金 Al-Cu-MgSi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1.1 铝及铝合金分类图1.3 铝合金的热处理工艺简介热处理是将金属材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺，其目的在于改变金属的内部组织结构，以改善其性能5。变形铝合金热处理在实际生产中是按生产过程、热处理目的和操作特点来分类的，一般情况下，铝合金加工企业最常用的热处理方法可分为退火、固溶淬火、时效、回归和形变热处理五种基本形式。（1） 退火处理将铝合金加工材加热到较高的温度（一般为300左右），保温一定的时间后随炉冷到室温的工艺称为退火6。在退火过程中固溶体会发生分解，固溶体向第二相质点发生聚集，从而达到细化晶粒，均匀组织的目的。 （2） 固溶处理把工件加热到足够高的温度，靠近共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度的溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理7。经固溶处理后工件的塑性和强度可以得到不同程度的改善，固溶处理的效果取决于下列是三个因素。固溶处理温度。该温度越高，强化元素运动得更剧烈，强化效果更好，通常的固溶处理温度的上限低于合金的过烧结温度，其加热温度的下限应该使强化组元尽可能溶解到固体中7。为获得最佳的强化效果，同时又不让合金出现过烧现象，在加热时，有时采用分级加热的方法，即在低熔点共晶温度下进行保温，使其扩散溶解后，再升到更高的温度进行保温和最后的淬火冷却7,8。保温时间。强化元素的溶解速度决定着保温时间的长短，同时保温时间也取决于合金的种类、成分、组织、成形方法和工件形状及壁厚8。冷却速度。经加热保温后，若工件遭受的冷却速率越大，固溶体从高温状态保存下来的过饱和度也越高，从而提高工件的力学性能，但同时组织转变所产生的内应力也越大，可能使工件产生变形。（3） 时效处理将固溶处理后的工件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效8。时效温度和时间的选择取决于合金对性能的要求、固溶体的过饱和程度、合金的特性以及加工方法等，人工时效可以分为三类：不完全人工时效、完全人工时效和过时效9。铝合金经时效处理时，合金元素沉淀析出的过程大多需要经过以下四个顺序：形成G-P 区形成G-P 区形成亚稳相形成第二相质点和第二相质点的聚集，这几个阶段并有完全的界限设定，若时效温度选择较低，第一、二步进行的过程较为剧烈，若时效温度选择过高，第三、四步比较剧烈。1.4国内外研究现状目前，世界各国开始提倡能源的保护及节约利用，进而引发交通运输工具向轻量化方向发展，或者利用新能源替代。铝合金由于其密度小、比强度高等性能优点，而备受青睐。铝合金结构件在焊接后产生的焊接缺陷，以及焊接变形一直是工程界普遍存在和关心的问题，国内外研究学者通过借助计算机仿真模拟技术对焊接变形现象进行数值模拟，以从中寻求焊接问题的解决方法。且大量研究主要集中于通过改变焊接方法，以寻求与生产相适应的焊接工艺，对铝合金焊后的热处理工艺研究并不全面。王亚荣、黄文荣以及雷华东三人研究了焊后热处理对2A14高强铝合金电子束焊接头组织性能影响10，其实验结果表明，焊后热处理后，焊缝的组织及性能都因为析出相的弥散强化作用，而使得硬度和强度的显著提高，尤其是焊缝的硬度值大于母材的硬度值。孙志学研究了热处理方式对接头的影响11，得出完全时效和不完全时效对焊缝的显微组织有影响，导致最后力学性能检测的断裂方式不同。黄艳斐、汪勇等人研究了不同热处理条件下2A12铝合金焊接试样残余应力的影响12。实验结果表明，由于受焊接热输入的影响，焊接热影响区出现了晶粒长大，显微硬度降低的现象。经热处理后焊接接头的应力值降低且硬度和强度提高。由此可知，铝合金焊接接头软化问题的解决，逐步成为学者研究的热点。但没有学者研究具体研究热处理工艺参数的改变，对6061铝合金焊接接头性能的影响。本次课题主要针对的是6系铝合金焊接接头软化问题的解决，并通过热处理措施来提高其力学承载性能，分析其热处理的影响机理。将会为铝合金的焊接，提供一定的参考依据。1.5 本文的研究内容及意义本文通过以20010010mm的两块6061铝合金板V形坡口对接MIG焊作为焊接试板，并以其热处理试样为实验研究对象，从而进行以下研究。（1）制订铝合金6061的焊接工艺，焊接工艺包括焊接层数、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体流量的参数选择。并通过焊缝成形试验，得出最佳的焊接工艺参数。（2）分析变形铝合金焊接后焊接接头性能的变化，分析其软化原因，并提出措施以解决焊接接头的软化。（3）对比研究不同的热处理措施，对焊接接头性能的影响。调整焊后试样热处理工艺的固溶温度和时效处理温度，并对热处理后的试样进行金相实验、拉伸实验、硬度实验来探究焊后热处理参数的改变对焊接接头的影响，分析其影响机理。本课题的开展有利于深入掌握焊后热处理工艺知识，并通过实验，掌握铝合金焊接接头力学性能试验标准及分析方法，掌握热处理工艺参数的选择原则及工艺参数优化设计方法等，同时该课题的进行，会提高学生动手能力和独立思考问题、解决问题的能力，深切体会理论与实际之间的转换，为铝合金的热处理工艺等设计开发工作提供一定的参考。重庆科技学院本科毕业论文 2 实验材料、方法及设备2 实验材料、方法及设备2.1实验原料、设备及流程2.1.1实验原料及仪器设备本试验采用厚度为10mm的热处理型强化铝合金6061T651，6061T651为Al-Mg-Si系合金，该合金具有较好的抗腐蚀性、氧化性，且比强度高，尤其是抗疲劳强度，同时，其焊接性能良好。其化学成分及力学性能如表2.1和表2.2所示。表2.1 6061铝合金化学成分（%）牌号化学成分（质量分数）%SiFeMnMgCrZnTiAl60610.400.80.70.150.400.150.81.20.250.15余量表2.2 6061铝合金的力学性能牌号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa硬度/HB断后伸长率/%60613102769512本次试验采用的焊丝为含硅5的合金焊丝ER4043，其化学成分如表2.3所示。焊丝形貌及规格如图2.1所示。表2.3 ER4043焊丝化学成分（%）SiMgFeCuAl50.100.040.05余量 图2.1 ER4043焊丝形貌完成本课题的试验所用仪器及设备如表2.4所示。表2.4 实验主要仪器和设备列表仪器名称仪器规格生产厂家MIG焊机YD-400GE中国唐山松下焊机博世砂轮机GWS8德国博世集团SK2-12-10箱式实验电阻炉01350重庆实验电炉厂维氏硬度实验机HVS-1000上海联尔实验设备制造厂微机控制电子式万能实验机型号WDW-50.5江苏济南试金集团有限公司砂纸150#、600#、800#、1200#上海无锡市港下精密砂纸厂卧式金属锯床2395山东省滕州市鹏飞机床厂莱卡金相显微镜DM2500M德国LEICA公司2.1.2实验流程本课题实验的具体流程如图2.2所示。下料热处理焊接金相实验力学实验图2.2 实验流程图2.2 MIG焊接工艺试验方法及设备根据实验室现有条件，综合考量铝合金的焊接方法，本次实验的焊接方法选用MIG焊。试验采用两块尺寸为200mm100mm10mm的6061铝合金板进行对接。在试件上加工V型坡口如图2.3所示，C= 02mm，本次试验采用多层多道焊焊接，接头形式都为对接接头，焊接所用的保护气体是纯Ar，其气体纯度为99.99%。本次实验采用低碳钢钢板作为垫板，进行焊接操作。图2.3 V形坡口示意图2.2.2焊接设备及操作方法本次MIG焊接实验所采用的焊接设备如图2.4所示。 a) 焊接电源 b) 行走机构图2.4 焊接实验MIG焊机Pansonic YD-400GE是多功能逆变焊接电源焊机，可用于常规的碳钢MAG焊、脉冲MIG/MAG焊、CO2焊、铝合金焊等。该设备具有操作简单，功能较多，全数字化控制等优点。送丝机构采用自动送丝，且负责调解电流、电压。本次实验为了控制铝合金焊接时的焊缝成形，采用碳钢作为垫板。焊接速度、焊接电压、焊接电流均可通过行走机构的操作界面进行设定。2.2.3 MIG焊实验方案设计铝及其合金的焊接，通常是采用直流反极性接线法。对于6061铝合金板的焊接，其保护气体采用纯氩气保护。焊前清理坡口及坡口周边氧化膜，垫板采用低碳钢钢板。本次实验主要研究的是热处理对焊接接头性能的影响，因此焊接工艺的所造成的实验结果，不能对后续热处理实验结果造成影响。基于这个实验目的，在热处理前，需对焊接工艺进行优化选定，经过焊接工艺的优化，确定焊接工艺参数。所以本次实验所采用的是20010010mm的铝合金板采用V形坡口对接。要求其焊接后焊缝成形美观。对焊接后的试板进行外观检查，查看焊缝是否有明显的焊接缺陷，如有焊接缺陷，焊接试样需重新焊接。2.3热处理实验方法及设备2.3.1热处理实验设备及操作方法根据铝合金的热处理温度，本次实验采用的是采用的高温箱式电阻炉，其设备如图2.5所示。图2.5 箱式实验电阻炉SK2-12-10高温箱式电阻炉是采用电阻加热方式进行升温。其操作方式简单，只需设定目标加热温度。但是到其加热温度后，由于余热的影响，导致温度有波动幅度。根据大量实践及理论，通常温度波动在3以内。对实验结果及金属组织无影响。2.3.2热处理实验方案设计6061铝合金属于热处理型强化铝合金，其生产过程是通过热处理来提高其力学性能。其合金相图如图2.6所示。图2.6 Al-Mg-Si三元合金相图根据其合金相图，本次实验的热处理方案是时效处理温度及时间不变，改变固溶处理温度；然后将固溶处理温度及时间不变，改变时效处理温度。通过这两种两种方式来研究热处理对焊接接头性能的影响。（1）改变固溶处理温度，时效处理参数为16018h,其实验参数如下表2.5所示。根据Al-Mg-Si三元合金相图可得，6061铝合金的固液相分界线为580，因此选择固溶处理温度时，一般是低于固液分界线。表2.5 不同固溶处理温度实验参数试样固溶处理温度（）固溶处理时间（min）时效处理温度()时效处理时间(h)1#48025160182#53025160183#5502516018（2）改变时效处理温度，固溶处理参数为53025 min，其实验参数如下表2.6所示。表2.6 不同时效处理温度实验参数试样固溶处理温度（）固溶处理时间（min）时效处理温度()时效处理时间(h)4#53025100185#53025160186#5302520018其热处理取样来自于MIG焊接工艺实验，试样截取如图2.7所示。图2.7 试样截取尺寸及位置2.4金相组织和力学性能实验方法2.4.1拉伸实验检测材料力学性能最常用的是拉伸实验和硬度实验。它从宏观上反映了材料的力学承载能力。对焊接接头进行力学性能检测，是判断焊接接头能否满足力学性能要求。为检测热处理后的铝合金焊接接头的力学性能，对焊接试样参照 GB/T2615-2008焊接接头拉伸实验法制备焊接接头拉伸试样，在微机控制电子式万能试验机，对进行过热处理的6061铝合金MIG焊的焊接接头，进行室温拉伸试验。拉伸试样的截取应该垂直于焊缝轴线方向，试样加工完后，焊缝的位置应该在中线。因为材料的加工程序和试验仪器等原因，该拉伸试样的取样未按国家标准取样。实验载荷采用50KN进行加载，应力在100MPa以下时，加载速度为5mm/min，应力大于100MPa时，加载速度为2mm/min。拉伸样示意图如图2.8所示。拉伸实验机如图2.9所示。图2.8 拉伸试验样示意图图2.9 拉伸实验机2.4.2金相显微组织分析金属材料进行显微组织观察，其主要目的是了解金属材料的平衡相构成及其组织形貌。因此，对焊接接头进行显微组织观察，有利于了解焊接接头的平衡组织及合金结晶过程。焊接接头包括焊缝区、热影响区及两边未受影响的母材金属。热影响区部分在焊接过程中受热不均匀，导致不同位置的点所经历的焊接热循环是不同的（即被加热的最高温度不同），而且焊接后的冷却速度也不同13。因此，各部分组织与性能也不同，主要表现出组织不均匀、晶粒度不均匀的特点。铝合金板焊接完以后，在焊缝中间且垂直于焊缝方向上取样，使切割面平整，其取样位置示意图如图2.10所示。采用由粗到细的金相砂纸依次从粗磨到细磨，经抛光后制成金相试样，本实验所选用抛光剂为金刚石研磨膏。在腐蚀试样之前，先通过显微镜观察金相试样表面是否有划痕，然后再进行金相腐蚀，铝合金金相腐蚀溶液为4%的混合酸溶液。图2.10 金相试样截取示意图采用光学显微镜对热处理试样的焊接接头的显微组织形态进行观察。实验所用金相显微镜如图2.11所示。图2.11 金相显微镜2.4.3硬度实验将铝合金焊接接头的截面，按金相试样的要求进行处理后，用HVS-1000显微硬度计测定其显微硬度，其设备如图2.12所示。图2.12 HVS-1000显微硬度计按照GB/T4342-1991金属显微维氏硬度标准和GB/T2654-2008焊接接头硬度试验方法，在HVS-1000显微硬度计上，对试样进行显微硬度测试，载荷为0.2Kg，加载时间为10s，母材检测点间距为1mm，焊缝及热影响区检测点间距为1mm。硬度检测从焊缝中心开始检测，并以此点为基点，向两边对称检测。为了更加准确的了解、分析硬度的变化，在截面的上下层都进行检测。如图2.13所示。图2.13 硬度打点示意图重庆科技学院本科毕业论文 3 热处理试样焊接工艺的选定3 热处理试样焊接工艺的选定焊接工艺，一般包括焊接方法、接头设计、焊接参数等。本实验中，根据焊接材料，选定焊接方法为熔化极氩弧焊（MIG），接头采用为V型坡口对接。所以，对于本实验中铝合金件的焊缝成形，主要通过改变焊接电流、焊接速度、焊缝根部间隙，以此来寻求最佳的焊接工艺参数，从而选定热处理试样的焊接工艺。对于焊缝成形而言，其衡量成形好坏的主要指标是焊缝的熔深、熔宽、余高以及表面形态，而其中一个最重要的指标就是焊缝是否焊透14。保证焊缝焊透是V型对接焊最基本的要求，但也要尽量避免焊穿和塌陷，在铝合金焊接时，焊穿和塌陷是最常见的焊接缺陷，其典型的形貌如图3.1所示。图3.1 烧穿和塌陷3.1铝合金焊缝成形的影响因素在实际工业生产中，焊缝的成形对焊接质量能产生较大影响。如过大的余高和过小的熔深均会产生较大的应力集中，降低结构的疲劳强度，从而增加破坏的危险性，所以合理的焊缝外形对保证构件是否正常工作具有重要的影响。在保证焊透的情况下，减小熔宽，可以减小焊接热影响区，提高焊接热效率。焊缝的尺寸及形状一般用焊缝的熔宽（B），焊缝的熔深（H），焊缝的余高（h）来进行衡量，如图3.2所示。影响焊缝形状尺寸的因素很多，诸如焊接参数、电流种类和极性、电极尺寸、坡口和间隙、焊件倾角、焊件材质和厚度等，其中焊接工艺参数对其影响最为明显。本实验采用全自动MIG焊，采取改变电流、焊接速度、装配间隙等因素来进行6061铝合金单面V型坡口多层多道焊对接焊实验，其主要是找出最佳的焊缝成形工艺参数，进而优化焊接工艺。图3.2 焊缝形状尺寸参数3.2焊接参数对焊缝成形的影响3.2.1焊接电流对焊缝成形的影响随着焊接电流的改变，导致作用在焊件上的电弧吹力也在改变，电弧对焊件的热输入也会发生改变，焊接热源的位置、焊材的熔化速度及电弧潜入工作的深度均将会变化，从而影响熔深、熔宽和余高。焊接电流对铝合金焊缝成形影响所选择的参数如表3.1所示。表3.1 不同电流下的焊接工艺参数组数焊接电流/（A）电弧电压/（V）焊接速度/（m/h）气体流量/（L/min）根部间隙/（mm）121024.227181223032504270按照表3.1设定的焊接参数依次施焊，得到的焊缝宏观形貌如图3.3所示。 a）焊接电流I=210A b)焊接电流I=230A c) 焊接电流I=250A d)焊接电流I=270A图3.3 不同焊接电流下的焊缝成形外观由图3.3可知，随着焊接电流的增大，焊丝的熔化速度增大，熔宽和余高有所增大。焊缝表面成形均较光滑，没有明显的缺陷和差异。采用高度尺和卡尺对图3.3焊缝的余高和熔宽进行测量，沿焊缝纵向方向测量三个位置，然后求得其平均值，测量结果如表3.2所示。表3.2 不同焊接电流下焊缝熔宽和余高的值焊接电流（A）210230250270熔宽（mm）9.54、9.26、9.4810.36、10.48、10.2010.62、10.56、10.7011.32、11.16、11.20平均熔宽（mm）9.4210.3410.6211.22余高（mm）2.05、2.15、2.152.35、2.30、2.402.45、2.50、2.603.15、3.10、2.90平均余高（mm）2.122.342.523.04根据表3.2将熔宽和余高随焊接电流的变化绘成如图3.4的曲线图。图3.4 焊缝的熔宽和余高随焊接电流变化的曲线从图3.4可以看出，在其他条件一定的情况下，一定范围内，随着焊接电流的增大，焊缝的熔宽和余高均有所增加。焊接完成后，用线切割的方法切割试样，并用320目的砂纸打磨焊缝区，然后用体积分数4%的混合酸溶液腐蚀并观察熔透情况，确定恰好焊透时的电流大小。切割后得到如图3.5所示的焊缝切面图。b)焊接电流I=230A a)焊接电流I=210A c)焊接电流I=250A图3.5 不同焊接电流下焊缝的熔透状态由图3.5可知，对厚度为10mm的6061铝合金进行V型坡口多层多道焊时，采取实验设计的焊接电流要焊透，焊接电流至少为230A左右。当焊接电流为250A时，如图3.5（c）可知，焊缝正面和反面的成形效果最佳。焊接电流较小时，即实验中的电流为210A，焊接热输入相对较低，熔滴主要以滴状过渡的形式进入熔池，熔滴对熔池的冲击力较小；同时母材熔化较慢，所以形成的焊缝熔深较浅，焊缝底部呈圆弧状，过渡较为平滑（如图3.5（a）。焊接电流为230A时，焊接热输入增加，熔滴开始以射滴过渡进入熔池，熔滴对熔池的冲击力明显上升，在等离子流与熔滴的共同冲击下，冲击力主要集中在焊缝正中区域，使得熔池呈现出如图3.5（b）所示的指状熔深。焊接电流较大时，焊接热输入急剧上升，母材及焊丝熔化速度明显加快，同时电弧吹力加大，使得熔池内部形成自下而上的环流。在这些因素的共同作用下，焊缝熔池内部变宽，形成如图3.5（c）所示的良好双面成形焊缝。从实验结果可以推断：当焊接电流增加到一定值时，作用在焊缝上的电弧力加大，焊接热输入增大且热源位置会下移，焊丝熔化速度加快，熔敷金属的量增加，其流动性也增加，所以焊缝的余高和熔宽都有所增加。随着焊接热输入增加，熔化的母材增多，电弧吹力增加明显，焊接时焊缝熔敷金属向下流动增多，导致焊缝背面凸起，甚至出现图3.1所示的焊缝焊穿和塌陷。3.2.2 焊接速度对焊缝成形的影响工业生产时，焊接生产效率是一项重要指标，为了提高生产效率，生产中常要提高焊接速度。在铝合金的熔化极氩弧焊中，焊接速度也是影响焊缝成形的重要参数。实验用焊接参数如表3.3所示。表3.3 不同焊接速度下的焊接工艺参数组数焊接速度/（m/h）电弧电压/（V）焊接电流/（A）气体流量/（L/min）根部间隙/（mm）12124.2250181224327430按照表3.3焊接参数施焊后得到的焊缝表面成形如图3.6所示。 a)焊接速度V=21m/h b)焊接速度V=24 m/h c)焊接速度V=27 m/h d)焊接速度V=30m/h图3.6 不同焊接速度下的焊缝成形外观由图3.6可知，随着焊接速度的增加，焊缝的宽度越来越小；而且在速度较大时，沿焊接方向的焊缝宽度大小不均匀。对每组试块焊缝的熔宽和余高各取三组数据，然后取得其平均值，记录在表3.4中。表3.4 不同焊接速度下焊缝熔宽和余高的值焊接速度（m/h）21242730熔宽（mm）14.90、14.74、15.1212.50、12.42、12.3010.62、10.56、10.709.52、9.84、1.10平均熔宽（mm）14.9212.4010.629.82余高（mm）3.05、3.05、3.303.05、2.90、3.002.45、2.50、2.602.15、2.25、2.15平均余高（mm）3.122.982.522.18根据表3.4绘制焊缝的熔宽、余高随焊接速度的变化曲线，如图3.7所示。图3.7 焊缝的熔宽和余高随焊接速度变化的曲线由图3.7可知：对于铝合金MIG焊，随着焊接速度的增加，焊缝的余高及熔宽都明显减小。产生的主要原因是：其他参数一定的情况下，随焊接速度增加时，导致焊接热输入减少，从而使焊丝金属熔敷量减少，最终导致焊缝余高减小、熔宽变窄。同焊接电流测量熔深的操作步骤一样，处理焊接试样后得到如图3.8所示的焊缝切面图。 a)焊接速度V=24m/h b)焊接速度V=27m/h图3.8 不同焊接速度下焊缝的成形从图3.8所示焊缝的成形，可以看出，焊接速度较小时，焊缝熔宽较大，熔敷金属主要堆积在焊缝表面，焊缝剖面呈现出正面焊缝宽，背面焊缝窄；随着焊接速度加快，本实验中当焊接速度为27m/h时，焊缝正面和反面熔宽基本一致。此时的焊接速度即为本实验中的最佳焊接速度。由此实验中的数据统计和试样观测可以推断，在对6061铝合金进行MIG时，焊接速度由小变大过程中：焊缝的余高和熔宽都会越来越小，同时焊缝的反面成形由窄变宽，再变窄；在焊缝变宽的过程中，当焊缝反面成形的熔宽达到与正面成形基本一致时，这个对应的焊接速度即为此焊接参数下的最佳焊接速度。3.2.3 根部间隙对焊缝成形的影响焊接过程中，焊件的装配间隙对焊缝成形有直接的影响。采用电弧焊焊接对接接头时，通常根据焊件板厚确定是否预留间隙、间隙大小及所开的坡口形式。本实验中采用了表3.5所示的参数来研究了装配间隙与其焊缝成形之间的关系。表3.5 不同的装配间隙下的焊接工艺参数组数间隙/（mm）电弧电压/（V）焊接电流/（A）气体流量/（L/min）焊接速度/（m/h）1024.225018272132根据以上焊接参数进行焊接，所得试块焊缝的表面成形如图3.9所示。 a) 间隙C