（材料物理与化学专业论文）6005a铝型材焊接接头组织与性能.pdf

中南工业大学硕士学位论文 模拟试验之后进行硬度测试及金相显微组织观察，将 得到的实验结果与实际焊接接头对应部位的实验结果 比 较 ， 发 现 二 者 较 为 接 近。 国 可 用 热 模 拟 方 法 对 焊 接 接 头 进 行 模 拟 对比 研 究。 诊 关键词:大型铝型材，焊接接头， 软化区，加强筋， 性能，热模拟 组料全 一 ， 户 乞 中南工业大学硕士学位论文 八bs tract abstract 6 0 0 5 a a n d a l - 5 mg a l l o y s w i t h a n d w i t h o u t b w e r e p r e p a r e d b y i n g o t me t a l l u r g y . b y m e a n s o f mi g ,6 0 0 5 a a l u m i n u m w e l d e d j o i n t s w e r e o b t a i n e d w i t h 6 0 0 5 a s e c t i o n a l b a r s a t t s s t a t e a n d e r 5 3 5 6 a n d t w o k i n d s o f a l - 5 mg w e l d i n g w ir e s . u s i n g h a r d n e s s m e a s u r e m e n t a n d t e n s i l e t e s t a t r o o m t e m p e r a t u r e , t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f 6 0 0 5 a s e c t i o n a l b a r s , t h e a b o v e - m e n t i o n e d t h r e e w e l d i n g w i r e s a n d t h e 6 0 0 5 a j o i n t s w e r e s t u d i e d . wi t h o p t i c a l m i c r o s c o p y , s e m, a n d t e m, t h e m i c r o s t ruc t u r e s o f t h e m w e r e s t u d i e d . i n a d d i t i o n , t h e h a r d n e s s a n d o p t i c a l m i c r o s c o p y s t ruc t u r e o f 6 0 0 5 a w e l d e d j o i n t fr o m r e a l p l a t f o r m s i d e b o a r d w e r e a l s o e x a m i n e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t 1 .6 0 0 5 a a l l o y i s a t y p i c a l a g i n g s t r e n g t h e n i n g a l l o y . t h e m i c r o s t ruc t u r e o f t h e a l l o y a t t h e 几 s t a t e w a s r e c r y s t a l l i z e d a n d t h o s e o f t h e t h r e e w e l d i n g w i r e s w e r e p a rt l y r e c r y s t a l l i z e d m i c r o s t ruc t u r e s . 2 . 6 0 0 5 a a l l o y w e l d e d j o i n t i s c o m p o s e d o f w e l d b e a d , f u s i o n z o n e , h e a t - a ff e c t e d z o n e ( h a z ) a n d b a s e m e t a l .t h e h a z c a n b e s u b d i v i d e d i n t o q u e n c h e d z o n e a n d s o ft e n e d z o n e . t h e p r o p e rt i e s o f t h e w e ld b e a d a n d t h e f u s i o n z o n e we r e i n f e r i o r b e c a u s e o f t h e c a s t s t ruc t u r e o f t h e f o r me r a n d t h e i n h o m o g e n e o u s s t r u c t u r e a n d c o m p o s i t i o n . t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e b a s e m e t a l w e r e e x c e l l e n t w i t h t h e f i n e d i s p e r s e d s t r e n g t h e n i n g p h a s e a n d t h o s e o f t h e s o ft e n e d z o n e w e r e t h e w o r s t b e c a u s e o f t h e a g g r e g a t e d s t r e n g t h e n i n g p h a s e . 3 . t h e s o ft e n e d z o n e w a s t h e z o n e w i t h t h e w o r s t p r o p e rt i e s . t h e z o n e e x i s t s b e c a u s e t h e s t r e n g t h e n i n g p h a s e mg : s i a g g r e g a t e d a n d g r e w u p . t o i n c r e a s e t h e p r o p e rt i e s o f t h i s z o n e , s t ruc t u r e o p t i m i z a t i o n m e t h o d w a s e m p l o y e d a n d t h e c o o l i n g v e l o c i t y i m p r o v e d i n t h e m e a n t i m e , t h u s t h e c o a r s e n e s s o f t h e s t r e n g t h e n i n g p h a s e c o u l d b e i n h i b i t e d a n d t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s i m p r o v e d . 4 . wh e n t h e w e l d i n g w i r e s w e r e mi c r o - a l l o y e d w i t h c r a n d b , t h e mi c r o s t ruc t u r e o f t h e w e l d b e a d w a s i m p r o v e d a n d c rys t a l l i z a t i o n c r a c k s 中南工业大学硕士学位论文abs t ract r e d u c e d , t h u s i t s p r o p e r t i e s w e r e i m p r o v e d . 5 . t h e r m a l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d a s t o t h e t h r e e d i ff e r e n t a r e a s o f t h e h a z o f 6 0 0 5 a w e l d e d j o i n t .c o m p a r e d w it h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f t h e c o r r e s p o n d i n g a r e a s o f t h e w e l d e d j o in t s , t h e t w o 二 e r e v e ry c l o s e t o e a c h o t h e r . s o c o n t r as t s t u d y o f t h e w e l d e d j o i n t c a n b e c a r r i e d o u t b y t h e r m a l s i m u l a t i o n m e t h o d . k e y w o r d s : a l u m i n u m a l l o y s e c t i o n a l b a r s , w e l d e d j o i n t , t h e s o ft e n e d z o n e , r i b r e i n f o r c e m e n t , m i c r o s t ru c t u r e p r o p e rt i e s ,t h e r m a l s i m u l a t i o n 中南工业大学硕士学位论文第一章 第一章文献综述 1 . 1 6 x x x系大型铝型材的研究与应用概况 铝合金相对钢铁而言质量轻、表面美观、耐蚀性好和容易加工，以其 作为车辆材料二十世纪初就有所报导， 此后不断有所发展， 但是直到1 9 7 7 年欧洲开发大型宽幅薄壁铝型材后才开始得到广泛的应用。 这种型材使车 体结构简单化， 焊缝总长度减小， 焊接自 动化程度增加， 在大幅度降低车 辆重量的同时大量减少了制造工时和节省了材料费用， 打破了铝车价格昂 贵的观念。日 本、苏联、德国、 挪威、意大利等国选用铝合金等材料制作 车体， 不仅达到轻量化的目的， 各种金属车体的经济性见表 而且节省了费用。 若将钢制车辆车重看作 1 一 i ea . 1 - 1各 种 金 属 车 体 的 经 济 性 比较 (以法 国 国 铁 为 例 ) 表 车体价格比 车体材料车体重量比 材料费p 0 . 0 9 ( 1 ) 加工费 c 最终价格 p = p + c 0 . 9 1 ( 1 ) . 8 5 . 6 5 0 . 2 ( 2 . 7 8 ) 0 . 4 ( 5 . 3 4 ) 0 . 8 0 ( 0 . 8 8 ) 0 . 5 2 ( 0 . 5 7 ) nucu 钢车 ( a c 5 2 含铜钢) 不锈钢车 ( 1 8 一 不 锈钢+ a c 含铜钢) 铝合金车 ( 6 0 0 5 a ) 6 x x x系合金具有中等强度、可焊性和耐蚀性优良的特点，特别是其 优良 的挤压性能， 使其作为车辆用大型薄壁中空挤压型材得到了广泛的应 用21 。 其中 较 常用的 几 种6 x x x 系 合 金 牌号为6 0 6 1 , 6 3 5 1 , 6 0 0 5 和6 0 6 3 . 6 0 6 1合金己经成为数十年来轻质结构应用中的主要材料。 但是为了得到 其稳定的静态抗拉性能和缺口韧性，通常要求采用最佳的在线挤压水淬 火，但这样又可能引起扭曲和提高成本的问题。6 0 0 5合金容易挤压，并 具有足够的强度、但有很大的缺口敏感性。6 3 5 1合金具有很好的强度和 中南工业大学硕士学位论文第一章 韧性，但就易挤压性而言，它比6 0 0 5要差一些， 6 3 5 1 合金有着与6 0 5 1 合金大致相同的淬火敏感性。 在欧洲， 6 0 8 2 合金在使用上优于6 3 5 1 合金。 由于它的镁含量较高，其机械性能比6 3 5 1 合金的稍高，但是增加镁含量 对挤压性能有不利影响。6 0 6 3有极好的挤压特性和最佳表面处理性能。 6 0 0 5 a 的挤压性能与6 0 6 3 合金的相同，但其它性能比6 0 6 3 的要好，可以 生产更薄的宽幅型材l3 , 4 1 。表 1 - 2列举了 国 外高速列车车体用主要铝合金 的性能，可见，a 1 - m g - s i 系中的6 0 0 5 a 铝合金具有较好的综合性能。 表1 - 2 国外高速列车车体用主要铝合金的性能1 5 1 类别材料牌号 处 理 状 态 抗拉 强度 ) ( m p a ) 屈服 强度 ) ( m p a ) 延伸 率妻 ( % ) 挤 压 性 成 形 性 可 焊 性 耐 蚀 性 美、日、法中国 a 1 - m g - s i 6 0 0 5 a t s2 5 02 1 08 优良良良 6 0 61l d 3 0 t s3 0 02 5 01 0良 良 般 良 6 0 6 3l d 3 1 t ;1 6 01 1 08 优良优优 从列车用铝材的发展趋势来看， 有两 个发展阶段【6 1 : 第一阶段以7 n 0 1 和5 0 8 3 合金为主导地位;第二阶段由于大型薄壁宽幅带筋板材和中空型 材在车辆上使用比例增加， 挤压性能好的6 0 0 5 a( 或6 n 0 1 ) 在列车上的用 量迅速增加。 由于车体焊接构件多为纵向直焊缝， 焊接时发生变形的程度 比第一阶段采用的合金小。 例如日 本1 9 8 1 年制造的3 0 5 0 系山阳电铁车体 就是由6 n 0 1 ( 相当于6 0 0 5 a ) 型材构成， 其中中空型材的使用比例也很大: 6 n 0 1型材占全部铝合金材料的 7 8 . 8 % ， 中空 6 n 0 1型材又占整个型材的 6 4 . 3 % 。型材与车体同长，所以全部为纵向焊缝。在欧洲也有类似情况: 自1 9 7 9 巴 黎地铁首次采用6 0 0 5 a 铝型材以 来，欧美各国 均己 相继将其用 于列车车体，如最近德国的 i c e高速列车等。由此可见， 6 0 0 5 a大型型材 在车辆上的应用正日 趋广泛r 中南工业大学硕士学位论文 第一章 1 . 2 6 x x x 系合金的组织与性能特点 1 . 2 . 1 6 x x x 系合金的平衡状态图及其组织构成物 6 x x x系合金为铝镁硅系合金，富铝角的平衡状态图如图 1 - 1 所示， 在a l - m g - s i 三元系中， m 9 2 s 为稳定化合物， 与铝构成伪二元系， 使a l - m g - s i系分成。 + m g 2 s +s 及。 + 崛 多 i + m g ; a l e 两个三元共晶系，三 元共晶温度分别为5 5 8 和4 4 8 0c 。 由a 1 - m g 2 s 系伪二元状态图( 图1 - 2 ) 可知， m g 2 s 在铝中的 溶解度随温度而明显变化。 共晶 温度下的极限溶解 度为1 . 8 5 % , 2 0 0 时 仅为0 . 2 7 % e 。因 此， a 1 - m g z s 系 合金有明 显的时 效强化效应， 强化相为m 9 2 s 相。 m g 2 s 中 镁与硅之比 为1 . 7 3 ，当m g / s i 大于 1 . 7 3 时， 除形成m 9 2 s 外，尚有过剩镁存在， 过剩的镁将显著降低 m 9 2 s 在固溶体中的溶解度，削弱其时效强化效果。而过剩硅则不影响 m 9 2 s 的 溶解度。 因此， 工业用6 x x x 系合金中的 硅含量一般高于形成m 9 2 s 所 需 的 量 s1 6 x x x系合金可自 然时效，但时效过程比较缓慢，而人工时效则可使 合金获得显著的时效效果。强化相在时效过程中的 沉淀顺序为g 0 1 g p 区针状m 9 2 s 非平衡相一棒状m 9 2 s 非平衡相，片 状平衡m 9 2 s 相。 a l - m g - s i系合金的一个突出问题是 “ 停放效应” ，即人工时效前在 室温停放会导致抗拉性能低于淬火后立即时效的合金性能。 重1 2 , %s i 图1 - 1 铝一镁一硅相图铝角 中南工业大学硕士学位论文 第一章 a s g , s i : a : .0v l -a .一一二二卜井气一 丰 6 戈 ; . a i l-( al 3 u , 一、 a : 一mg , s i 1,ji-一 ， 户 一一一一一 一一1 二1 : ; 三 吠夕 图1 - 2 a l - m g 2 s i 伪二 元 系 状 态图 1 . 2 . 2 6 0 0 5 a 的合金化设计原理 按照车辆运行的要求，车体设计时车辆用 6 0 0 5 a铝合金的力学性能 指标要求达到: 0 6 2 5 0 m p a , o u . 2 3 2 1 0 m p a , s ; , : 8 % ，焊接系数不小 于0 . 7 。 从图1 - 1 可以 看出， 6 0 0 5 a 铝合金结晶组织中的主要强化相为m g 2 s 相。因此， 该合金的力学性能主要取决于主合金元素 s i 和 m g的含量和 对其实施的热处理工艺。 在 6 x x x 系合金中，硅和镁同时使用并生成可使该系合金热处理强化 的m g 2 s 相， m g 2 s 中m g 与s i 之比 为1 . 7 3 ，由 于生产实 践中 很 难保证此 比例，所以大部分合金不是含有过剩的镁就是含有过剩的硅。但是当镁 含量超过形成m g 2 s 所需量时， 过剩的 镁将使m g 2 s 的固 溶度大为降低， 合 金 成形性 也降低。 过剩的 硅因 细化0 - m g 2 s 粒子 或沉淀 s i 粒子而 有利于沉淀强化，但会降低延性，引起晶间脆化，脆化原因与s i 在晶界 偏聚有关，过剩硅过多时对沉淀强化的有利作用降低。实用工业 6 x x x系 合金一般含过剩硅。 通常为了 满足提高挤压速度的要求， 需降低 m g 2 s 的含量，由 此造 成的强度损失通过过剩硅来补偿。 m g 2 s i 含量低时合金对淬火速度不太敏 感且有利于挤压性， 例如为了提高淬火敏感性和挤压加工性，6 0 0 5 a合金 中的m g 2 s 含量不多，为 。 . 7 w t 1% -1 . l w t %;为了 加大强化效果， 过剩 硅较多，一般为0 . 2 %一0 , 6 0% e l l . 中南工业大学硕士学位论文 第一章 另外， 6 x x x系合金中常含有以下微量元素，它们在该合金中的作用 分别为 12 , 13 , 19. 15 . 16 7 铬 对变形产品而言， 铬的扩散速率缓慢， 形成细小的弥散相。 这些弥散 相可阻止形核和晶粒长大。 铬常用来控制晶粒组织， 避免铝镁硅系合金在 热加工和热处理时发生再结晶。 所形成的纤维状组织可降低对应力腐蚀的 敏感度， 改变韧性。 固溶体中的铬作为细小的弥散相可使合金的强度略有 提高。 铬在铝镁硅合金中的主要缺点是当硬化相趋于在原有的铬相质点上 沉淀时，增强了淬火敏感度。 锰 锰无论在固溶体中还是作为一种细小的弥散相，都可提高铝的强度。 锰作为添加剂.， 常用来提高强度和控制晶粒组织。 锰的作用是在热加工时 提高再结晶温度， 并促使纤维组织的形成。 作为弥散相， 锰有减慢回复和 防止晶粒长大的作用。锰的沉淀相可提高6 x x x 系合金的淬火敏感性。 钦 钦主要用作铝合金铸件和铸锭的晶粒细化剂。 单独使用钦时， 其细化 作用随溶体静置时间和废料的重熔次数而下降。 如果熔体中存在硼， 或者 将钦作为一种含硼中间合金 ( 大部份结合成t i b , ) 加入，晶粒细化作用将 得到提高。 钦是焊丝中常用的添加剂， 可以细化焊接组织， 防止焊缝裂纹。 在扁锭或圆锭的铸造中， 钦通常单独加入或与硼同时加入，以改善铸态晶 粒组织和防止裂纹。 硼 硼在铝及铝合金中一般作为晶粒细化剂， 如同时加入过量的钦， 其细 化效果更好。 工业用晶粒细化剂通常含有5 : 1 的钦和硼: 到 。 铜 铜在6 x x x 系合金中能 提高时 效强 化能 力， 但降 低塑 性和 抗蚀性: 18 1 1 . 3 6 x x x 系合金的焊接 1 . 3 . 1铝合金的焊接特点 中南工业大学硕士学位论文 第一章 铝合金焊接有五个主要的 特点i 1 9 : 铝合金热导率大( 约为钢的4 倍) ， 导电性好，焊接时若要达到与钢相同的焊速，则焊接线能量要比焊钢时 大 2 - 4倍;铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜 ( 熔点约为 2 0 5 0 0c ) , 焊接时应将其清除，否则会影响基体金属的熔化质量，产生夹杂等问题; 铝合金线膨胀系数大，焊件产生热应力、变形及裂纹的倾向大;合金元 素易挥发、烧损，从而改变焊缝金属的化学成份，使焊缝性能下降;铝 吸收氢严重，熔化的焊缝金属经快速冷却与凝固时氢来不及逸出，易在 焊缝中聚集，从而出现气孔。 1 . 3 . 2 m i g 焊接工艺 m i g 焊方法简介 1 9 3 0年以前，焊接在机器制造工业中的作用还是微不足道的。当时 造船、锅炉、飞机、火车等制造工业基本上还是用铆接方法。这种铆接 方法不仅生产效率极低，而且连接质量也不能满足船体、飞机等产品的 发展要求。从 1 9 3 0年以后，电弧焊接和电阻焊逐渐取代铆接，成为机器 制造工业中的一种基本方法,2 0 7 m i g焊属电弧焊的一种， 亦称熔化极惰性气体保护焊。由于其焊接 电弧功率大、热量集中、焊接热影响区小、焊接效率高，通常用于 6 x x x 系和7 x x x 系铝合金大型材的 焊接2 u 导. 七 嘴 ( 导电休) 丁 f; 性 i 4 称 : d 乏 1?1动辍送) s- ( i i7j,r. y )it%, a 万 卜 人 泣二 = f h 护 亏 叮 熔炙 交 企i r e 一爷1 长 么汤 这种焊接是在氨.氦等惰性气体气 氛中进行的。它是把作为电极的成盘焊 丝由电动输送装置连续地送入焊接区 ( 如图 1 - 3所示) ，使焊丝的前端与基 体金属之间产生电弧，并使焊丝一边熔 化一边进行焊接的方法2 0 图 卜3 m i g 焊方法的工作原理 与手弧焊、埋弧焊等其它焊接方法 相比，它具有以下优点2 0 中南工业大学硕士学位论文 第一章 ( 1 )由于用焊丝作电极，可采用高密度电流，因而母材熔深大，熔 敷金属量多，能够用少量的焊道层次完成厚板的焊接。 ( 2 )通过采用自 动行走装置，可进行厚板的全位置自 动焊接，焊接 生产率高，焊接缺陷少，焊接变形小。 ( 3 )半自 动焊时， 焊枪操作灵活，能够完成形状复杂和小型结构件 的焊接。 1 . 3 . 3焊接传热特点 1 . 3 . 3 . 1焊接温度场 焊接时热源集中作用于焊件接口部位，必然使焊件存在温度梯度， 从而不可避免地要产生热传导过程。焊件上各点在某一瞬时的温度分布 为温度场，焊接过程中，焊件上形成不均匀的温度场，势必引起不均匀 的应力场或应变场、不均匀的组织和性能变化以及焊接变形等问题。 根据固体导热的 通用方 程2 2 1 a t a 护 t 护 t a t_ ， 万一 c p l a x 2 十 丽十 -6 z-t ) = a v t 兄 a= c p ( 1 - 1 ) 式中。 一导热系数或热扩散系数 ( c m / s ) c 一比热容 ( j / g . *c ) p一密度 ( g / c m 3 ) 可以得到瞬时热源的特解表达式: (一 ，雨q 又 expcp (47cat)yl一 r24at ) ( 1 - 2 ) 中南工业大学硕士学位论文 第一章 式中r 一所研究的给定点p 距热源作用点0 的距离; n 一常数，点热源n =3 ，线热源 n =2 a 罗森塔尔对足够厚的板和薄板所计算的温度场分布如图1 - 4 所示2 2 1 卜 抢 : 一 耳 “厅 图1 - 4 厚板 ( a ) 和薄板 ( b ) 焊接时的温度场分布 1 . 3 . 3 . 2焊接热循环 存在焊接温度场的同时，由于焊接热源始终处于以一定速度运动的 状态之中，因而对焊件上受到热作用的任一点来说，瞬时所能得到的热 能是有限的。焊接过程中，当焊接热源接近焊件上某一点时，传导来的 热量将使该点迅速加热升温;随着热源的逐渐远去，则以迅速地从该点 导出热量而使其冷却降温。受到焊接热时，焊件上某一点 p的温度随时 间的变化过程称为焊接热循环。可以认为每一个焊接热循环的特征是由 四 个主要参数决定的: 加热速度。 h ;峰值温度t . _ : 在某一定高温以 上 的停留时间 冷却时间t c 确 定 23 t h ; 在某一温度时的瞬时冷却速度。 c 或在某一温度区间的 。 对铝合金的焊接热循环特点，t . . : 及t 。 可由以 下经验公式 1 t . -一 t o 召 2 , e c p h y o 十 9 1 口 1 几 一 t n ( 1 - 3 ) 中南工业大学硕士学位论文 第一章 ( e / h ) z 4 7r? .c p ( 几一 几) ， ( 1 - 4 ) 式中:t 。 焊前预热温度 c 一基体材料的热容 p 一 基体材料的密度 q 一焊接能量 h 一试样高度 y 。 一试验区离熔合线的距离 u 一焊接速度 e 一线能量 1 . 3 . 4焊接接头分区 由于焊接过程中的特殊传热过程， 焊接所连接的材料上距离热源的 远近不同，其组织和性能也各有差异。通常将受到焊接热作用后组织和 性能相对于基材发生改变的区域称为焊接接头。 焊接接头不仅包括结合 区，也包括其周围区域。熔焊时，结合区即为熔化区，熔化区凝固后即 成为所谓的焊缝， 焊缝由发生局部熔化的母材和熔化了的焊丝金属混合 形成。由于局部加热， 结合区邻近区域的母材金属势必也会因热传导而 受到热的影响，从而可能引起组织或性能的变化。这一受到热影响的区 域，称为热影响区。 焊缝与热影响区的交界面为焊缝边界，实际为具有 一定 尺寸的 过渡区， 常称为 熔合区2 9 i 。 可热处理强化铝合金焊接接头的 示意图 见图1 - ic i 。 6 0 0 5 a铝合金母材是由设计工作者所选定的优质材料，其出厂的组 织和性能一般己符合产品的使用要求。由于高速列车、地铁列车和城市 轻轨车用6 0 0 5 a 铝合金大型材长约2 6 二 左右， 在焊接时不可能再进行任 何形式的热处理。 然而， 焊接热影响区各局部位置所经历的焊接热循环， 实质上是各自在进行着一个特殊的热处理过程，从而会在整个热影响区 引起不均匀的组织变化， 显然会对焊接接头的组织和性能发生强烈的影 响。问题在于这种焊接热循环所造成的热处理，往往带给焊接接头以不 良的效果，对于不同的金属，会在热影响区的不同部位引起不同的组织 中南工业大学硕士学位论文第一章 和性能变化，以致在局部位置产生软化。 特别是在焊前经过冷作硬化或 热处理强化的金属，在焊接热影响区局部位置，焊前的强化处理效果总 是或多或少遭受破坏。由于这种局部软化的存在，削弱了整体结构的强 度 1 图1 - 5铝合金熔焊接头示意图 1 . 3 . 5 焊丝的选择标准 铝及铝合金焊接时填充焊丝的成份与焊接接头的机械性能、 抗裂性 及耐蚀性等有很大关系，因 此焊丝的选择极为重要 ， 。 焊接时，由于填加金属中含有的各种元素氧化和挥发损耗以及受基 体金属的稀释作用，不可能获得与填加金属成份完全相同的焊缝金属。 在这些合金元素中， 梅和z n 比s i 和c u 更容易损耗。因此，最好采用 合金元素含量比基体金属略高的填加金属，而且为了使焊缝金属的晶粒 细化，最好采用添加t i 和b 等元素的填加金属。一般说来，在与基体 金属熔合而成的 焊接接头组 织中， 如果生成过多的m g : s i , c u a l z , a l f e s i 或 m n a i 。 之类的化合物，接头不仅缺乏韧性和变脆，而且疲劳强度也会 降低，因此必须注意填加金属的选择28。 实践证明， 焊缝金属的主要成份即使同母材一样，也不一定能保证 具有与母材同一的性能。因为母材可以通过多种形变加工及热处理等手 段来改善其性能;而焊缝金属在焊后一般没有条件再经形变加工，多数 情况下 也不进行热处理， 而只能通过合金化和控制焊接工艺条件来控制 焊缝的组织和性能。通常，需通过焊丝添加对焊缝性能有益的某些合金 中南工业大学硕士学位论文第一章 元素，焊丝还需保证这些成份稳定地进入熔敷金属。 焊接6 x x x 系合金时，当m g : s i 为2 : 1 时， 容易产生裂纹:当m g 2 s i 约为 1 % 时， 裂纹会出 现峰值 “ ” ， 。大多数实用合金的化学成份均处于裂 纹敏感性最高的范围内，当采用与基体金属同系的填加金属焊接时，即 使添加细化晶粒的元素， 也难以焊接。 因此， 一般均用a 1 - s i 系 ( a 4 0 4 3 ) 或a 1 - m g 系 ( a 5 3 5 6 )合金作填加金属使用 3 0 ) 总之，焊丝应力求通过冶金过程时确保有害杂质侵入 “ 少” ，有益成 份烧损 “ 小” ，同时还要能实现焊接 “ 好”的要求。所谓焊接性能主要是 指熔敷金属的接合性能与使用性能。就焊丝而言，能否具有优异的操作 工艺性能，实现稳定的焊接过程 ( 稳弧性与再引弧性) ，获得良好的焊缝 外观成形，以及优良的焊后熔渣脱落 ( 脱渣性)等问题，也是极其重要 的，这些也可认为是焊接材料的一种焊接性能 3 ， ) 。 1 . 4焊接热模拟 6 0 0 5 a焊接热影响区是母材在焊接过程中，经受了特有的加热及冷 却过程后，明显发生组织和性能变化的区域。热影响区的性能一般会低 于原有的母材性能，其中 6 0 0 5 a焊接热影响区内的软化区更是性能较低 的一个薄弱环节。要弄清热影响区各部位的性能变化及其机理，以便对 其进行优化和提高，有必要先可靠测定这些组织和性能。但是由于热影 响区的宽度很窄，一般只有几毫米，并在这几毫米的范围内包括有范围 更小的几个性能和组织不同的特定温度区。若想在实际的焊接接头中， 对这些特定温度区的金属分别进行力学性能试验是困难的。为了使焊接 热影响区各特定部位的尺寸大到足以进行正常的性能试验，只有采用热 模拟方法才能达到。 焊接热模拟的特点就是利用焊接热模拟机在试样上重现焊接热影响 区的焊接热、应力及应变循环，使试样在较大的尺寸范围 ( 3 - 7 m m ，长度 方向)内获得焊接热影响区内某一特定温度区的均匀温度及组织。使焊 接热影响区各狭小的特定温度区域得以放大，提供了对各特定温度区组 织及性能研究的可能性。大量的试验研究证明模拟试样与焊接热影响区 的组织及性能有着良 好的吻合 2 2 ) 。因此焊接热模拟技术以它的可靠性及 中南工业大学硕士学位论文第一章 良好的重现性而受到重视。 随着焊接热模拟技术的发展，目前可制订温度一应力一时间及应变 一时间这三类曲线，但是焊接热模拟技术中使用最广泛、最基本的曲线 还是焊接热循环曲线，如图 1 - 6所示的焊接热循环曲线中可以看出以下 特证:各曲 线的加热速度是不同的，离焊缝越近的点其加热速度越大: 各曲 线达到的 最高 加热温 度一 峰 值温 度 t m 。 是不同的， 离焊缝越近的 点 峰值温度越高;各曲线在同一温度的冷却速度是不同的，而且同一曲线 在不同温度下的冷却速度也是不相同的，离焊缝越近的点冷却速度越大口 因此根据焊接热模拟工作的实践及结合铝合金的具体焊接热循环特点， 若要模拟出铝合金某处的焊接特征，必须确定三个基本参数:不同温度 的加热速度。 。 、峰值温度t . . x 、 在某一定高温以 上的 停留时间t , 、 在某 一温度时的 瞬时冷却速度。 c 或在某一温度区间的冷却时间t 。 3 2 。 图1 - 6 焊接热循环曲线 加热速度通常与具体焊接方法及工艺规范等有关，冷却方式为自 然 冷却。t . . 、 和t 。 分别由 公式 ( 1 - 1 ) 和公式 ( 1 - z ) 确定。 目 前，焊接热模拟分析仍存在以下缺点 3 3 ) 第一，试样的加热和冷却过程是在无拘束的条件下进行的 ( 即整体 加热和冷却) ，它的金相组织和晶粒长大比起实际的焊接热影响区 ( 相应 的热模拟部位)有一定的偏差，一般来讲，模拟试样的晶粒偏粗大; 第二，模拟试样是在处于隔离的体系中加热，其冷却和应力应变不 中南工业大学硕士学位论文第一章 像焊接接头那样有元素的相互扩散作用和相邻部位间的应力作用，因此 在性能上与实际焊接热影响区的真实情况很难完全吻合。 尽管有这些局限性，目 前的焊接热模拟试验工作已成为焊接物理冶 金方面的重要测试手段之一，这是一些其他试验方法无法代替的 3 4 ) 1 . 5 本研究的目的 采用铝合金材料是实现车辆轻量化的有效途径，而国外对铝合金车 辆材料，特别是 6 0 0 5 a铝型材及其焊接后性能的研究己 经达到了比较成 熟的水平。我国也已将高速铝合金车辆的研制列入了国家计委重点项目， 目前正在进行高速铝合金车体试制，但国内将 6 0 0 5 a铝合金用于车辆制 造业还处于起步阶段，甚至还没有自己的牌号 3 “ ， ，有关该方面的报道还 很少，国产6 0 0 5 a 在基体强度和焊接强度上与进口材料有一定差距。 本研究来源于 “ 车辆用大型铝合金型材产业化前期关键技术研制开 发项目”( 工程代号:0 2 4 )计高技 ( 1 9 9 8 ) 1 9 0 7号) ，主要对给定焊接 工艺条件下、采用自 产的 6 0 0 5 a型材和焊丝得到的 6 0 0 5 a焊接接头进行 组织和性能评价，以寻求改善 6 0 0 5 a焊接接头组织和性能的途径，基本 达到厂方的性能指标要求。 中南工业大学硕士学位论文第二章 第二章材料制备与实验方法 2 . 1材 料 制 备 2 . 1 . 1 6 0 0 5 a铝 合金 型材 的制 备 6 0 0 5 a铝合 金 型材 的生 产 工 艺 流程 如 图 2 - 1 e 合金成份设计 配料、熔炼、铸锭 均匀化处理 挤压成型材 ( 强风淬) 型材矫直 1 7 5 0c / 8 h 时效处理 交货 图2 - 1 6 0 0 5 a铝合金型材生产工艺流程 巾南工业大学硕士学位论文第二章 ( 1 )成份配比:在参阅有关文献资料 6 . 1 7 . 的基础上，对照 6 0 0 5 a合 金要求达到的性能指标，将6 0 0 5 a 合金的成份设计如下4 种成份: 表2 - 1 6 0 0 5 a 合金的实验成份 7g,r.a jj n nc rt i m g s ic uf ea l 1 #0 . 1 00 . 0 5 20 . 0 2 10 . 5 90 . 6 60 . 1 30 . 1 3 余量 2 #0 . 2 00 . 1 50 . 0 20 . 6 10 . 6 90 . 1 3 0 . 1 3 余量 3 #0 . 2 90 . 0 9 70 . 0 20 . 6 30 . 6 60 . 1 3 0 . 1 3 余量 4 #0 . 3 10 . 1 6 0 . 0 1 40 . 6 50 . 7 30 . 1 30 . 1 3 余量 其中c r , m n , t i 分别以a l - c r , a l - m n 和a l - t i 中间合金的形式加入， 崛、s i 均以 纯金属的形式加入。 ( 2 )熔铸与均匀化:熔铸在5 t 天然气加热炉中进行，先将纯铝锭熔 化， 然后依次加入a l - c r , a l - m n ， 之后加m g , s i 和a l - t i 。 采用4 0 % k c 1 + 4 0 w a c 1 + 2 0 %冰晶石作覆盖剂。从观察孔中观察到各组分熔化完毕后，通六 氯乙烷进行精炼除气， 之后开始进行半连续水冷模铸造， 切头去尾后得到 t 1 9 2 。 的圆锭，然后采用大型箱式电阻炉进行均匀化处理。 ( 3 ) 挤压: 挤压是在2 5 0 0 t 卧式挤压机上进行的， 挤压前加热温度为 5 5 0 或5 3 0 0c ， 保温 1 个小时， 挤压速度为3 耐m i n 或l m / m i n ， 主要采用 强风淬 ( 这主要是考虑到6 0 0 5 a 大型材水淬时易变形，不易矫直) ，少量 采用水淬。 ( 4 )时效处理:采 1 7 5 c / 8 h 时效处理制度。 焊接用的 6 0 0 5 a基材即来自 上述型材。用钢锯截下 1 1 0 x 6 5 x 3 m m 的薄板，然后用万能升降台铣床将欲焊接的一侧铣平。 中南工业大学硕士学位论文第二章 2 . 1 . 2 a l - m g 配用焊丝的制备 a 1 - m g 配用焊丝生产工艺路线如图2 - 2 . 合金成份设计 配料、熔炼 ( 除气精炼) 、铸锭 均匀化处理 挤压成(b 1 0 .5 m m的杆料 拉拔成( 3 .o m m的线材 ( 6 道次并中间退火) 拉拔成( 1 . 6 m m的焊丝 ( 7 道次) 表面处理 图2 - 2 a 1 - m g 配用焊丝生产工艺路线 中南工业大学硕士学位论文第二章 ( 1 )成份配比:参阅了国内外有关文献资料%3 ; ，将不含硼的 a 1 - m g 配用焊丝的成份设计如下: a 1 - 4 . 9 m g - 0 . 0 5 7 m n - 0 . 0 6 5 c r - 0 . 1 1 t i - 0 . 1 2 f e - 0 . 1 3 s i - 0 . 0 1 1 c u - 0 . 1 3 z n 其中c r , m n , t i 分别以a l - c r , a i - m n 和a l - t i 中间合金的形式加入， m g均以 纯金属的形式加入。而含硼的焊丝成份则是在上述无硼焊丝成份 的基础上以a l - 5 t i 一中间合金的形式加入微量硼。 ( 2 ) 熔铸与均匀化:熔铸在 3 t碳硅棒电阻加热炉中进行，采用 4 0 % k c 1 + 4 0 % n a c 1 + 2 0 %冰晶石作覆盖剂。从观察孔中观察到各组分熔化完毕 后， 通六氯乙烷先后进行三次除气精炼， 之后开始进行半连续水冷模铸造， 切头去尾后得到( 1 6 0 m : 圆锭，然后采用箱式电阻炉进行均匀化处理。 ( 3 )挤压:挤压是在 1 2 0 0 t卧式挤压机上进行的，挤压成 (p 1 0 . 5 m m 的坯杆。 ( 4 )制丝:先在普通拉丝机上将x1 0 . 5 。 的线坯经 6道工序并中间 退火，拉拔成it 3 . 0 ， 二线坯，之后采用先进的意大利生产线制成(d 1 . 6 m m 的焊丝，( 3 . 。 二线坯拉拔( 7 道次到( 1 . 6 m m )干磨削 ( 2 0 0 c) 一表 面处理一真空包装。 2 . 2 实验方法 2 . 2 . 1 6 0 0 5 a合 金 的焊 接 2 . 2 . 1 . 1坡口加工和焊前处理 沿型材压延方向铣平接口处，用铣刀将已铣平处加工成 4 5 。的 v型 坡口，准备进行对焊和角焊焊接。 对基体金属和焊丝的焊前处理如下: ( 1 )除油处理:用酒精等有机溶剂浸泡清洗基体金属和焊丝。 ( 2 )清除氧化膜:采用电动的细钢丝刷清理坡口及其附近表面的氧 化膜。 中南工业大学硕士学位论文 第二章 2 . 2 . 1 . 2 焊接设备和焊接条件 焊接设备为德国进口的m e s s e r m i g 4 5 0 焊机。焊接条件见表2 - 2 : 表 2 - 2 6 0 0 5 a焊接试验 的焊接条件 ff 送丝速 度 ( m / mi n ) 焊 接 速 度 ( c m / mi n ) 焊 接 电 压 ( v ) 焊 接 电 流 ( a ) 氢气流 里 ( 1 / 。 i n ) 0俘 5.0 42.9 19.6 108 20 1# 42.41 9.4 120 1 8 2# 38.4 1 9.0 1121 8 2 . 2 . 2金相组织观察 采用1 e o p h o t - 2 1 金相显微 镜观察合金焊接接头各区的金相显微组织， 观察面为试样的纵向 一 短横向组成的面。 制样过程如下: ( 1 ) 打磨: ( a ) 在m - 2 型金相预磨机上依次用 1 0 0 号，3 0 0 号，5 0 0 号水磨砂 纸打磨成平整的表面。 ( b ) 依次用 1 号，3 号，0 号，7 号金相砂纸打磨，表面形成整齐 细小的划痕。 ( 2 ) 抛光: ( a ) 粗抛:c r =o , 配成水的悬浮液。 ( b ) 精抛: 用w0. 5 的金刚石抛光膏抛光， 直至无划痕、 污迹、 拖尾 等成为光滑无痕的镜面。 ( 3 ) 侵蚀:采用 1 % 氢氟酸+ 1 . 5 % 盐酸+ 2 . 5%h0,混合酸水溶液。 2 . 2 . 3力学性能测试 中南工业大学硕士学位论文第二章 将对焊焊接接头加工成无余高平板试样，采用 h w 1 8 7 . 5型硬度计在 接头上垂直于焊道的方向以 5 m m的间隔进行逐点硬度测试，载荷为 6 2 . 5 k g ,钢球直径为2 . 5 m m ， 加载时间为3 0 s ， 取三组测量值的平均值。 室温拉伸试验样品按有关标准进行加工，制成试样比例如图2 - 3 。拉 伸试验试样都按垂直焊缝方向取样，室温拉伸试验在 c s s - 4 4 2 0 0电子万 能试验机上进行，试验拉伸速度为:2 m m / m i n 。每一组样品在同一状态下 测三个样品。 口 图 2 - 3 焊接 矩形 拉伸 试 样 2 . 2 . 4透射电 子显微组织观察 在h - 8 0 0 型