为 855 J /mm 时 ,离熔合线距离约 12. 5 mm 以内区域发 生软化 ,硬度最低值在离熔合线约 9 mm 处 。经过人工
图 2 接头硬度分布
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时效后 ,各区硬度得到不同程度的恢复和提高 ,在离熔 合线约 7 mm 以内完全恢复至母材硬度 ,在 7 ～11 mm 区域仍低于母材的硬度 ,此区不可完全恢复 。由图 2b 可看出热输入 390 J /mm 时的硬度分布情况 ,分布规律 与图 2a基本相似 ,只是不可完全恢复区的位置有较大 的变化 ,大约在离熔合线 4. 5～7. 5 mm 处 。 2. 2 热影响区的软化
材质
母材 6063 焊丝 ER4043
Mg 0. 53 0. 03
Si 0. 46 5. 50
表 1 6063 铝合金及 ER4043 焊丝的化学成分 ( % )
Fe 0. 34 0. 15
Mn 0. 10 0. 01
Cu 0. 10 0. 004
Cr
0. 10 —
Zn
0. 10 —
Ti 0. 10 0. 01
Abstract Effects of artificial ageing on the hardness distributions and strength were analyzed for 6063 alum inum alloy joints welded by varying heat inputs. The hardness of the welded joint can be increased by artificial ageing, especially in the welding seam and heat affected zone near the fusion line, the hardness is equal to or more than that of base metal, but there is 4 - 5 mm softening zone in the heat affected zone. The determ ination of thermal cycle in heat affected zone showed that the hardness can be fully recovered by artificial ageing in the zones w ith the peak temperature more than 350 ℃. The hardness can’t be fully recovered in the overaging zone w ith the peak temperature between about 250 and 350 ℃. D issolu2 tion and grow th of the strengthening p recip itates induced by the temperature lead to the softening.
① 国家重大基础研究前期研究专项基金 (2004CCA04900)
焊接 2006 (5)
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1 试验方法
1. 1 焊接试验 母材试板取自国产 6063 铝型材 (状态为 T5 态 ) ,
尺寸为 250 mm ×100 mm ×3 mm。焊丝采用 ER4043, 直径为 <2. 0 mm。母材及焊丝均用碱溶液洗后冷水清 洗 ,再用硝酸中和处理 ,以去除母材及焊丝表面的氧化 膜 。母材及焊丝的化学成分见表 1 。
表 3 母材及接头拉伸试验结果
单位 : MRP0. 2
抗拉强度 Rm
接头 (未时效 )
屈服强度 RP0. 2
抗拉强度 Rm
接头 (时效 )
屈服强度 RP0. 2
抗拉强度 Rm
1
170. 52
197. 32
77. 51
140. 60
151. 60
176. 24
2 3 4 5 平均值
区分为淬火区 (大于 350 ℃)和过时效区 (250～350 ℃)。 2. 4 热输入的影响
图 6表明 ,热输入越大 ,过时效区离熔合线越远 , 最低硬度值越低 ,过时效区范围也越宽 。由图 4 容易 理解 ,热输入大时“过时效区 ”峰值温度范围 ( 250～350 ℃)离熔合线越远 ,而且此温度范围对应的距离也越 长 ,所以过时效区位置离熔合线更远 、过时效区范围也 变得越宽 。高热输入时强化相获得“过时效 ”的时间比 低热输入的时间长 ,导致强化相聚集长大更严重 ,软化 也就更严重 ,硬度的最低点就越低 [ 3 ] 。 2. 5 接头拉伸强度
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焊接 2006 (5)
试验研究
时效对 6063铝合金焊接接头性能的影响①
兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建重点实验室 (730050) 朱 亮 龙 林 乔及森
摘要 对不同焊接热输入下的 6063铝合金焊接接头进行人工时效 ,分析其硬度分布和强度的变化 。通过焊 后人工时效 ,可以提高焊接接头各区的硬度和焊接接头的强度 ,在焊缝区及距熔合线较近的热影响区 ,可使其硬度 接近或超过母材 ,但在热影响区仍存在 4～5 mm软化区 。测定热影响区的热循环 ,发现人工时效后硬度能完全恢 复区在峰值温度大于 350 ℃的近缝区 ,硬度不能完全恢复的过时效区的峰值温度约在 250～350 ℃。软化的直接 原因是温度引起强化相不同程度溶解和长大 。
经人工时效后 ,两种热输入下的接头的软化区的
焊接 2006 (5) 图 4 热影响区峰值温度分布
图 3 离熔合线不同距离点的热循环曲线
图 5 硬度与峰值温度关系
硬度均得到不同程度的恢复和提高 。由图 5 可看出 , 在峰值温度小于 250 ℃的区域 ,两种热输入的未人工 时效和人工时效的接头硬度均无明显变化 。在峰值温 度为 250～350 ℃区域 ,接头经人工时效后硬度仍未达 到母材区硬度 ,主要原因是在焊接过程中 ,由于热输入 的影响 ,该区域内强化相 (M g2 Si)部分聚集长大或部分 强化相重新溶解 ,导致该区严重软化 ,在人工时效过程 中 ,该区继续析出少量强化相 , 又因时效温度为 176 ℃,尚未达到强化相的溶解温度 ,人工时效前已聚集长 大的析出相不能溶解而降低了强化作用 ,总体上该区 起强化作用的 M g2 Si相数量少于母材区 ,导致该区人工 时效后硬度也不能恢复至母材的硬度 ,该区即为过时 效区 。在峰值温度高于 350 ℃以上的区域 ,由于此区 温度较高 ,几乎所有强化相溶解到基体中 ,由于固溶强 化效果比过时效区的强化效果稍好 ,硬度稍高于过时 效区 ,但此区经人工时效后能重新析出强化相 ,故此区 为淬火区 ,硬度能完全恢复以至得到提高 ,原因如前文
关键词 : 6063 铝合金 人工时效 强化相 硬度
EFFECTS O F AGE ING O N THE PRO PERT IES O F 6063 A l ALLOY W ELD ED JO INTS
Lanzhou University of Technology Zhu L iang, L ong L in, Q iao J isen
目前 ,对 6000系铝合金的焊接接头组织和力学性 能变化已有一些初步研究 [ 4～8 ] ,该系部分合金的焊接 接头有较严重的软化现象 ,软化原因主要是接头受焊 接热循环的影响强化相粒子发生过时效而粗化 。以上 研究主要集中在合金的焊接性 、组织及热影响区软化 行为方面 ,但对 6063铝合金的焊接接头力学性能变化 与焊接热循环的关系以及人工时效的影响还缺乏详细 的研究 ,文中通过试验研究了 6063铝合金的焊接接头 的软化原因及其与焊接热循环的关系 ,并研究了人工 时效对接头性能的影响 。
图 3是测得的热循环曲线 ,可由此图得到热影响 区峰值温度分布图 ,如图 4所示 。将图 4与图 2结合分 析 ,可以得到峰值温度与硬度的关系 ,如图 5所示 。由 图 5可以看出 ,在峰值温度大于 250 ℃的区域 ,硬度均 有不同程度的降低 。又由图 4可看出 ,在热输入为 855 J /mm 时 ,这一峰值温度点大约位于距熔合线 12. 5 mm 处 ,在热输入为 390 J /mm 时 ,这一峰值温度点大约位 于距熔合线 8. 5 mm 处 。由于 6063属于可热处理强化 铝合金 ,热影响区软化的直接原因是强化相的改变 ,包 括强化相的溶解和聚集长大 。 2. 3 焊后人工时效的影响
172. 75 182. 49 193. 51 187. 92 182. 58
3 结 论
图 6 人工时效处理后硬度分布
母材及焊接接头拉伸试验结果见表 3。表 3表明 , 未人工时效的焊接接头的屈服强度约是母材的 48% , 抗拉强度约为母材的 71%。接头经人工时效后屈服强 度约为母材的 89. 7% ,抗拉强度为母材的 90%。拉伸 试验还表明 ,所有接头都断在离熔合线 9 mm 附近 ,与 过时效区位置十分吻合 ,所以焊接接头的最薄弱区在 热影响区的过时效区 。
Key words: 6063 A l a lloy, artif ic ia l age ing, prec ip ita tes, hardness
0 前 言
6063铝合金属于可热处理强化铝合金 ,主要强化 相是 M g2 Si,具有中等强度 、耐蚀性高 、无应力腐蚀破裂 倾向 、焊接性能良好及焊接区耐蚀性能不变等优点 。 这种铝合金淬火范围宽 ,对淬火温度敏感性低 ,薄壁件 可以实现风淬 (强风冷却 ) 。合金广泛用于建筑业和汽 车工业的框架承载结构及车身板 [ 1, 2 ] 。该系合金在焊 接过程中有相对较大的过时效趋势 ,直接原因是温度 引起强化相发生了改变 [ 3 ] 。
其它 0. 15 0. 03
Al 余量 余量
接头形式为对接 ,试板下部加铜垫板 ,如图 1 所 示 。采用交流 TIG自动焊 ,选用两种不同的焊接热输 入进行焊接 ,焊接工艺参数见表 2。焊后部分试板进行