鋁合金材料焊后調修質量提升研究

盛慧章 徐達

中車四方車輛有限公司技術工程部 山東青島 266111

本文選取軌道交通產品用典型鋁合金材料進行綜合的“熱調修試驗”，并進行系統的技術研究，提升鋁合金產品焊后調修質量。

1 主要研究內容

采用“火焰矯正調修”工藝方法及“理化檢測手段”研究其對機客車產品典型材料（如：6系鋁合金）母材與焊接接頭組織及硬度的影響。采用“靜力學性能試驗”的方法研究火焰矯正調修工藝對常用典型材接接頭力學性能的影響，并進行不同調修工藝下的對比分析研究。采用“工藝仿真”方法對熱調修形工藝進行模擬分析，并分析熱矯形調修應力分布規律。

2 試驗過程與結果分析

2.1 試驗用材料簡介

鋁合金試驗材質 6061-t6，試板規格：350×150×4mm；焊接完成后對試驗試板的焊縫根部磨平處理，然后進行PT及RT 檢測。合格試板采用“中性焰或弱還原火焰”，火焰沿焊道平行 均勻移動（8~15mm/s），加熱范圍為沿焊縫縱向及其±30mm范圍，且火焰心距離工件表面 5~10mm；當焊縫表面溫度達到設定溫度時，立刻移動火炬。調修后分別用“強制風冷或水冷” 的冷卻方式。（測溫方式：熱電偶+測溫筆）

2.2 調修后拉伸結果分析

通過對試件拉伸試驗后，得出以下結果：其拉伸均斷裂在熱影響區（HZA），其他區域均無影響。無論風冷還是水冷條件，延伸率均在1次調修時最高，說明此時塑性好。針對此試驗的測試結果，試驗6系鋁合金的調修溫度應控制在250℃以下，且應在較高的冷卻速度下冷卻。調修溫度超過250℃時焊接接頭抗拉強度急劇下降，接頭軟化現象明顯，因此不建議調修溫度超過250℃。

2.3 拉伸斷口SEM掃描觀察分析

選取典型調修工藝對應在的鋁合金拉伸試驗后的斷口，制備SEM試樣，觀察拉伸斷口形貌，通過試樣T1（未調修）、試樣T10（150℃，1次，水冷）、試樣 T11（200℃，1次，風冷）、試樣 T14（200℃，1次，水冷）、試件T27（400℃，1次，水冷），在不同調修工藝處理后的鋁合金試樣斷口上 均發現韌窩存在，其斷裂方式均 主要以韌性斷裂為主。

2.4 試驗件彎曲結果分析

試驗用鋁合金試樣正彎及背彎試驗中，彎曲角度達到 180°時，在試樣表面均未出現裂紋，均滿足標準要求，具有良好的彎曲性能。說明不同的調修溫度、調修次數及冷卻方式對鋁合金與不銹鋼試樣的彎曲性能無明顯影響。

2.5 試驗件硬度測試結果分析

根據鋁合金拉伸性能測試結果，選取了T1、T10、T11、T14、T27典型試樣，得到其顯微硬度測量結果其中：T1為未調修試樣，T14（200℃、1次、水冷）為強度最高（223MPa)的試樣， T27（400℃、1次、水冷）為強度最低（147MPa)的試樣，T10（150℃、1次、水冷）為抗拉強度曲線 上拐點之前的點，T11（200℃、1次、風冷）用于與T14對比不同冷卻方式對性能造成的影響。抗拉強度較高的T14試樣在熱影響區的硬度同樣高于其余試樣，但在后段有所降低，甚至低于平均水平；T27作為抗拉強度較低的試樣，在熱影響區的硬度也明顯低于其余試樣；與T14相比，T10調修溫度略低，其熱影響區硬度也小于T14試樣；對比T11與T14可發現，風冷條件得到的T11試樣在熱影響區的硬度小于水冷條件下的T14試樣。這些結論與拉伸試驗結果相吻合，結合此前測試數據，推斷鋁合金焊接接頭存在軟化現象，隨著調修溫度的升高，軟化現象越嚴重。

2.6 微觀組織分析

選取典型工藝處理的鋁合金試板制備出金相試樣，經過腐蝕液腐蝕后觀察其微觀組織，分析不同熱 調修工藝對組織影響的差別。下圖7為試樣T1（未調修）、T10（150℃、1次、水冷）、T11（200℃、 1次、風冷）、T14（200℃，1次，水冷）、T27（400℃、1次、水冷）及母材在金相顯微鏡下的200x金相 照片，圖中虛線為熔合線大致區域，虛線左側為焊縫，右側為熱影響區。

（a）試樣 T1（b）試樣 T10（c）試樣 T11（d）試樣 T14（e）試樣 T27（f）母材鋁合金試樣微觀金相

通過分析（a）-（e）可以發現，焊縫 中心組織為黑色的Mg2Si強化相分布在白色的α（Al）基體上，Mg2Si強化相以網狀分布；熔合區組織Mg2Si強化相以樹枝晶分布在Al基體上；在熱影響區，明顯觀察到晶粒粗大，性能有所降低。圖（a）~（e）放大倍數均為200x，經對比發 現，T14試樣熔合區晶粒細小，性能較好；對比 T11試樣（風冷）與T14試樣（水冷），發現冷卻 速度的增加能細化熔合區的晶粒。圖（f）為6061-t6鋁合金母材顯微組織，可以 觀察到鋁合金母材為軋制狀態， Mg2Si強化相及雜質相分布在α（Al）固溶體上。

3 結語

綜合上述系列的實驗研究對比分析，可得出以下結論：6061-t6鋁合金的調修溫度應控制在250℃以下，且應在較高的冷卻速度下冷卻為宜（如：水冷條件）；水冷條件下以調修2次的綜合性能最佳。鋁合金熱焊接調修過程通過工藝仿真后，鋁合金試樣焊縫附近殘余應力在調修火焰325℃時處于較低水平，為111MPa；調修溫度較低或較高時，殘余應力均處于較高水平。但總體來看，這幾種調修工藝對應的焊縫處殘余應力均低于材料屈服極限，不會對材料性能造成顯著影響，可有效的提高生產效率及產品的質量。