铝合金材料焊后调修质量提升研究

盛慧章 徐达

中车四方车辆有限公司技术工程部 山东青岛 266111

本文选取轨道交通产品用典型铝合金材料进行综合的“热调修试验”，并进行系统的技术研究，提升铝合金产品焊后调修质量。

1 主要研究内容

采用“火焰矫正调修”工艺方法及“理化检测手段”研究其对机客车产品典型材料（如：6系铝合金）母材与焊接接头组织及硬度的影响。采用“静力学性能试验”的方法研究火焰矫正调修工艺对常用典型材接接头力学性能的影响，并进行不同调修工艺下的对比分析研究。采用“工艺仿真”方法对热调修形工艺进行模拟分析，并分析热矫形调修应力分布规律。

2 试验过程与结果分析

2.1 试验用材料简介

铝合金试验材质 6061-t6，试板规格：350×150×4mm；焊接完成后对试验试板的焊缝根部磨平处理，然后进行PT及RT 检测。合格试板采用“中性焰或弱还原火焰”，火焰沿焊道平行 均匀移动（8~15mm/s），加热范围为沿焊缝纵向及其±30mm范围，且火焰心距离工件表面 5~10mm；当焊缝表面温度达到设定温度时，立刻移动火炬。调修后分别用“强制风冷或水冷” 的冷却方式。（测温方式：热电偶+测温笔）

2.2 调修后拉伸结果分析

通过对试件拉伸试验后，得出以下结果：其拉伸均断裂在热影响区（HZA），其他区域均无影响。无论风冷还是水冷条件，延伸率均在1次调修时最高，说明此时塑性好。针对此试验的测试结果，试验6系铝合金的调修温度应控制在250℃以下，且应在较高的冷却速度下冷却。调修温度超过250℃时焊接接头抗拉强度急剧下降，接头软化现象明显，因此不建议调修温度超过250℃。

2.3 拉伸断口SEM扫描观察分析

选取典型调修工艺对应在的铝合金拉伸试验后的断口，制备SEM试样，观察拉伸断口形貌，通过试样T1（未调修）、试样T10（150℃，1次，水冷）、试样 T11（200℃，1次，风冷）、试样 T14（200℃，1次，水冷）、试件T27（400℃，1次，水冷），在不同调修工艺处理后的铝合金试样断口上 均发现韧窝存在，其断裂方式均 主要以韧性断裂为主。

2.4 试验件弯曲结果分析

试验用铝合金试样正弯及背弯试验中，弯曲角度达到 180°时，在试样表面均未出现裂纹，均满足标准要求，具有良好的弯曲性能。说明不同的调修温度、调修次数及冷却方式对铝合金与不锈钢试样的弯曲性能无明显影响。

2.5 试验件硬度测试结果分析

根据铝合金拉伸性能测试结果，选取了T1、T10、T11、T14、T27典型试样，得到其显微硬度测量结果其中：T1为未调修试样，T14（200℃、1次、水冷）为强度最高（223MPa)的试样， T27（400℃、1次、水冷）为强度最低（147MPa)的试样，T10（150℃、1次、水冷）为抗拉强度曲线 上拐点之前的点，T11（200℃、1次、风冷）用于与T14对比不同冷却方式对性能造成的影响。抗拉强度较高的T14试样在热影响区的硬度同样高于其余试样，但在后段有所降低，甚至低于平均水平；T27作为抗拉强度较低的试样，在热影响区的硬度也明显低于其余试样；与T14相比，T10调修温度略低，其热影响区硬度也小于T14试样；对比T11与T14可发现，风冷条件得到的T11试样在热影响区的硬度小于水冷条件下的T14试样。这些结论与拉伸试验结果相吻合，结合此前测试数据，推断铝合金焊接接头存在软化现象，随着调修温度的升高，软化现象越严重。

2.6 微观组织分析

选取典型工艺处理的铝合金试板制备出金相试样，经过腐蚀液腐蚀后观察其微观组织，分析不同热 调修工艺对组织影响的差别。下图7为试样T1（未调修）、T10（150℃、1次、水冷）、T11（200℃、 1次、风冷）、T14（200℃，1次，水冷）、T27（400℃、1次、水冷）及母材在金相显微镜下的200x金相 照片，图中虚线为熔合线大致区域，虚线左侧为焊缝，右侧为热影响区。

（a）试样 T1（b）试样 T10（c）试样 T11（d）试样 T14（e）试样 T27（f）母材铝合金试样微观金相

通过分析（a）-（e）可以发现，焊缝 中心组织为黑色的Mg2Si强化相分布在白色的α（Al）基体上，Mg2Si强化相以网状分布；熔合区组织Mg2Si强化相以树枝晶分布在Al基体上；在热影响区，明显观察到晶粒粗大，性能有所降低。图（a）~（e）放大倍数均为200x，经对比发 现，T14试样熔合区晶粒细小，性能较好；对比 T11试样（风冷）与T14试样（水冷），发现冷却 速度的增加能细化熔合区的晶粒。图（f）为6061-t6铝合金母材显微组织，可以 观察到铝合金母材为轧制状态， Mg2Si强化相及杂质相分布在α（Al）固溶体上。

3 结语

综合上述系列的实验研究对比分析，可得出以下结论：6061-t6铝合金的调修温度应控制在250℃以下，且应在较高的冷却速度下冷却为宜（如：水冷条件）；水冷条件下以调修2次的综合性能最佳。铝合金热焊接调修过程通过工艺仿真后，铝合金试样焊缝附近残余应力在调修火焰325℃时处于较低水平，为111MPa；调修温度较低或较高时，残余应力均处于较高水平。但总体来看，这几种调修工艺对应的焊缝处残余应力均低于材料屈服极限，不会对材料性能造成显著影响，可有效的提高生产效率及产品的质量。