6063-T6 铝合金真空钎焊后的力学性能变化研究

2020-10-01王一焱董阳华

中国铸造装备与技术 2020年5期

闫明，王一焱，董阳华

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025)

6063 铝合金属于Al-Mg-Si 系合金，是一种可热处理强化的铝合金，由于其具有较好的力学性能和可加工性，因此在航空航天、交通运输、汽车等工业领域被广泛应用[1，2]。随着科学技术的飞速发展，铝合金的焊接方法也越来越多，常见的有搅拌摩擦焊、激光焊、TIG 焊、MIG 焊、真空钎焊等，其中真空钎焊以焊接工件尺寸精度高、变形小、缺陷少等优点成为了铝合金最广泛应用的焊接方法之一[3，4]。

在电力行业产品中，6063-T6 铝合金以其优异的热传导性及力学性能在散热器类产品上应用广泛，但该类材料经真空钎焊后存在力学性能下降的问题，导致力学性能无法达到设计要求，其根本原因为真空钎焊炉腔内温度高，整个焊接过程相当于对已热处理强化过的6063-T6 铝合金工件完成了一次退火，材料内部金相组织发生变化，内部细小且均匀的强化相在高温的作用下聚集并长大，从而导致整体力学性能下降[5，6]。本文以6063-T6 铝合金随炉试样为研究对象，通过硬度检测、拉伸试验和压缩试验等手段验证真空钎焊对6063-T6 铝合金力学性能变化的影响。

1 试验准备

1.1 试样制备

使用布洛克Q4TASMAN 火花直读光谱仪对6063-T6 铝合金原材料做成分分析，检测结果如表1 所示，该批次6063-T6 铝合金化学成分符合国家标准，以此材料进行拉伸、压缩和硬度试样的制备。

表1 6063-T6铝合金的化学成分 ωB/%

拉伸试样按照《GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》制备成哑铃状标准试样。

6063-T6 铝合金具有较强的塑性，在压缩过程中会发生较大的塑性变形，不易碎裂，难以测量材料的压缩强度。本次压缩试样制成40mm×40mm×30mm 的方形小样，经过加载不同压应力后测量试样表面平面度的变化来验证材料的抗压性能[7]。

布氏硬度检测的试样规格与压缩试样规格相同，制成40mm×40mm×30mm 的方形小样。

以上三项试验样品各制备20 块，10 块作为6063-T6 原材料力学性能检测，另外10 块作为随炉试样经真空钎焊后再验证其力学性能变化。

1.2 真空钎焊

真空钎焊是在真空环境下，通过毛细作用将钎料填满母材间缝隙之中的焊接方法[8]。本次研究6063-T6 铝合金经钎焊炉加热后的母材区力学性能变化，不对焊缝处力学性能进行研究，因此试样仅在炉腔内加热，不添加钎料焊接，为保证金相组织转变彻底且均匀，炉腔内温度设置为605℃，保温5h 后随炉冷却至室温。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸强度变化

拉伸试样按照标准制成厚度4mm，宽度15mm 的哑铃型试样，拉伸速度5mm/min，钎焊前和钎焊后材料的抗拉强度如表2 所示。

表2 抗拉强度对比

从表2 数据来看，经过钎焊后的6063-T6 铝合金相比原材料抗拉强度下降了约55.86%。

2.2 硬度变化

使用布洛维硬度计对两种共20 块试样做布氏硬度测量，选用直径为2.5mm 的钢球压头，试验力306N，每块试样中心采取一点，测量两次压痕直径取平均值后查表读取硬度值，检测结果如表3 所示。

图1 布氏硬度检测

图2 压痕直径测量

表3 布氏硬度对比

经过钎焊炉内高温加热过的6063-T6 铝合金硬度明显下降，其下降幅度约50.16%。

2.3 压缩性能变化

由于铝合金材料塑性强，压缩试验中会发生较大的塑性变形，因此难以测量其抗压强度。本试验通过对比压缩试验前后试样表面平面度的变化量来确定材料发生明显塑性变形时所需的最小应力值，具体方法如下所示：

（1）对所有试样（10 块未钎焊、10 块钎焊后）进行表面平面度检测。

（2）试样与试验机压头之间中心放置一直径为20mm 的Cr12 压块，确保每次施加应力面积恒定，如图3 所示。开启试验机，缓慢对试样进行压缩，达到预设应力后，试验机停止。

图3 压缩试验

（3）测量经压缩后试样表面平面度以及相对于初始表面平面度的变化量。

（4）分析数据，根据平面度的变化情况调整预设压应力，重复步骤2～3 直至试验结束，为确保试验结果准确，每块试样仅压缩一次。

压缩试验结果如图4、图5 所示，横坐标为试验机对试样施加的应力大小，纵坐标为压缩试验前后同一试样表面平面度的变化量。

从曲线上看6063-T6 原材料在承受低于145MPa 的压应力下，平面度变化较小，试样表面仅有较浅压痕，随压应力增大，试样表面压痕逐渐变深，平面度变化量也随之增大。经过钎焊后的6063-T6 铝合金材料变化趋势与原材料相似，当试样承受超过30MPa 的压应力时，试样表面出现较深压痕，相比原材料，经过钎焊后的6063-T6 铝合金耐压性能大幅降低。