6061铝合金焊接接头的组织与性能分析

焊接 2006(1)

# 21 #

试验研究

6061铝合金焊接接头的组织与性能分析

内蒙古工业大学材料学院(呼和浩特市 010062) 常艳君董俊慧张毅

摘要通过金相技术、力学性能试验和SE M 技术研究了6061-T6铝合金真空电子束焊接接头的金相组织、力学性能和断口形貌特征。结果表明:焊接接头的拉伸强度低于母材。预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性, 尤其对接头的塑性影响更大。焊缝区和热影响区的硬度均低于母材, 预热和重熔可以降低焊接接头的硬度。焊缝区组织主要为等轴晶和树枝柱状晶, 熔合区组织主要为柱状晶。预热和重熔使得焊缝区的晶粒组织变得粗大, 焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小, 且韧窝的大小接近, 未发生明显的塑性流动, 呈现出铸态断口特征。

关键词: 铝合金 6061-T6 电子束焊接组织和性能

A STUDY ON THE MICROSTRUCTURES A ND PROPERTIES OF THE

WELDED 6061ALUMINIUM ALLOY JOINT Inner Mongolia University of Technology C hang Y anjun, Dong Junhui, Zhang Yi

Abstract The metallurg ical structures, mechanical properties and fractographs of EB welded 6061-T6alu minum alloy joint were studied by means of metallography, mechanical test and SEM technology. The results showed that the tensile strength of the joi nt was lower than base metal. The tensile strength and plasticity of the joint was decreased by before-heating and remelting, in which the plastici ty was affected severely. The hardness of the weld seam and HAZ were also lower than base metal and that of the joi nt was also decreased by before-heating and remelting. The crystallizing morphology on the weld seam was equiaxed grai ns and dendrites and that on the fusion area were columnar crystals. There existed grain coarsening on the weld seam because of before-heating and remelting. The fractographs of the tensile specimens was cas t state wi th many s mall dimples.

Key words: alum inum alloy, 6061, electron beam welding, microstructure and property

0 前言

6061-T6铝合金是Al-Mg -Si 系可热处理强化锻铝合金, 在高温下具有良好的塑性, 虽然强度不高, 但具有优良的耐蚀性, 没有晶间腐蚀倾向, 焊接性能良好。常用于制造中等载荷零件、形状复杂锻件和模锻件。

铝合金焊接有几大难点:¹铝合金焊接接头软化严重, 强度系数低; º铝合金表面易产生难熔的氧化膜, 这就需要采用大功率密度的焊接工艺; »铝合金焊接易产生气孔; ¼铝合金焊接易产生热裂纹; ½线膨胀系数大, 易产生焊接变形; ¾铝合金热导率大, 相同焊, 2~用电子束焊接铝合金是一种先进的焊接方法, 可以较好地解决铝合金焊接的一些难点。但是铝合金电子束焊接的难点之一是焊接气孔, 焊接铝合金时, 通常是采

用较大的热输入及较低的焊接速度, 目的是促使氢自熔池逸出。但对于电子束焊接, 由于焊接速度快, 热输入小, 氢来不及从熔池逸出。

有关文献报道, 电子束焊接时, 可以采用预热和重

[1]

熔的焊接工艺预防和减少气孔。但在焊接过程中受焊接热输入增加的影响, 组织结构发生了变化, 焊缝及焊接热影响区内合金性能发生了变化, 严重影响焊接构件的总体强度和使用寿命。有关铝合金的焊接性能方面的研究已有较多的报道

[1~8]

, 但对6061-T6铝合

, T6铝

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合金焊接接头组织和性能及其影响机制是很有必要。1 试验材料及方法

试验材料为6061-T6锻造铝合金薄板, 母材的化学成分见表1。焊片选用抗裂性能良好的ER4043, 其化学成分见表2。焊接试样尺寸为120mm @100mm @4. 8m m, 沿长度方向对接拼焊。试验采用英国进口焊接设备CVE-C W6012, 进行电子束熔透焊接。分四种情况焊接:A 状态:常规焊态, 不加焊片; B 状态:加焊片, 焊前预热; C 状态:加焊片, 焊前预热, 焊后即进行重熔; D 状态:重复C 焊接状态(修复焊接) 。A 焊态电子

束焊接工艺参数见表3, B~D 焊态电子束预热、焊接和重熔工艺参数见表4。

焊后在焊接接头区域利用线切割制取试样, 经打磨、抛光、腐蚀制备一系列的金相试样, 在IA-3001图象分析仪和扫描电镜下, 对焊接接头和拉伸断口进行观察。拉伸试验按照GB P T2651) 19895焊接接头拉伸试验方法6标准的规定, 在SHT420SD 微机控制电液伺服万能试验机进行。在HD-187. 5型布洛维硬度计测量上述A, B, C, D 四种焊接接头焊缝、热影响区和母材三个区域的布氏硬度, 试验程序按GB P T231) 19845金属布氏硬度试验方法6标准的规定进行。

表1 6061-T6铝合金的化学成分(%)

Cu 0. 15~0. 4

Si 0. 4~0. 8

Fe [0. 4

Mn [0. 04

Mg 0. 8~1. 2

Zn [0. 04

Ti [0. 04

Al 余量

其他总计[0. 15

表2 焊接材料ER 4043的化学成分(%)

Cu 0. 3

Si 4. 5~6. 0

Fe [0. 6

Mn [0. 04

Mg [0. 05

Al 余量

表3 A 焊态电子束焊接工艺参数

加速电压U P kV

电子束流I b P mA

焊接速度v P (m #min -1)

聚焦电流I P f mA

490

真空度P Pa 1@10-4

表4 B~D 焊态电子束预热、焊接和重熔工艺参数

工艺预热焊接重熔

加速电压U P kV

555555

电子束流I b P mA

122520

焊接速度v P (m #min -1)

0. 40. 40. 4

聚焦电流I P f mA

522490490

真空度P Pa 1@10-41@10-41@10-4

2 试验结果与分析

2. 1 力学性能

图1是上述4种焊接状态和母材的拉伸强度变化柱状图, 可见, 预热和重熔对焊接接头力学性能的影响较明显。试验母材的抗拉强度为303MPa ; 常规焊接试件的抗拉强度为230MPa; 约为母材强度的76%, 焊接系数为0. 76左右。预热后的焊接件抗拉强度为215MPa; 约为母材强度的71%。预热和重熔后的焊接件抗拉强度为209MPa; 约为母材强度的69%。修复焊接后的焊接件抗拉强度为191MPa, 约为母材强度的63%。一般钨极氩弧焊接后的试件抗拉强度约为160~170

图1 拉伸强度对比结果

图2是上述四种焊接状态和母材的屈服强度变化,

焊接 2006(1)

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最低, 远离焊缝中心, 硬度逐渐增加, 但是, 增加的趋势不大一致。电子束焊接接头的热影响区很窄, 软化区出现不明显。A 焊态和B 焊态的焊接接头在距焊缝中

心约9mm 处, 硬度达到原始基材的硬度。C 焊态的焊接接头在距焊缝中心约13mm 处, 硬度达到原始基材的硬度。D 焊态的焊接接头在距焊缝中心约15mm 处, 硬度达到原始基材的硬度。整体来说, A 焊态的焊接接头硬度最高, 然后依次是B 焊态、C 焊态、D 焊态。

也较明显。试验母材的屈服强度为272MPa ; 常规焊接试件的屈服强度为215MPa; 约为母材强度的79%。预热后的焊接件屈服强度为189MPa; 约为母材强度的

69%。预热和重熔后的焊接件屈服强度为177MPa; 约为母材强度的65%。修复焊接后的焊接件屈服强度为156MPa, 约为母材强度的57%。一般钨极氩弧焊接后的试件屈服强度约为110~120MPa, 远远低于电子束

焊接接头的屈服强度。

图2 屈服强度对比结果

图3是上述4种焊接状态和母材的伸长率变化柱状图, 可见, 预热和重熔对焊接接头伸长率的影响也较明显。试验母材的伸长率为17. 8%; 常规焊接试件的伸长率为8. 0%; 约为母材强度的45%。预热后的焊接件伸长率为7. 1%; 约为母材强度的40%。预热和重熔后的焊接件伸长率为6. 6%; 约为母材强度的37%。修复焊接后的焊接件伸长率为5. 2%, 约为母材强度的29%

。

图4 沿垂直焊缝方向的硬度分布

2. 3 显微组织分析

6061-T6铝合金焊接接头不同区域金相显微组织如图5~图8所示。由图可见, 6061-T6合金焊接接头由以下几个区域组成, 即焊缝区、熔合区、热影响区和基材区, 热影响区不明显。

电子束焊接时焊接速度很大, 熔池中心的温度下降很多, 使熔池中心成分过冷加大, 在焊缝中心出现大量的等轴晶, 大小较为均匀; 在靠近焊缝中心的区域出现了树枝柱状晶; 在熔合线附近靠近焊缝区出现有沿散热方向生长的胞状晶; 6061-T6铝基材组织为完全再结晶组织。

从上述A~C 焊接状态金相组织可以看到, 预热和重熔使得焊缝区的晶粒组织变得粗大, 热影响区窄, 晶粒略微变大, 而母材晶粒组织变化不明显。修复焊接使焊缝, 熔合区的等轴晶和柱状晶明显变的粗大, 同时热影响区晶粒也比母材晶粒变得粗大。

[9]

图3 伸长率对比结果

以上结果说明, 预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性, 尤其对接头的塑性影响更大。2. 2 焊接接头硬度试验结果分析

6061-T6铝合金板材焊接接头沿垂直焊缝方向的

, 铝合金的主要热处理方式是固溶处理和时效处理, 通过第二相的沉淀硬化来提高强度、硬度和其它性能。6061-T6铝合金是经固溶、时效后的合金, 其主要强化相是Mg 2Si 和Al 2CuMg

[10]

。在焊接热循环的影响

下, 基材中的这些沉淀相粒子将发生再次固溶、析出和

# 24 # 焊接 2006(1)

图5 A

状态焊接接头金相组织照片

图6 B 状态焊接接头金相组织照片

们的熔点为595e , 焊接加热温度超过这一熔点时, 部分强化相就会熔解。

2. 4 断口形貌

6061-T6铝合金母材和焊接接头拉伸断口的

焊接 2006(1)

# 25 #

焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小, 且韧窝的大小接近, 未发生明显的塑性流动, 呈现出

铸态断口特征。

形貌如图9所示。由图9b 可以看出, 合金基材的拉伸断口断面上分布着许多大小不同的韧窝, 且韧窝较深, 材料发生了剧烈的塑性流动。由图9a 可见,

图7 C 状态焊接接头

金相组织照片

# 26 # 焊接 2006(1)

图9 焊接接头断口的扫描电镜形貌

3 结论

(1)6061铝合金焊接接头的力学性能低于6061-T6铝合金基材的力学性能, 焊接接头的拉伸断裂在焊缝处, 焊缝是焊接接头最薄弱点。预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性, 尤其对接头的塑性影响很大。

(2) 焊缝区组织主要为等轴晶和树枝柱状晶, 熔合区组织主要为柱状晶。预热和重熔使得焊缝区的晶粒组织变得粗大, 热影响区窄, 晶粒略微变大, 而母材晶粒组织变化不明显。

(3) 常规焊态的焊接接头硬度最高, 然后依次是预热后的焊接接头、预热和重熔后的焊接接头、修复焊接接头。四种焊态的焊缝中心部位硬度最低, 远离焊缝中心, 硬度逐渐增加, 但是, 增加的趋势不大一致。电子束焊接接头的热影响区很窄, 软化区出现不明显。(4)焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小, 且韧窝的大小接近, 未发生明显的塑性流动, 呈现出铸态断口特征。

参

考

文

献

mechanical properties of electron and laser -beam welded 8090Al-Li alloy plates. Mater ials Transactions, 1999, 4(10) :1039~10782 李慧中, 张新明, 陈明安, 等. 2519铝合金焊接接头的组织与性能. 中国有色金属学报, 2004, 14(6) :956~960

3 王长利, 万志敏, 赵敏, 等. 锤击对铝合金焊接接头的性能的影响. 哈尔滨工业大学学报, 2002, 34(6) :864~8684 高明霞, 余红华. LC9CS 铝合金焊缝的组织和强度及断裂形式. 焊接学报, 1998(12) :58~62

5 刘静安, 王元良, 屈金山. 铁道车辆用铝材的焊接特性. 中国有色金属学报, 1996, 6(2) :87~92

6 王元良, 屈金山, 宴传鹏. 铝合金焊接性能及焊接接头性能. 中国有色金属学报, 1997, 7(1) :69~74

7 陈建, 张修智, 吴忍耕. 高强铝合金焊接接头SCC 机理探讨. 焊接学报, 1990, 11(2) :91~98

8 Devincent S M, Devletian J H, Gedeon S A. Weld properties of the newly developed 2519-T87aluminum armor alloy. Welding Jour -nal, 1988(3) :33~43

9 周振丰, 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性. 北京:机械工业出版社, 1987

10 中国机械工程学会热处理分会. 热处理工程师手册. 北京:

机械工业出版社, 2002

(收稿日期 2005 10 30)

作者简介: 常艳君, 1972年出生, 工程师, 在读硕士研究生

。

1 Chen S C, Huang J C. Comparison of post-weld microstructures and

焊接 2006(1)

# 21 #

试验研究

6061铝合金焊接接头的组织与性能分析

内蒙古工业大学材料学院(呼和浩特市 010062) 常艳君董俊慧张毅

关键词: 铝合金 6061-T6 电子束焊接组织和性能

A STUDY ON THE MICROSTRUCTURES A ND PROPERTIES OF THE

WELDED 6061ALUMINIUM ALLOY JOINT Inner Mongolia University of Technology C hang Y anjun, Dong Junhui, Zhang Yi

Key words: alum inum alloy, 6061, electron beam welding, microstructure and property

0 前言

用较大的热输入及较低的焊接速度, 目的是促使氢自熔池逸出。但对于电子束焊接, 由于焊接速度快, 热输入小, 氢来不及从熔池逸出。

有关文献报道, 电子束焊接时, 可以采用预热和重

[1]

[1~8]

, 但对6061-T6铝合

, T6铝

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合金焊接接头组织和性能及其影响机制是很有必要。1 试验材料及方法

束焊接工艺参数见表3, B~D 焊态电子束预热、焊接和重熔工艺参数见表4。

表1 6061-T6铝合金的化学成分(%)

Cu 0. 15~0. 4

Si 0. 4~0. 8

Fe [0. 4

Mn [0. 04

Mg 0. 8~1. 2

Zn [0. 04

Ti [0. 04

Al 余量

其他总计[0. 15

表2 焊接材料ER 4043的化学成分(%)

Cu 0. 3

Si 4. 5~6. 0

Fe [0. 6

Mn [0. 04

Mg [0. 05

Al 余量

表3 A 焊态电子束焊接工艺参数

加速电压U P kV

电子束流I b P mA

焊接速度v P (m #min -1)

聚焦电流I P f mA

490

真空度P Pa 1@10-4

表4 B~D 焊态电子束预热、焊接和重熔工艺参数

工艺预热焊接重熔

加速电压U P kV

555555

电子束流I b P mA

122520

焊接速度v P (m #min -1)

0. 40. 40. 4

聚焦电流I P f mA

522490490

真空度P Pa 1@10-41@10-41@10-4

2 试验结果与分析

2. 1 力学性能

图1 拉伸强度对比结果

图2是上述四种焊接状态和母材的屈服强度变化,

焊接 2006(1)

# 23 #

也较明显。试验母材的屈服强度为272MPa ; 常规焊接试件的屈服强度为215MPa; 约为母材强度的79%。预热后的焊接件屈服强度为189MPa; 约为母材强度的

焊接接头的屈服强度。

图2 屈服强度对比结果

。

图4 沿垂直焊缝方向的硬度分布

2. 3 显微组织分析

[9]

图3 伸长率对比结果

以上结果说明, 预热和重熔可以同时降低电子束焊接接头的强度和塑性, 尤其对接头的塑性影响更大。2. 2 焊接接头硬度试验结果分析

6061-T6铝合金板材焊接接头沿垂直焊缝方向的

[10]

。在焊接热循环的影响

下, 基材中的这些沉淀相粒子将发生再次固溶、析出和

# 24 # 焊接 2006(1)

图5 A

状态焊接接头金相组织照片

图6 B 状态焊接接头金相组织照片

们的熔点为595e , 焊接加热温度超过这一熔点时, 部分强化相就会熔解。

2. 4 断口形貌

6061-T6铝合金母材和焊接接头拉伸断口的

焊接 2006(1)

# 25 #

焊接接头的拉伸断口断面上分布的韧窝尺寸较小, 且韧窝的大小接近, 未发生明显的塑性流动, 呈现出

铸态断口特征。

形貌如图9所示。由图9b 可以看出, 合金基材的拉伸断口断面上分布着许多大小不同的韧窝, 且韧窝较深, 材料发生了剧烈的塑性流动。由图9a 可见,

图7 C 状态焊接接头

金相组织照片

# 26 # 焊接 2006(1)

图9 焊接接头断口的扫描电镜形貌

3 结论

参

考

文

献

5 刘静安, 王元良, 屈金山. 铁道车辆用铝材的焊接特性. 中国有色金属学报, 1996, 6(2) :87~92

6 王元良, 屈金山, 宴传鹏. 铝合金焊接性能及焊接接头性能. 中国有色金属学报, 1997, 7(1) :69~74

7 陈建, 张修智, 吴忍耕. 高强铝合金焊接接头SCC 机理探讨. 焊接学报, 1990, 11(2) :91~98

8 Devincent S M, Devletian J H, Gedeon S A. Weld properties of the newly developed 2519-T87aluminum armor alloy. Welding Jour -nal, 1988(3) :33~43

9 周振丰, 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性. 北京:机械工业出版社, 1987

10 中国机械工程学会热处理分会. 热处理工程师手册. 北京:

机械工业出版社, 2002

(收稿日期 2005 10 30)

作者简介: 常艳君, 1972年出生, 工程师, 在读硕士研究生

。

1 Chen S C, Huang J C. Comparison of post-weld microstructures and

6061铝合金焊接接头的组织与性能分析

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