6082鋁合金TIG焊接接頭深冷處理研究-碩士學(xué)位論文

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1、碩士學(xué)位論文6082鋁合金TIG焊接接頭深冷處理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 學(xué)科專業(yè) 材料科學(xué)與工程 研究方向 材料加工工程 作者姓名 指導(dǎo)教師 教授中南大學(xué) 年 月中圖分類號(hào) 學(xué)校代碼 UDC 學(xué)位類別 碩士學(xué)位論文6082鋁合金TIG焊接接頭深冷處理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 作者姓名：學(xué)科專業(yè)：材料科學(xué)與工程研究方向：材料加工工程學(xué)院（系、所）：材料科

2、學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)教師：教授論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中南大學(xué) 年 月中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要6082鋁合金TIG焊接接頭深冷處理研究摘要：鋁合金由于其熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)使其焊后經(jīng)常出現(xiàn)氣孔夾雜焊縫成形不良等焊接缺陷。深冷處理作為一種低成、無污染、不破壞工件的工藝，能有效改善材料的綜合力學(xué)性能，具有很廣闊的應(yīng)用前景。本文主要研究了不同深冷處理時(shí)間和時(shí)效溫度對(duì)6082鋁合金TIG焊接接頭組織與性能的影響，并結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值模擬研究了深冷處理對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。深冷處理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：6082鋁合金TIG焊接接頭最佳深冷時(shí)間為12h，焊接接頭硬度提高30.55%，抗拉

3、強(qiáng)度提高53.15%，延伸率增加206.72%，焊縫區(qū)Mg2Si強(qiáng)化相大量析出且在基體中均勻分布，焊縫區(qū)內(nèi)形成了大的（111）織構(gòu)；-196/12h深冷處理后的時(shí)效處理以150/4h為最佳，在該工藝下，強(qiáng)化第二相析出基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，焊縫區(qū)保留了大量細(xì)小再結(jié)晶組織，且經(jīng)過150/4h時(shí)效處理后焊接接頭耐腐蝕性能最佳。殘余應(yīng)力數(shù)值模擬和檢測(cè)結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)各點(diǎn)的殘余應(yīng)力值與模擬計(jì)算結(jié)果吻合良好。深冷處理后焊板各處的縱向和橫向殘余應(yīng)力值均有不同程度的降低，且高值應(yīng)力分布范圍縮小，沿焊縫方向上的殘余應(yīng)力消除效果更為顯著，最大消除率達(dá)27.17%。關(guān)鍵詞：6082鋁合金；TIG焊；深冷處理；殘余應(yīng)力；數(shù)

4、值模擬分類號(hào)：TG146.2I中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 AbstractResearch on Cryogenic Treatmentof 6082 aluminum alloyTIG welded jointAbstract:The large thermal conductivity,linear expansion coefficient of aluminum are easy to cause a porosity of welding defects such as inclusions,bad weld forming performance,etc.Cryogenic treatm

5、ent as a process of non-pollution,little damage to the workpiece,can effectively improve the comprehensive mechanics performance of materials,which has a bright prospect.This paper mainly studied the different cryogenic processing time and aging temperature on microstructure and properties of 6082 a

6、luminum alloy Tungsten Inert Gas arc Welded joints,and studied the cryogenic treatment on the influence of residual stress of it combined with the ABAQUS finite element numerical simulation.The Experimental results of cryogenic treatment indicate that: 12h is the optimal cryogenic time of 6082 alumi

7、num alloy TIG welded joint. Through the process the hardness is increased by 30.55%, tensile strength is increased by 53.15% and elongation is increased by 206.72%, weld area microscopic pored and loose basic eliminated, the strengthening phase of Mg2Si precipitation distributed a lot and uniformly

8、in the matrix. A large number of (111) fiber texture formed in the weld zone. The optimal parameters of aging treatment after -196/12h cryogenic treatment is 150/4h. Through this process the strengthening phase precipitation basically reached the dynamic equilibrium. A large number of tiny recrystal

9、lization retained in the weld zone and obtained the optimum corrosion resistance by this process.Numerical simulation and text results of the residual stress shows that the residual stress experiment measuring value are in good agreement with those obtained in the simulation. After cryogenic treatme

10、nt, the longitudinal and transverse residual stress of the welding plate area decreased in different degrees and the high stress distribution range narrowed. The relieving effect of residual stress along the weld direction is more significant by cryogenic treatment and the maximum residual stress el

11、iminating rate was 27.17% .Keywords:6082aluminum alloy;TungstenInert Gas arc Welding; Cryogenic treatment; Residual stress;Numerical simulationClassification: TG146.2IV中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄目錄摘要IAbstractIII目錄V1文獻(xiàn)綜述11.1鋁及鋁合金11.1.1鋁及鋁合金的特點(diǎn)11.1.2鋁及鋁合金的分類21.1.3鋁及鋁合金應(yīng)用41.2鋁合金的焊接51.2.1鋁合金的焊接類型51.2.2鋁合金常用焊接方法61.2.3

12、鋁合金焊接性81.3深冷處理簡(jiǎn)介91.3.1深冷處理的發(fā)展101.3.2深冷處理工藝101.3.3深冷處理設(shè)備111.3.4深冷處理應(yīng)用121.4本文研究的內(nèi)容和意義122實(shí)驗(yàn)材料與方法132.1實(shí)驗(yàn)方案132.2實(shí)驗(yàn)材料及制備132.3實(shí)驗(yàn)方法132.3.1焊接方法和工藝132.3.2深冷處理實(shí)驗(yàn)方案142.4力學(xué)性能測(cè)試142.4.1維氏硬度測(cè)試142.4.2拉伸力學(xué)性能測(cè)試142.4.3抗腐蝕性能測(cè)試152.5微觀組織觀察152.5.1金相組織（OM）觀察152.5.2拉伸斷口形貌（SEM）觀察162.6 X射線衍射物相分析162.7電導(dǎo)率測(cè)試162.8殘余應(yīng)力檢測(cè)163深冷時(shí)間對(duì)608

13、2鋁合金焊接接頭組織與性能的影響173.1實(shí)驗(yàn)過程和方法173.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析173.2.1硬度測(cè)試結(jié)果分析173.2.2拉伸力學(xué)性能分析193.2.3拉伸斷口形貌分析213.2.4金相組織分析223.2.5 X射線衍射分析243.3本章小結(jié)264深冷-時(shí)效對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織與性能的影響274.1實(shí)驗(yàn)過程和方法274.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析274.2.1硬度測(cè)試結(jié)果分析274.2.2拉伸力學(xué)性能分析284.2.3拉伸斷口形貌分析304.2.4金相組織分析314.2.5電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果分析334.2.6耐腐蝕性能測(cè)試結(jié)果分析344.3本章小結(jié)375深冷處理對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力影響有限元模擬和實(shí)

14、驗(yàn)研究395.1前處理395.1.1幾何模型395.1.2網(wǎng)格劃分395.1.3熱源模型405.2材料物性參數(shù)415.3邊界條件415.3.1力學(xué)邊界條件415.3.2溫度邊界條件415.4有限元模擬計(jì)算流程425.5深冷處理模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證435.5.1測(cè)試原理435.5.2測(cè)試方法435.5.3測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析445.6深冷處理前后殘余應(yīng)力對(duì)比455.6.1深冷前后殘余應(yīng)力場(chǎng)云圖分析455.6.2深冷前后殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析465.7本章小結(jié)496結(jié)論51參考文獻(xiàn)53碩士期間公開發(fā)表論文及獲獎(jiǎng)情況59致謝61VII中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1文獻(xiàn)綜述1文獻(xiàn)綜述1.1鋁及鋁合金1.

15、1.1鋁及鋁合金的特點(diǎn)鋁的儲(chǔ)量在地殼中僅次于氧和硅，在金屬元素中含量最多，其儲(chǔ)存量含量超過7%，位于元素周期表中第13位，原子量為26.98，熔點(diǎn)660，密度2.702g/cm3，原子體積為10.0cm3/mol，晶格類型為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)0.404nm，其抗拉強(qiáng)度b：90120MPa，彈性模量E：6971GPa，屈服極限s：2090MPa等。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1-1和表1-2所示。表1-1純鋁的室溫力學(xué)性能力學(xué)性能鑄態(tài)壓力加工退火未退火抗拉強(qiáng)度/MPa902080110150250彈性極限/MPa3040屈服極限/MPa5080120240延伸率/%11120324048斷面收縮率/%709

16、05060布氏硬度/HBS10/500243215254055沖擊韌度/Jcm-2340抗剪強(qiáng)度/MPa4260100彎曲疲勞強(qiáng)度/MPa5040表1-2純鋁的室溫物理性能物理參考量數(shù)值物理參考量數(shù)值晶格常數(shù)/nm4.0494熱導(dǎo)率/Wm-1K-1235.2密度/kgm-32.698比熱容/Jkg-1K-1934.82熔點(diǎn)/660.24電導(dǎo)率/Sm-164.94沸點(diǎn)/2060線膨脹系數(shù)/umm-1k-124.58溶解熱/10-5J/kg3.961燃燒熱/10-7J/kg3.094鋁合金的發(fā)展史相對(duì)于鐵來說起步較緩慢，在很多情況下純鋁的性能都沒辦法迎合結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用的性能需求，所以在現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)

17、中鋁合金中經(jīng)常加入某些金屬或非金屬元素，以提升其綜合性能，如：添加Cu能使組織產(chǎn)生化合物CuAl2，有助于提高時(shí)效強(qiáng)化程度，添加Mg能加強(qiáng)合金的焊接性能，同時(shí)也能加強(qiáng)其抗腐蝕性能，添加Si能讓合金的結(jié)晶溫度下降，有利于形成共晶體，促進(jìn)鋁合金的充形性能等。鋁合金的二元相圖如下圖1-1所示。從圖中可以看出，鋁合金分割線是最大溶解度n點(diǎn)。其共晶組織存在于最大溶解度n點(diǎn)右邊區(qū)域，由于其流動(dòng)性能優(yōu)良，該合金易于鑄造。變形合金存在于最大溶解度點(diǎn)n的左邊區(qū)域，當(dāng)溫度升高到固溶線 m-n之上，平衡組織將以單相固溶體的形式析出，溫度變化會(huì)改變其固溶體的組成，則該合金為熱處理強(qiáng)化型。在m點(diǎn)左邊區(qū)域合金，溫度變化不

18、會(huì)改變其固溶體的組成，該合金為非熱處理強(qiáng)化型，此類型的合金的強(qiáng)化只能通過冷作變形，其力學(xué)性能無法采用熱處理來增強(qiáng)1-4。圖1-1鋁合金的二元相圖1形變鋁合金2不可熱處理強(qiáng)化鋁合金3熱處理強(qiáng)化鋁合金1.1.2鋁及鋁合金的分類鋁合金按照加工方式、熱處理性能和化學(xué)元素有不同的分類。按照加工方式，鋁合金有變形及鑄造型鋁合金之分；按照熱處理性能，鋁合金可以劃分成兩類：其中一類為非熱處理強(qiáng)化鋁合金，反之為可熱處理強(qiáng)化鋁合金。按照添加元素類型，將鋁合金分為8個(gè)系列：工業(yè)純鋁(1000系)，Al-Cu系合金(2000系)，Al-Mn系合金(3000系)，Al-Si系合金(4000系)，Al-Mg系合金(500

19、0系)，Al-Mg-Si系合金(6000系)，Al-Zn 系合金(7000系)，Al-其他元素（8000系）。其分類見圖1-2 和表1-35。鋁及鋁合金變型鋁合金非熱處理型合金純鋁1000系，如1000合金Al-Mn系合金3000系，如3004合金Al-Si系合金4000系，如4043合金熱處理型合金Al-Mg系合金5000系，如5083合金Al-Cu系合金2000系，如2024合金Al-Mg-Si系合金6000系，如6083合金Al-Zn-Mg-Cu系合金7000系，如7075合金Al-Li系合金8000系，如8089合金鑄造鋁合金非熱處理型合金純鋁系A(chǔ)l-Mg系合金，如ZL103合金Al-

20、Si系合金，如ZL102合金熱處理型合金Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金Al-Cu-Mg-Si系合金，如ZL110合金Al-Mg-Si系合金，如ZL104合金Al-Mg-Zn系合金，如ZL305合金圖1-2鋁及鋁合金分類大綱表1-3常用鋁合金特點(diǎn)分類合金名稱合金系性能特點(diǎn)變形鋁合金非熱處理強(qiáng)化鋁合金防銹鋁Al-Mn耐蝕性、壓力加工性和焊接性能顯著，強(qiáng)度比較低Al-Mg熱處理強(qiáng)化鋁合金硬鋁Al-Cu-Mg力學(xué)性能好超硬鋁Al-Cu-Mg-Zn硬度強(qiáng)度最好鍛鋁Al-Mg-Si-Cu鍛造性能好Al-Cu-Mg-Fe-Ni抗熱性能好鑄造鋁合金簡(jiǎn)單鋁硅合金Al-Si鑄造性能好，力學(xué)性能較低。不可

21、熱處理強(qiáng)化特殊鋁硅合金Al-Si-Mg鑄造性能良好，可熱處理強(qiáng)化。力學(xué)性能比較好Al-Si-CuAl-Si-Mg-CuAl-Si-Mg-Cu-Ni鋁銅鑄造合金Al-Cu耐熱性好，鑄造性能較差，同時(shí)耐蝕性也較差鎂鑄造合金Al-Mg力學(xué)性能高，抗腐蝕性好鋁鋅鑄造合金Al-Zn宜于壓鑄，能自動(dòng)淬火鋁稀土鑄造合金Al-Re耐熱性能好能應(yīng)用于焊接的鋁合金中類非常多，由美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)鋁合金中所含有的合金元素能夠?qū)⒆冃武X合金劃分為以下幾類2：（1）工業(yè)純鋁(1000系)工業(yè)純鋁中鋁的含量一般占有99.099.9%的比例甚至更高，以Fe和Si元素為最主要的雜質(zhì)。純鋁具有一系列優(yōu)良的特性，但相對(duì)于合金，機(jī)械強(qiáng)

22、度小，然而純鋁具有耐腐蝕性，對(duì)光的反射性強(qiáng)、同時(shí)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性優(yōu)良，無磁性，沖擊不產(chǎn)生火花，可強(qiáng)化易加工等特性，鋁一系列的優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于電子零件、建筑材料、機(jī)械設(shè)備、家具材料、管棒線箔材等方面。（2）Al-Cu系合金(2000系)該系列主要添加Cu元素，可熱處理強(qiáng)化，同時(shí)為了增加其切削性也會(huì)添加Mn、Mg、Pt和Bi等元素。Al-Cu系合金屬于高強(qiáng)的硬質(zhì)鋁、高強(qiáng)鋁，該系不同類型鋁合金存在不同特性，例如：2014系合金因高強(qiáng)度從而被廣泛采用于航天航空產(chǎn)業(yè)，2017耐高溫性能極強(qiáng)等。但該系列合金也存在缺陷，比如在2011鋁合金的熔練時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣應(yīng)小心安全防護(hù)。該系廣泛應(yīng)用于航空（2014合

23、金），螺釘、螺桿（2011合金）以及要求高溫作業(yè)的領(lǐng)域（2017合金）。（3）Al-Mn系合金(3000系)該系列主要添加Mn元素，不能夠采用熱處理強(qiáng)化的合金，但其抗腐蝕性能佳，焊接性優(yōu)良，塑性良好，該系鋁合金強(qiáng)度略低，可以采用各種冷作硬化手段獲得不同材質(zhì)的金屬，該系列在退火時(shí)晶粒易粗化而形成缺陷。（4）Al-Si 系合金(4000系)該系列主要添加Si元素，部分4系鋁合金可以通過熱處理的方法使其綜合性能得到強(qiáng)化，但也有部分4系鋁合金不可以使用該方法強(qiáng)化。因其不易形成熱裂紋，可當(dāng)做熱處理強(qiáng)化過程的添加原料。根據(jù)金屬基體的狀態(tài)，可以將其與基體金屬重新合成新型合金，在這樣的條件下，焊縫金屬擁有可熱

24、處理的強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)該系列中Si成分不及12%，Si減少，熔點(diǎn)將逐步上升。在控制的區(qū)域內(nèi)，該系合金熔化后不容易形成結(jié)晶裂紋，流動(dòng)性，可造性和焊接性優(yōu)異，可以利用其低熔點(diǎn)的特點(diǎn)和大跨度結(jié)晶溫度的特性鑄造釬焊材料、焊接條、焊接絲等。（5）Al-Mg系合金(5000系)該系列主要添加Mg元素，耐磨性能優(yōu)異，焊接性優(yōu)良，抗疲勞性優(yōu)，但無法熱處理增強(qiáng)，只能冷加工強(qiáng)化。在該系鋁合金里面，Mg含量為2.55%的5052和5083等鋁合金，抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到196294MPa。該系合金也可當(dāng)做焊接材料使用，在其中添加金屬元素如Mg的含量，增強(qiáng)其焊接性能，同時(shí)耐腐蝕性增加。由于具有良好的陽極鍍膜特點(diǎn)，該系列合金被

25、廣泛用于汽車、船舶、安全設(shè)備、飛機(jī)油箱導(dǎo)管、防彈衣等領(lǐng)域。（6）Al-Mg-Si系合金(6000系)該系列主要添加Mg和Si元素，Mg2Si為其主要的熱處理強(qiáng)化相，是目前工業(yè)和生活中使用最廣泛的合金系列。該系列合金具有中等強(qiáng)度，焊接性能好，抗環(huán)境腐蝕的能力優(yōu)異，氧化著色性能好，適合于多種加工成形方法等優(yōu)良特點(diǎn)。在該系列鋁合金中應(yīng)用最多的為6061和6063，此外6082、6160、6125、6005、6463、6262、6060也有較廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用范圍：日用門和窗、車用行李架、汽車車身、電器散熱片、箱體外殼等。（7）Al-Zn系合金(7000系)該系列主要添加Zn元素，有時(shí)也加入小量Mg、

26、Cu元素，該系合金抗拉強(qiáng)度極高，并且具有優(yōu)良的可焊性。7075和7005在7系中應(yīng)用最廣泛，能夠通過熱處理增強(qiáng)。該系列常用于：飛機(jī)承力件、航天飛船、火箭、起落架、螺旋槳。1.1.3鋁及鋁合金應(yīng)用鋁合金作為一種被大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的有色金屬，涉及各類領(lǐng)域。由于其具有大量的優(yōu)良特性，在各類輕量化裝置中，比如航天航空飛機(jī)、軍艦以及鐵路運(yùn)輸、軌道交通、城際運(yùn)輸鐵路各種領(lǐng)域中都得到應(yīng)用。鋁合金質(zhì)輕，在滿足一樣強(qiáng)度和剛度的條件下，能夠降低60%的重量（表1-4為鋼、鋁車體重量對(duì)比），因而能節(jié)省資源和減少對(duì)環(huán)境的破壞6。再者鋁合金的表面能形成致密的氧化膜，一方面可以防止鋁合金內(nèi)部的金屬被周圍環(huán)境氧化，另一

27、方面加強(qiáng)了材料的耐腐蝕能力，增延了其工作壽命7-9。表1-4鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)車體重量對(duì)比種類鋼結(jié)構(gòu)/kg鋁合金結(jié)構(gòu)/kg減重/%西德地鐵9500467051瑞士客車9350395057東京地鐵9540410056米蘭地鐵67003000551.2鋁合金的焊接1.2.1鋁合金的焊接類型相對(duì)于現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)來說，鋁合金焊接技術(shù)主要?jiǎng)澐忠韵?種類型：（1）熔化焊熔化焊又稱為熔焊，在焊接的時(shí)候，利用局部加熱的方法使焊接接頭處于較高溫度條件的作用下升溫至熔化狀態(tài)。因?yàn)楸缓冈嚇泳o貼一塊，在重力溫度場(chǎng)各條件且沒有施加壓力的影響下，兩塊焊件的熔融液體發(fā)生融合。這種加熱情況下，金屬原子的動(dòng)能加強(qiáng)，有利于原子之間

28、的分散，當(dāng)溫度下降，熔化部分區(qū)域冷卻凝固后，能夠形成牢固堅(jiān)硬的焊接接頭，從而完成焊接。常見鋁合金熔焊手段有氬弧焊、激光焊、等離子弧焊等。（2）固態(tài)焊固態(tài)焊接是指兩塊被焊接原料在處于固態(tài)的狀態(tài)下（無熔池），通過接觸面上的擴(kuò)散以及再結(jié)晶到達(dá)牢固結(jié)合的一類手段。固態(tài)焊接不會(huì)產(chǎn)生原子熔化再形核的情況，因此這種方法能夠避免某些相變的形成，減少焊接接觸界面某些化合物的產(chǎn)生，通過采用上述方法能夠在最大程度上加強(qiáng)界面連接的強(qiáng)度。固態(tài)焊相對(duì)于熔化焊的區(qū)別在于，能夠使焊接表面清潔，并且保證母材不熔化的同時(shí)，可以采用加熱或者不加熱兩種方式10。目前，常見的鋁合金固態(tài)焊接手段有攪拌摩擦焊、電阻、擴(kuò)散、電磁焊等11。表

29、1-5列出了鋁合金焊接常用方法的特點(diǎn)及其應(yīng)用。表1-5鋁合金焊接方法特點(diǎn)及其應(yīng)用12焊接方法特性應(yīng)用范圍氣焊熱效率低，焊接器件變形量大，易產(chǎn)生夾渣、裂紋等缺陷應(yīng)用于非緊要位置的薄板對(duì)接焊接及補(bǔ)焊等手工電弧焊接頭質(zhì)量略差適用于鑄鋁件補(bǔ)焊以及一般器件的修理鎢極氬弧焊焊縫金屬密集，接頭強(qiáng)度更高、韌性佳、塑性優(yōu)良，能得到優(yōu)質(zhì)接頭被廣泛采用，能夠焊接的板厚為1mm20mm鎢極脈沖氬弧焊焊接的時(shí)候比較穩(wěn)定，熱輸入時(shí)的精確度能夠調(diào)制，焊件變形量小，接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良應(yīng)用于薄板或全多方位的焊接，裝配焊接以及對(duì)熱敏感性較強(qiáng)的硬鋁、鍛鋁等高強(qiáng)度鋁合金熔化極氬弧焊電弧功率較大，焊接速率迅速適用于厚件的焊接，能夠焊的厚度在

30、50mm 以下熔化極脈沖氬弧焊焊接變形量小，抗氣孔和抗裂性佳，工藝參數(shù)調(diào)控范圍廣使用于薄板或全方位焊，經(jīng)常用于厚度約2mm12mm 的樣件等離子弧焊熱量較集中，焊接速率快，焊接變形量及應(yīng)力都比較小，工藝復(fù)雜適用于對(duì)接頭要求比氬弧焊更高條件真空電子束焊熔深大，熱影響區(qū)域小，焊接變形小，接頭力學(xué)性能佳適用于焊接尺度微小的焊件激光焊焊接變形量小，生產(chǎn)效率極高被采用于精密焊接的焊件攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量層次高，變形量小應(yīng)用于緊密相連焊接1.2.2鋁合金常用焊接方法（1）鋁合金的氣體保護(hù)焊13-15a、鎢極氣體保護(hù)焊鎢極氣體保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas Welding，簡(jiǎn)稱TIG），是使用最

31、多的焊接方法之一。在不損耗電極和試件的情況下生成電弧，將焊接地方熔化，得到堅(jiān)固焊接接頭的手段。在一般情況下通常用惰性氣體（如氦氣或氬氣）保護(hù)接近受熱部分的電弧、試件和熔池。TIG焊接原理如圖1-3所示。圖1-3TIG焊接原理示意圖TIG 焊接特點(diǎn)：1）TIG 焊鎢極電弧穩(wěn)定，尤其在電流小的條件下可以平穩(wěn)燃燒，最適用于厚度小于 3mm 的薄板焊接。2）TIG焊中氦氣和氬氣能防止周圍空氣與試件接觸，很好的保護(hù)試件。并且作為惰性氣體一方面不溶于金屬，另一方不參與基體金屬的反應(yīng)，所以在焊接時(shí)的反應(yīng)易控制，能夠獲得優(yōu)良焊接接頭。3) 應(yīng)用脈沖及交流電源能使電弧清理性能、載流性能以及電弧掌控性方面得到最好

32、配合，對(duì)于活潑性金屬（如鎂或鋁及其合金）的焊接能夠自動(dòng)清理氧化膜。4）通過各自控制補(bǔ)充金屬和熱源，可以控制熱輸入量，從而對(duì)工件全方位地進(jìn)行焊接，對(duì)單面焊雙面成形最適用。b、熔化極氣體保護(hù)焊熔化極氣體保護(hù)焊（Metal Inert-gas Welding，簡(jiǎn)稱MIG），因?yàn)殡娀【哂嘘帢O霧化的效果和熔化深度大，射流狀的熔滴，電弧的調(diào)整能力，MIG焊一般采用直流反極性方法保證焊道光滑美觀。同時(shí)這類手段比 TIG焊接速度更快，能夠適用于焊接厚度大于 3mm的中厚板。自動(dòng)、半自動(dòng)熔化極氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)是電弧穿透能力高、電流密度高、生產(chǎn)率大，而且伴隨著焊件厚度的提高，產(chǎn)能提高。為了讓焊接質(zhì)量更高，可以適當(dāng)提高

33、焊接速度，使焊件變形量和熱影響部分變小。TIG和MIG兩種焊接方式的特征列于表1-6中。表1-6TIG焊與MIG焊特征對(duì)比電源TIG特點(diǎn)MIG特點(diǎn)直流正接（DCSP）電極允許的電流較大熔深較大沒有陰極霧化效果粗滴過渡熔深較大沒有陰極霧化作用直流反接（DCRP）電極允許電流較小熔深較淺有陰極霧化的效果噴射過渡熔深大有陰極霧化的效果電弧“自發(fā)調(diào)節(jié)”作用電流（AC）介于DCSP和DCRP之間介于DCSP和DCRP之間（2）攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊，是指在線性攪拌摩擦的條件下16，經(jīng)過摩擦熱和機(jī)械力的相互影響完成固態(tài)連接。其原理是通過攪拌頭和工件之間的摩擦產(chǎn)生大量的熱能，使得工件達(dá)到熱變形的條件，試樣在壓

34、力的影響下完成定向流動(dòng)，然后迅速頂鍛，最終實(shí)現(xiàn)兩試樣的固態(tài)結(jié)合17。該方法于1991年由英焊所宣布，屬于低熔點(diǎn)金屬板焊接和固態(tài)連接中的應(yīng)用18-21。攪拌焊是通過柱狀攪拌頭(Welding Pin)高速旋轉(zhuǎn)插入試樣的接縫部位，摩擦產(chǎn)生的大量熱能使得連接區(qū)域材料迅速升溫至軟化結(jié)合，待其冷卻后完成焊接。其過程如圖1-4所示。焊接的時(shí)候材料應(yīng)穩(wěn)定的處于墊背之上，在焊接開始后，在焊接摩擦過程中一方面可以用摩擦來除去表面氧化膜22，另一方面能阻止塑性金屬的溢出。圖1-4攪拌摩擦焊原理圖（3）激光焊激光焊（Laser Beam Welding，簡(jiǎn)稱LBW），是一種精密高效的焊接方法，分為熱導(dǎo)焊和深熔焊，是

35、當(dāng)今先進(jìn)的制造技術(shù)之一，它的熱源為具有高能量密度的激光束。熱導(dǎo)焊具有102103kW/cm2的高熱功率，其焊接過程主要依靠通過激光能量傳遞熱能是材料熔化最終形成焊縫。而深熔焊的功率是前者的10倍左右。金屬受熱氣化形成中心小孔，高能激光束穿過小孔進(jìn)入金屬工件內(nèi)部，也稱為小孔效應(yīng)。深熔焊形成的焊縫窄而深，熔深可以達(dá)到熔寬的12倍甚至更高。激光焊具有一系列優(yōu)于傳統(tǒng)焊接的特點(diǎn)23：1）熱輸入低，能量密度高，冷卻速度高，深寬比大；2）熱變形小，精度高，焊后形成的焊縫組織細(xì)??；4）激光束可以通過反射轉(zhuǎn)移到傳統(tǒng)方法無法接觸的部位；5）無需電極，不受電磁干擾；6）激光焊過程不會(huì)產(chǎn)生X射線，完全脫離真空室的約束

36、，容易定位和觀測(cè)；7）激光能量可以由光導(dǎo)設(shè)備遠(yuǎn)程傳送，工藝適應(yīng)性好。8)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)省勞動(dòng)成本。1.2.3鋁合金焊接性由于鋁合金具有強(qiáng)度高、密度小、優(yōu)良的機(jī)械性能、抗環(huán)境腐蝕優(yōu)良和易成形等特點(diǎn)被大量用于日常和工業(yè)中，但是也由于鋁合金的特殊物理性質(zhì)，也導(dǎo)致其在焊接過程中存在一定的困難，其中主要有24-25：（1）鋁屬于活潑金屬，具有強(qiáng)氧化性鋁親氧性極強(qiáng)，易形成致密氧化膜。焊接過程中因?yàn)樵撗趸さ拇嬖跁?huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，對(duì)金屬之間的結(jié)合造成不利影響。此外，水汽依附于氧化膜上易導(dǎo)致焊接氣孔缺陷。（2）鋁合金的比熱、熱導(dǎo)率大其比熱和熱導(dǎo)率是鋼的3倍。大量的熱能在焊接過程中被迅速傳導(dǎo)到金屬內(nèi)部，使合金過熱而

37、導(dǎo)致內(nèi)部晶粒過于粗大甚至出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，同時(shí)合金中的低沸點(diǎn)元素在高溫下燒損蒸發(fā)嚴(yán)重，也會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭的機(jī)械性能。（3）鋁合金線膨脹系數(shù)大一些鋁合金在焊接時(shí)，在焊縫附近極易形成液化和結(jié)晶裂紋，在脆性溫度范圍內(nèi)合金常常因無法承受巨大的應(yīng)力而產(chǎn)生熱裂紋。上述現(xiàn)象經(jīng)常成為鋁合金，特別是超強(qiáng)合金在焊接過程中最常見的致命缺陷。（4）易形成焊接氣孔由于鋁合金溶液對(duì)氣體具有很強(qiáng)的親和力，使得大量氣體幫隨著焊接加熱高溫過程進(jìn)入鋁液。這些含氣鋁液冷卻時(shí)，由于溶解度大幅度下降，氣體來不及從鋁液中析出，而滯留和積聚在焊縫內(nèi)形成氣孔。這種缺陷在鋁焊中十分常見。（5）焊接接頭易軟化鋁合金焊接時(shí)，熱影響區(qū)組織在熱源循環(huán)加

38、熱下發(fā)生軟化，使其力學(xué)性能變差。對(duì)于冷變形強(qiáng)化的鋁合金也會(huì)造成性能弱化，并且隨著能量密度的提高，其弱化效果加強(qiáng)。（6）鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性低鋁在380左右時(shí)強(qiáng)度僅為79MPa，在焊接高溫下該強(qiáng)度很難承受住液態(tài)金屬的重力作用而出現(xiàn)焊縫塌陷甚至燒穿等缺陷，導(dǎo)致焊縫成形性差。在實(shí)際生產(chǎn)中鋁及鋁合金的焊接常會(huì)在其下方添加銅墊板或者其他導(dǎo)熱性優(yōu)良的墊板。（7）焊接接頭耐腐蝕性低熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接后的耐腐蝕性相比母材會(huì)發(fā)生降低，并且抗腐蝕性能隨著組織均勻性的降低而直線下降。雜質(zhì)、晶粒過大以及脆性相（如FeAl3）析出等，都會(huì)造成耐蝕性急劇降低，不但腐蝕金屬合金外層且常常伴隨著晶間腐蝕。即使鋁合金焊接存

39、在大量問題，但和其他連接方法比較，鋁合金焊接一方面在很大程度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以提高效率，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。隨著焊接技術(shù)發(fā)展和鋁合金的應(yīng)用，該問題在各大國(guó)內(nèi)外學(xué)者中依然是個(gè)研究重點(diǎn)。1.3深冷處理簡(jiǎn)介深冷處理又名超低溫處理，使材料處于-130-196的低溫介質(zhì)中26，對(duì)材料進(jìn)行處理的方法。適用于全部金屬或非金屬材料，如碳的化合物、陶瓷材料、塑膠 (尼龍與鐵氟龍)等。該方法是普通常規(guī)冷處理的發(fā)展延續(xù)，以改變材料的顯微組織結(jié)構(gòu)的方式來提高試樣的服役壽命和綜合力學(xué)性能27-30。在深冷處理后宏觀方面，材料的強(qiáng)韌性、抗腐蝕性等機(jī)械性能提高。微觀方面，試樣的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，材料表面有第二相析出，材料均勻

40、性提升，強(qiáng)度塑性也增強(qiáng)31-39。該處理工藝的好處有成本較低，沒有污染，操作方便，降低變形，改進(jìn)均勻性，不破壞工具，有很大的應(yīng)用前景40。1.3.1深冷處理的發(fā)展在一百多年前瑞士開始有了金屬深冷處理的雛形，那時(shí)候人們了解到通過冰雪冷凍保藏的器材能夠使用更久遠(yuǎn)時(shí)間。時(shí)鐘、手表、瑞士軍刀、小刀片是此類手段工藝的使用對(duì)象。在20世紀(jì)60年代初期，蘇聯(lián)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家首先對(duì)深冷手段進(jìn)行探討，較多的試驗(yàn)都指向經(jīng)過深冷處理能夠很好地提高器具的服役壽命。在二十世紀(jì)80年代的時(shí)候，美國(guó)3xistruments&Toling、Material Improvement和Ame Cry等公司，分別針對(duì)磨具、精

41、密儀器儀表、眾多齒輪、測(cè)量工具等進(jìn)行深冷處理。深冷處理能夠?qū)σ陨狭慵膽?yīng)用壽命有很大幅度的提高，提升510倍。深冷強(qiáng)化案例如表1-7所示。表1-7深冷強(qiáng)化案例公司名稱處理的零部件處理前處理后功效（提升倍數(shù)）Chrysler拉刀（拉鋼套管）1810件8600件4.76FordM2拉刀2000件12000件6.0Metals銅電極觸頭2周6周3.020世紀(jì)中期，國(guó)內(nèi)對(duì)深冷處理展開了研究，應(yīng)用酒精和干冰對(duì)測(cè)量工具、模具、工作器件的尺寸可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在90年代的時(shí)候，各大研究院逐步對(duì)模具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等各類材料進(jìn)行了進(jìn)一步研究和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)深冷處理后這類材料的抗磨性、硬度、韌性、抗

42、腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性都得到了相應(yīng)程度的提高。1.3.2深冷處理工藝深冷處理常用液氮冷卻，制冷溫度低（-196），液氮無污染、來源廣，有經(jīng)濟(jì)效益。按照應(yīng)用的介質(zhì)能夠把其劃分為氣體法和液體法這兩者方式。其中液體法是把試件放于液氮里，在一段時(shí)間的后使試件溫度迅速下降。由于液體法帶有較大的熱沖擊性，容易導(dǎo)致試樣發(fā)生損壞，容易造成低溫塑性差的試樣變形和裂紋，所以并未普及。另一種氣體法是通過液氮汽化，利用低溫氮?dú)馕鼰釓亩鴮?shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)及輻射效果，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，能夠防止熱沖擊性的影響，應(yīng)用較為廣泛。一系列實(shí)驗(yàn)41-46表明，材料的機(jī)械性能可以通過深冷處理強(qiáng)化，其工藝參數(shù)有溫度、速度、保溫時(shí)間和循環(huán)次數(shù)等。深冷處理

43、工藝按其處理手段能夠劃分為深冷-急熱法與冷熱循環(huán)法這兩大種類：其中，前者將工件淬火后，在水里保溫在放入-100或-190左右溫度下保持一定時(shí)間。即-100左右為普通冷處理；-190左右為深冷操作，隨即轉(zhuǎn)入熱介質(zhì)迅速升溫；冷熱循環(huán)法是讓試樣降至-40-190，持續(xù)0.51h接著再緩慢加熱到8090或者略低于合金淬火后的人工時(shí)效溫度并保持12h，這樣多次反復(fù)循環(huán)將深冷配合熱處理交替應(yīng)用。兩種方法都可以提高服役壽命和機(jī)械性能，將殘余應(yīng)力釋放，改善精度，但是相比下后者為佳。深冷-急熱法在處于快速加熱的條件下會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，對(duì)工件造成潛在的破壞。目前，對(duì)于黑色金屬的深冷處理研究已經(jīng)趨于成熟，但對(duì)于有色金屬

44、材料的深冷處理工藝的研究尚處在探索階段。目前，對(duì)深冷的探討如下：1）關(guān)于深冷處理升溫和降溫速率目前有兩種方式，其中一種是日本式（深冷-急熱法），該方法認(rèn)為該升溫速率不能快迅速，因?yàn)榧睙峒崩錁O易造成試件應(yīng)力變大，從而導(dǎo)致試件發(fā)生變形或者開裂；另一種為前蘇聯(lián)式（電擊法），該方法認(rèn)為急冷急熱會(huì)導(dǎo)致試件中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槌神R氏體，由于冷卻速度比油淬低，不容易使試件變形或者開裂。2）被處理的試件厚度、導(dǎo)熱性能和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)化平衡狀態(tài)是受深冷處理保溫時(shí)間長(zhǎng)短決定。大部分研究者認(rèn)為工件深冷保溫時(shí)間長(zhǎng)所獲得的效果更好，隨著深冷時(shí)長(zhǎng)的增加，奧氏體轉(zhuǎn)變量越多，微小碳化粒子析出越多，也更均勻。3）研究47認(rèn)為多

45、次深冷處理效果好于一次，每次深冷處理對(duì)前一次效果都有強(qiáng)化作用。經(jīng)過多次深冷處理后，粒子析出更多，殘余體轉(zhuǎn)換也更充分，試樣的力學(xué)性能也相應(yīng)提升，但是多次處理后性能及組織很難在發(fā)生變化。4）在對(duì)試樣處理時(shí)，對(duì)于深冷處理及回火的先后順序，目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者認(rèn)為回火處理前進(jìn)行深冷能明顯的提升試件的切削性，其后深冷能增強(qiáng)試件的力學(xué)性能。在選用回火前深冷處理這順序，是因?yàn)閷?duì)硬件需求高，且需要承擔(dān)大動(dòng)載荷的試件。應(yīng)用回火后深冷處理是針對(duì)那些容易變形彎曲的，并且能承受大沖擊載荷的試件。1.3.3深冷處理設(shè)備深冷處理的設(shè)備最常用的是液氮作為冷卻介質(zhì)制冷，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)控速率精確，并且可調(diào)控的溫度跨度大，能

46、量消耗低，安全性優(yōu)良，應(yīng)用操作簡(jiǎn)單。在1989年的時(shí)候天津市的熱處理研究所研發(fā)制造出能夠使溫度調(diào)控范圍是常溫至-180的液氮?dú)饣蜕罾湎?8。1993年華中理工制造出嵌套式的深冷處理設(shè)備，該設(shè)備能夠雙向制冷，內(nèi)層液氮冷卻到-150。外層機(jī)械冷卻到-18-2449。在1996年中國(guó)科技研究院技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心制造出最低溫度達(dá)-100并且可調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制降溫速度的深井式深冷處理裝置50。2003年中科院物化所發(fā)布的SLX-30型程序控制深冷箱，能夠降溫至-196，并且可調(diào)節(jié)溫度和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制降溫速度的深井式深冷處理裝置。也有通過空氣壓縮原理的冷卻設(shè)備，如航空航天部的青云設(shè)備廠中的空氣渦輪深冷機(jī)51。1.

47、3.4深冷處理應(yīng)用深冷處理在一方面能夠明顯提高材料力學(xué)性及服務(wù)壽命，并且能使尺寸穩(wěn)定，改進(jìn)均勻性，降低變形，另一方面該方法控制簡(jiǎn)易，綠色環(huán)保，沒有破壞工件，成本低，開發(fā)領(lǐng)域廣闊。目前深冷技術(shù)的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：（1）提升高速鋼、硬質(zhì)合金的刀具、鉆具、量具等的壽命；（2）對(duì)金剛石制品及其熱壓機(jī)的性能改善；（3）改善精密器件及其零部件的精度；（5）碳纖維纖維成分性能改良；（6）提高工模具使用壽命。目前，深冷處理的應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸擴(kuò)大，并從金屬領(lǐng)域擴(kuò)大到陶瓷、碳纖維等其他領(lǐng)域。深冷處理工藝與其他熱處理和普通冷處理工藝相比，對(duì)材料的強(qiáng)仍性、抗腐蝕性、疲勞壽命等性能的提升效果更為明顯。正因?yàn)檫@樣，

48、作為一種對(duì)材料特殊物理性能具有潛在開發(fā)價(jià)值的方法，深冷處理工藝未來發(fā)展前景廣闊。1.4本文研究的內(nèi)容和意義目前針對(duì)焊接接頭強(qiáng)化的研究有兩個(gè)方向：一方面從冶金學(xué)方向思考，應(yīng)用焊接熱模擬手段，更改焊絲成分，接著通過熱處理等手段改進(jìn)焊接接頭區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)機(jī)能，增強(qiáng)接頭強(qiáng)度；另一方面是從力學(xué)方向思考，通過對(duì)材料表面進(jìn)行錘、碾、擠壓等機(jī)械手段以此改進(jìn)其性能，但這種方法容易對(duì)工具造成破壞，影響精度。而深冷處理作為一種綠色、無破壞性的材料強(qiáng)化手段能最大程度地提高材料的性能?；谝陨戏治?，本文將深冷處理的概念從黑色金屬的強(qiáng)化拓展到6000系鋁合金焊接接頭的強(qiáng)化研究上面來，以改善鋁合金焊接接頭的軟化和缺陷問題。

49、這個(gè)方面至今為止鮮有研究，如果能很好地研究，將有望大幅度改善鋁合金焊接接頭軟化和缺陷這個(gè)關(guān)鍵性問題，開發(fā)出一種全新的鋁合金焊接接頭的強(qiáng)化方法，為鋁合金的焊接強(qiáng)化處理提供新的理論依據(jù)，具有重要意義。68中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 2實(shí)驗(yàn)材料與方法2實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1實(shí)驗(yàn)方案為了系統(tǒng)研究深冷處理對(duì)6082鋁合金焊接接頭的影響。本文通過對(duì)6082鋁合金TIG焊接頭進(jìn)行深冷處理和時(shí)效熱處理，采用顯微硬度儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X衍射儀、殘余應(yīng)力檢測(cè)儀等設(shè)備對(duì)經(jīng)不同深冷工藝處理后的6082鋁合金TIG焊接接頭試樣力學(xué)性能和顯微組織對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值模擬探究深冷處理對(duì)6082鋁合

50、金TIG焊接接頭的影響規(guī)律。分析和探究討論深冷工藝的強(qiáng)化效果，初步分析了解焊接接頭深冷處理強(qiáng)化原理，以此探究深冷處理工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用前景。2.2實(shí)驗(yàn)材料及制備本文選取的原材料為某鋁加工企業(yè)提供的厚度2mm退火態(tài)6082鋁合金冷軋板材，該板材作為焊接的母材，其化學(xué)成分見表2-1。表2-16082鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）合金牌號(hào)SiFeCuMnMgCrZnTiAl60821.000.180.150.520.980.090.050.02Bal.2.3實(shí)驗(yàn)方法2.3.1焊接方法和工藝實(shí)驗(yàn)使用山大奧太WSME-500氬弧焊全能鋁焊機(jī)對(duì)6082鋁合金進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。母材為軋制態(tài)6082-T4鋁合

51、金，尺寸為200mm120mm2mm。本次實(shí)驗(yàn)采用鎢極氣保焊(TIG)對(duì)母材試樣進(jìn)行對(duì)接，采取單絲雙面焊，惰性保護(hù)氣體采用氬氣，純度99.99%，滿足GB/T10624-1995高純氬的要求，填充金屬采用ER4043焊絲，其成分見表2-2。焊接工藝參數(shù)見表2-3。表2-2ER4043焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）合金牌號(hào)SiFeCuMnMgCrZnTiAlER40434.56.00.80.30.050.050.10.2Bal.表2-3TIG焊接參數(shù)板材厚度/mm焊絲直徑/mm鎢極直徑/mm噴嘴直徑/mm電流/A電壓/V送絲速度/mmin-1焊接速度/mmin-1氬氣流量/Lmin-121.62.

52、461152045.510板材對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行焊前清理，出去對(duì)接部位的雜質(zhì)和氧化物。焊接試件經(jīng)X 射線檢測(cè)合格后進(jìn)行后續(xù)深冷處理實(shí)驗(yàn)。2.3.2深冷處理實(shí)驗(yàn)方案深冷處理實(shí)驗(yàn)使用設(shè)備為中科院物化所設(shè)計(jì)的SLX-30程序控制深冷箱（功率1.5kW，電流8A，電壓380V）。該設(shè)備通過電腦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，以液氮為制冷介質(zhì)，利用世界領(lǐng)先的液氮分離和溫度調(diào)制技術(shù)，能夠保證深冷時(shí)溫度的升降和保溫過程的精度和穩(wěn)定性，其溫度變化可以控制在2以內(nèi)。加熱保溫設(shè)備采用SX-5-12型箱式電阻爐和101-1型鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱。2.4力學(xué)性能測(cè)試通過對(duì)各實(shí)驗(yàn)方案下的6082鋁合金TIG焊接接頭進(jìn)行顯微維式硬度測(cè)試和拉

53、伸試驗(yàn)的測(cè)試，對(duì)比分析各工藝下試樣的力學(xué)性能差異以獲得最佳實(shí)驗(yàn)工藝。2.4.1維氏硬度測(cè)試維氏硬度測(cè)試采用SCTMC顯微維氏硬度計(jì)（載荷0.981N，持續(xù)15s）。在垂直焊縫的方向由焊縫中心向基材兩側(cè)15mm范圍內(nèi)對(duì)焊接接頭的側(cè)面逐點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量間距0.25mm。每個(gè)部位測(cè)試三次硬度，取三次的平均值，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin工具生成焊接接頭的顯微硬度分布曲線圖，分析探討硬度變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)試樣要求：1試樣表面光滑，不應(yīng)有氧化皮，在獲取試樣時(shí)，應(yīng)在溫度適宜的條件下，防止表面硬度因冷熱硬化而產(chǎn)生變化；2試樣面應(yīng)足夠平整，Ra0.2m；3試樣不可顯現(xiàn)變形劃痕在背部；4試樣與平臺(tái)水平放平，防止力

54、對(duì)試樣產(chǎn)生變形和滑動(dòng)。2.4.2拉伸力學(xué)性能測(cè)試按照國(guó)標(biāo)GB/T 2651-81焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)法的標(biāo)準(zhǔn)制備樣品，試樣尺寸如圖2-1所示。圖2-1拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸實(shí)驗(yàn)采用CRIMSDDL100電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。為準(zhǔn)確獲取6082鋁合金的TIG焊接接頭的各項(xiàng)拉伸數(shù)據(jù)，分別測(cè)量拉伸斷裂前后各個(gè)數(shù)據(jù)，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值，記錄試驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同工藝下試樣的拉伸力學(xué)性能變化規(guī)律。2.4.3抗腐蝕性能測(cè)試（1）晶間腐蝕試驗(yàn)晶間腐蝕試驗(yàn)參照 GB/T 79982005鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法進(jìn)行，截取帶焊縫部位的鋁合金焊接接頭試樣，尺寸為40mm25mm2mm，在恒定為 (352)的實(shí)驗(yàn)溫

55、度下將試樣在溶液中浸漬24 h，腐蝕介質(zhì)為57g/L NaCl+10mL 30%Vol% H2O2混合溶液。（2）應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)參考國(guó)標(biāo)GB228-2002、TB/T3260.4-2011制取焊接接頭應(yīng)力腐蝕試樣，尺寸如圖2-2所示，在WDML-1慢應(yīng)變拉伸機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸速率為110-6s-1，同一組試樣分別以空氣和濃度為3.5%的氯化鈉溶液為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行慢應(yīng)變拉伸。圖2-2焊接接頭應(yīng)力腐蝕試樣標(biāo)準(zhǔn)2.5微觀組織觀察取6082鋁合金TIG焊接接頭焊接接頭橫截面經(jīng)打磨拋光后制備成金相試樣，腐蝕后采用MX3000金相顯微鏡，MIRA3 XMU掃描電鏡等儀器對(duì)其進(jìn)行顯微組織和拉伸斷口形貌觀察，并分

56、析其變化規(guī)律。2.5.1金相組織（OM）觀察按照一般金相試樣制取組織觀察試樣，將焊接接頭觀察區(qū)域切割取樣，鑲樣、打磨、拋光、腐蝕和陽極覆膜，然后觀察試樣顯微組織。打磨試樣使用600#、800#水磨砂紙光亮后再用600#、800#、1000#、1200#的金相砂紙對(duì)前面的試樣精磨，然后在拋光機(jī)上使用粒度為W0.5的金剛石研磨膏進(jìn)行拋光。腐蝕試劑采用濃度比例為HF：HCl：HNO3：H2O=1：1.5：2.5：95的混合酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行1.53min的腐蝕，使用醫(yī)用棉對(duì)腐蝕后的試樣表面輕輕擦拭以出去其表面的腐蝕氧化物，用蒸餾水將試樣沖洗干凈，并防止二次污染，待其干燥后置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀

57、察。陽極覆膜的試樣無需在精磨之后進(jìn)行機(jī)械拋光處理，使用無水酒精試劑清洗試樣表面，待試樣干燥后采用濃度比例為HClO4：CH3CH2OH=1：9的混合酸溶液，電解拋光5秒鐘，穩(wěn)定電壓25V。結(jié)束后取出，待其風(fēng)干后用濃度為10%的氟硼酸，在直流穩(wěn)壓電源下，對(duì)試樣表面進(jìn)行陽極覆膜90秒，電壓25V，電流穩(wěn)定在0.1A以下。覆膜完成后的試樣在光學(xué)顯微鏡偏光狀態(tài)下觀察其組織。2.5.2拉伸斷口形貌（SEM）觀察SEM顯微組織在MIRA3 LMU MI2501373CN高真空熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察。本實(shí)驗(yàn)從拉伸斷口處截取樣品，保證斷口干凈無污染，按照斷口掃描樣品制備規(guī)范制取掃描樣品，根據(jù)所得的形貌特

58、點(diǎn)，獲取到相關(guān)斷裂機(jī)制原理信息，從而探討深冷處理工藝對(duì)6082鋁合金TIG焊接接頭斷裂機(jī)制原理和斷口形貌的作用影響。2.6X射線衍射物相分析物相分析在D8 Advance型X-射線衍射儀上進(jìn)行測(cè)試，試樣要求：20103 mm的片狀，利用水磨砂紙精磨，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)MDI Jade6.0軟件處理并進(jìn)行物相定性分析。2.7電導(dǎo)率測(cè)試電導(dǎo)率測(cè)試采用QJ19單雙臂電橋測(cè)試儀。測(cè)量單位為m/mm2，再按IACS(InternationalAnnealedCoperStandard)國(guó)際軟銅電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)，換算成%IACS單位。截取焊接接頭焊縫部位，去除其表面污物和氧化膜，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 12966-2008

59、鋁合金電導(dǎo)率渦流測(cè)試方法在試樣處理完后立即進(jìn)行電導(dǎo)率的測(cè)量，每一個(gè)試樣的電導(dǎo)率均進(jìn)行三個(gè)區(qū)域的多點(diǎn)測(cè)量，取其平均值作為最終結(jié)果。2.8殘余應(yīng)力檢測(cè)殘余應(yīng)力測(cè)量在HK21B型殘余應(yīng)力檢測(cè)儀上進(jìn)行。為提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，在測(cè)量前先將焊板待測(cè)部位用金相砂紙打磨平整光亮，并用酒精和丙酮清洗后粘貼應(yīng)變片進(jìn)行鉆孔測(cè)量。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 3深冷時(shí)間對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織與性能的影響3深冷時(shí)間對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織與性能的影響本章采用維氏硬度測(cè)試、拉伸測(cè)試等實(shí)驗(yàn)方法，通過金相觀察、斷口掃描和X射線衍射分析等手段，研究了研究不同深冷時(shí)間處理對(duì)6082鋁合金TIG焊接焊接組織和性能的影響。3.1實(shí)驗(yàn)過程和方法經(jīng) RT 探傷檢測(cè)合格的焊接試樣先在520下固溶30min水淬后室溫下放置5min。將試樣分為4組，每組3個(gè)平行樣，隨后將4組試樣放入深冷處理箱中，以-8/min的速率，從室溫緩慢冷卻到液氮溫度（-196）分別保溫0h、4h、12h、20h進(jìn)行深冷處理，4組試樣分別標(biāo)記A0、A1、A2、A3，之后取出并隨空氣中恢復(fù)至室溫，進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)分組如表3-1所示，具體工藝路線見圖3-1。表3-1最佳深冷時(shí)間探究實(shí)驗(yàn)分組試樣編組試樣編號(hào)深冷處理溫度 / 保溫時(shí)間/hA0A001A003-196