材控毕业论文中厚板压下规程优化及模型开发(2)

非热处理型合金

Al-Si系—4×××，如4043

加工材

Al-Mg

系—

5×××，如5A02

Al-Cu系合金—2×××，如2014 热处理型合金

Al-Mg-Si系合金—6×××，如6061 Al-Zn-Mg-Cu系合金—7×××，如7005 Al-Li系合金—8×××，如8090

铝及铝合金

纯铝系

Al-Si系合金，如ZL102合金

非热处理型合金

Al-Mg系，如ZL103合金

铸造材

Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金

热处理型合金

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

图1.1铝及铝合金分类图

1.3 铝合金的热处理工艺简介

热处理是将金属材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺，其目的在于改变金属的内部组织结构，以改善其性能[5]。

变形铝合金热处理在实际生产中是按生产过程、热处理目的和操作特点来分类的，一般情况下，铝合金加工企业最常用的热处理方法可分为退火、固溶淬火、时效、回归和形变热处理五种基本形式。

（1）退火处理

将铝合金加工材加热到较高的温度（一般为300℃左右），保温一定的时间后随炉冷到室温的工艺称为退火[6]。在退火过程中固溶体会发生分解，固溶体向第二相质点发生聚集，从而达到细化晶粒，均匀组织的目的。

（2）固溶处理

把工件加热到足够高的温度，靠近共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度的溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理[7]。经固溶处理后工件的塑性和强度可以得到不同程度的改善，固溶处理的效果取决于下列是三个因素。

①固溶处理温度。该温度越高，强化元素运动得更剧烈，强化效果更好，通常的固溶处理温度的上限低于合金的过烧结温度，其加热温度的下限应该使强化组元尽可能溶解到固体中[7]。为获得最佳的强化效果，同时又不让合金出现过烧现象，在加热时，有时采用分级加热的方法，即在低熔点共晶温度下进行保温，使其扩散溶解后，再升到更高的温度进行保温和最后的淬火冷却[7,8]。

②保温时间。强化元素的溶解速度决定着保温时间的长短，同时保温时间也取决于合金的种类、成分、组织、成形方法和工件形状及壁厚[8]。

③冷却速度。经加热保温后，若工件遭受的冷却速率越大，固溶体从高温状态保存下来的过饱和度也越高，从而提高工件的力学性能，但同时组织转变所产

生的内应力也越大，可能使工件产生变形。

（3）时效处理

将固溶处理后的工件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效[8]。

时效温度和时间的选择取决于合金对性能的要求、固溶体的过饱和程度、合金的特性以及加工方法等，人工时效可以分为三类：不完全人工时效、完全人工时效和过时效[9]。

铝合金经时效处理时，合金元素沉淀析出的过程大多需要经过以下四个顺序：形成G-P Ⅰ区→形成G-P Ⅱ区→形成亚稳相→形成第二相质点和第二相质点的聚集，这几个阶段并有完全的界限设定，若时效温度选择较低，第一、二步进行的过程较为剧烈，若时效温度选择过高，第三、四步比较剧烈。

1.4国内外研究现状

目前，世界各国开始提倡能源的保护及节约利用，进而引发交通运输工具向轻量化方向发展，或者利用新能源替代。铝合金由于其密度小、比强度高等性能优点，而备受青睐。

铝合金结构件在焊接后产生的焊接缺陷，以及焊接变形一直是工程界普遍存在和关心的问题，国内外研究学者通过借助计算机仿真模拟技术对焊接变形现象进行数值模拟，以从中寻求焊接问题的解决方法。且大量研究主要集中于通过改变焊接方法，以寻求与生产相适应的焊接工艺，对铝合金焊后的热处理工艺研究并不全面。

王亚荣、黄文荣以及雷华东三人研究了焊后热处理对2A14高强铝合金电子束焊接头组织性能影响[10]，其实验结果表明，焊后热处理后，焊缝的组织及性能都因为析出相的弥散强化作用，而使得硬度和强度的显著提高，尤其是焊缝的硬度值大于母材的硬度值。

孙志学研究了热处理方式对接头的影响[11]，得出完全时效和不完全时效对焊缝的显微组织有影响，导致最后力学性能检测的断裂方式不同。

黄艳斐、汪勇等人研究了不同热处理条件下2A12铝合金焊接试样残余应力的影响[12]。实验结果表明，由于受焊接热输入的影响，焊接热影响区出现了晶粒长大，显微硬度降低的现象。经热处理后焊接接头的应力值降低且硬度和强度提高。

由此可知，铝合金焊接接头软化问题的解决，逐步成为学者研究的热点。但没有学者研究具体研究热处理工艺参数的改变，对6061铝合金焊接接头性能的影响。本次课题主要针对的是6系铝合金焊接接头软化问题的解决，并通过热处理措施来提高其力学承载性能，分析其热处理的影响机理。将会为铝合金的焊接，

提供一定的参考依据。

1.5 本文的研究内容及意义

本文通过以200×100×10mm的两块6061铝合金板V形坡口对接MIG焊作为焊接试板，并以其热处理试样为实验研究对象，从而进行以下研究。

（1）制订铝合金6061的焊接工艺，焊接工艺包括焊接层数、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体流量的参数选择。并通过焊缝成形试验，得出最佳的焊接工艺参数。

（2）分析变形铝合金焊接后焊接接头性能的变化，分析其软化原因，并提出措施以解决焊接接头的软化。

（3）对比研究不同的热处理措施，对焊接接头性能的影响。调整焊后试样热处理工艺的固溶温度和时效处理温度，并对热处理后的试样进行金相实验、拉伸实验、硬度实验来探究焊后热处理参数的改变对焊接接头的影响，分析其影响机理。

本课题的开展有利于深入掌握焊后热处理工艺知识，并通过实验，掌握铝合金焊接接头力学性能试验标准及分析方法，掌握热处理工艺参数的选择原则及工艺参数优化设计方法等，同时该课题的进行，会提高学生动手能力和独立思考问题、解决问题的能力，深切体会理论与实际之间的转换，为铝合金的热处理工艺等设计开发工作提供一定的参考。

重庆科技学院本科毕业论文 2 实验材料、方法及设备

2 实验材料、方法及设备

2.1实验原料、设备及流程

2.1.1实验原料及仪器设备

本试验采用厚度为10mm 的热处理型强化铝合金6061T651，6061T651为Al-Mg-Si 系合金，该合金具有较好的抗腐蚀性、氧化性，且比强度高，尤其是抗疲劳强度，同时，其焊接性能良好。其化学成分及力学性能如表2.1和表2.2所示。

表2.1 6061铝合金化学成分（%）

牌号

化学成分（质量分数）% Si

Fe Mn Mg Cr Zn Ti Al 6061

0.40～0.8

0.7

0.15～0.40

0.15 0.8～1.2

0.25

0.15

余量

表2.2 6061铝合金的力学性能

牌号 抗拉强度/MPa

屈服强度/MPa

硬度/HB 断后伸长率/%

6061

310

276

95

12

本次试验采用的焊丝为含硅5％的合金焊丝ER4043，其化学成分如表 2.3所示。焊丝形貌及规格如图2.1所示。

表2.3

ER4043焊丝化学成分（%）

Si Mg Fe Cu Al 5

<0.10

<0.04

<0.05

余量

图2.1 ER4043焊丝形貌

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完成本课题的试验所用仪器及设备如表2.4所示。

表2.4 实验主要仪器和设备列表

仪器名称 仪器规格 生产厂家 MIG 焊机 YD-400GE 中国唐山松下焊机 博世砂轮机

GWS8 德国博世集团 SK 2-12-10箱式实验电阻炉

0～1350℃ 重庆实验电炉厂 维氏硬度实验机 HVS-1000 上海联尔实验设备制造厂 微机控制电子式万能实验机

型号WDW-50.5 江苏济南试金集团有限公司 砂纸 150#、600#、800#、1200#

上海无锡市港下精密砂纸厂 卧式金属锯床 2395 山东省滕州市鹏飞机床厂

莱卡金相显微镜

DM2500M

德国LEICA 公司

2.1.2实验流程

本课题实验的具体流程如图2.2所示。

图2.2 实验流程图

2.2 MIG 焊接工艺试验方法及设备

根据实验室现有条件，综合考量铝合金的焊接方法，本次实验的焊接方法选用MIG 焊。试验采用两块尺寸为200mm×100mm×10mm 的6061铝合金板进行对接。在试件上加工V

型坡口如图2.3所示，C= 0～2mm ，本次试验采用多层多道焊焊接，接头形式都为对接接头，焊接所用的保护气体是纯Ar ，其气体纯度为99.99%。本次实验采用低碳钢钢板作为垫板，进行焊接操作。

图2.3 V 形坡口示意图

下料

焊接

热处理

力学实验 金相实验

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2.2.2焊接设备及操作方法

本次MIG焊接实验所采用的焊接设备如图2.4所示。

a)焊接电源b)行走机构

图2.4 焊接实验MIG焊机

Pansonic YD-400GE是多功能逆变焊接电源焊机，可用于常规的碳钢MAG 焊、脉冲MIG/MAG焊、CO2焊、铝合金焊等。该设备具有操作简单，功能较多，全数字化控制等优点。送丝机构采用自动送丝，且负责调解电流、电压。本次实验为了控制铝合金焊接时的焊缝成形，采用碳钢作为垫板。焊接速度、焊接电压、焊接电流均可通过行走机构的操作界面进行设定。

2.2.3 MIG焊实验方案设计

铝及其合金的焊接，通常是采用直流反极性接线法。对于6061铝合金板的焊接，其保护气体采用纯氩气保护。焊前清理坡口及坡口周边氧化膜，垫板采用低碳钢钢板。

本次实验主要研究的是热处理对焊接接头性能的影响，因此焊接工艺的所造成的实验结果，不能对后续热处理实验结果造成影响。基于这个实验目的，在热处理前，需对焊接工艺进行优化选定，经过焊接工艺的优化，确定焊接工艺参数。所以本次实验所采用的是200×100×10mm的铝合金板采用V形坡口对接。要求其焊接后焊缝成形美观。

对焊接后的试板进行外观检查，查看焊缝是否有明显的焊接缺陷，如有焊接缺陷，焊接试样需重新焊接。

2.3热处理实验方法及设备

2.3.1热处理实验设备及操作方法

根据铝合金的热处理温度，本次实验采用的是采用的高温箱式电阻炉，其设

重庆科技学院本科毕业论文 2 实验材料、方法及设备备如图2.5所示。

图2.5 箱式实验电阻炉

SK2-12-10高温箱式电阻炉是采用电阻加热方式进行升温。其操作方式简单，只需设定目标加热温度。但是到其加热温度后，由于余热的影响，导致温度有波动幅度。根据大量实践及理论，通常温度波动在±3℃以内。对实验结果及金属组织无影响。

2.3.2热处理实验方案设计

6061铝合金属于热处理型强化铝合金，其生产过程是通过热处理来提高其力学性能。其合金相图如图2.6所示。

图2.6Al-Mg-Si三元合金相图

根据其合金相图，本次实验的热处理方案是时效处理温度及时间不变，改变固溶处理温度；然后将固溶处理温度及时间不变，改变时效处理温度。通过这两

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种两种方式来研究热处理对焊接接头性能的影响。

（1）改变固溶处理温度，时效处理参数为160℃×18h ,其实验参数如下表2.5所示。根据Al-Mg-Si 三元合金相图可得，6061铝合金的固液相分界线为580℃，因此选择固溶处理温度时，一般是低于固液分界线。

表2.5 不同固溶处理温度实验参数

试样

固溶处理温度（℃）

固溶处理时间（min ） 时效处理温度

(℃) 时效处理时间

(h) 1# 480 25 160 18 2# 530 25 160 18 3#

550

25

160

18

（2）改变时效处理温度，固溶处理参数为530℃×25 min ，其实验参数如下表2.6所示。

表2.6 不同时效处理温度实验参数

试样

固溶处理温度（℃）

固溶处理时间（min ） 时效处理温度

(℃) 时效处理时间

(h) 4# 530 25 100

18 5# 530 25 160 18 6#

530

25

200

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