焊后熱處理對6082-T6 鋁合金焊接接頭組織和性能的影響

姜丕文，谷 晗，楊振東，鄧 鑫，劉 歡

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

鋁合金因其質量輕、強度高以及優良的加工性能，被廣泛應用于航空航天、交通運輸和建筑等領域[1-4]，6082 鋁合金屬于中等強度的Al-Mg-Si 系合金，具有良好的鍛造性能、耐腐蝕性、焊接性能及機械加工特性，被廣泛應用于汽車、軌道交通、建筑及工業等領域[5-7]。鋁合金焊接技術主要包括熔化極惰性氣體保護（metal inert gas welding，MIG）焊、攪拌摩擦焊、激光焊和激光復合焊等[8-13]。鋁合金車體制造多以MIG 焊和鎢極惰性氣體保護（tungsten inert gas welding，TIG）焊為主，焊后接頭處軟化嚴重，直接影響車輛安全和使用壽命[14]。目前，提高鋁合金焊接接頭性能的研究主要集中在焊接工藝、焊接方法以及填充材料方面，并取得了豐碩的研究成果，但關于焊后熱處理的研究甚少[15]。本文以6082-T6鋁合金為研究對象，研究焊后熱處理對焊接接頭組織和性能的影響，研究結果對6 系鋁合金焊接接頭強度的提升具有一定的參考價值。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗選擇6082-T6 鋁合金擠壓板材作為母材，尺寸規格為300.0 mm×150.0 mm×12.0 mm，選用鋁合金焊絲ER5087 做填充材料，焊絲直徑為1.2 mm，母材和焊絲的化學成分如表1 所示，母材和焊絲的力學性能如表2 所示。

表1 母材與焊絲化學成分Tab.1 Chemical composition of base metal and welding wire

表2 母材與焊絲力學性能Tab.2 Mechanical properties of base metal and welding wire

1.2 實驗方法

焊前使用氣動鋼絲刷將鋁合金母材坡口及兩側30 mm 的表面打磨出金屬光澤，并用酒精清除表面油污等雜質。坡口形狀為單面V 型、角度70°，保護氣體為氬氣，使用福尼斯TPS-5000 焊機進行三層四道MIG 對接焊。焊接工藝參數見表3。焊后試樣分別采用不同熱處理制度進行處理。熱處理制度見表4。

表3 焊接工藝參數Tab.3 Welding process parameters

表4 焊后熱處理制度Tab.4 Post-weld heat treatment systems

采用蔡司M2m 光學顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察；采用島津AG-X 100 KNH 型電子萬能試驗機進行橫向拉伸實驗，加載速率10 mm/min；采用島津SSX-550 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對拉伸斷口形貌進行觀察；采用FV-810 型維氏硬度計測試焊接接頭近上表面硬度，測試點從焊縫中心到母材一側，相鄰測點間距為2 mm。

2 實驗結果及分析

2.1 金相組織

對不同熱處理制度下的焊接接頭進行金相組織觀察，結果如圖1～3 所示。6082-T6 鋁合金組織中強化相主要為β-Mg2Si 相，6082-T6 鋁合金焊接接頭的焊縫區由于Al-Mg 系焊絲的加入，焊縫區強度相主要為Mg3Al2。由圖1（a）可知，未處理的接頭焊縫區為典型的焊態組織特征，焊縫中心區域為等軸晶組織，焊縫區邊緣為柱狀晶組織，焊縫中均勻分布著大量聚集的強化相。比較圖1（a）和圖2（a）可知，經過時效熱處理后焊縫區組織無明顯變化。由圖3（a）可知，經固溶+時效熱處理以后，在固溶時焊縫中的大部分元素溶入基體中，在時效過程中晶粒間重新析出彌散細小的強化相，對強度有提升作用。由圖1（b）可知，熔合區為母材和焊縫形成的混合合金組織區，未熱處理接頭靠近焊縫一側由于焊縫金屬產生凝固，呈現彼此平行垂直熔合線的柱狀晶組織。由圖2（b）可知，經過時效處理后，產生明顯的熔合線，且熔合區原本粗大的柱狀晶發生細化，強化相分布的更加均勻。由圖3（b）可知，經固溶+時效處理后，熔合線更加的明顯，熔合區組織與兩側的相同，均看不見粗大的柱狀晶組織。由圖1（c）可知，未熱處理的接頭熱影響區由于焊接熱的影響，分為固溶區和過時效區。過時效區由于溫度低于Mg 和Si 原子的固溶溫度，導致強化相聚集長大且分布不均勻，晶粒粗化，此處是接頭的薄弱位置。由圖2（c）可知，經時效處理后，強化相仍出現聚集但分布均勻性有所提高，組織較未處理的接頭的有所細化。由圖3（c）可知，經固溶+時效處理后，熱影響區強化相Mg2Si 發生重溶，原本粗大的纖維狀組織明顯細化，晶粒間重新析出細小的彌散相。這些細小的彌散相對熱影響區起強化作用。

圖1 未處理焊接接頭處顯微組織Fig. 1 Microstructures of untreated welded joint

圖2 時效處理后焊接接頭處顯微組織Fig. 2 Microstructures of the welded joint after aging

圖3 固溶+時效處理后焊接接頭處顯微組織Fig. 3 Microstructures of the welded joint after solid solution + aging treatment

2.2 接頭力學性能

表5 和圖4 為焊接接頭拉伸實驗結果和拉伸試樣照片。由表5 可知，未熱處理的焊接接頭抗拉強度為225 MPa，接頭系數為0.73，而熱處理后其力學性能均提升，其中時效處理后接頭的抗拉強度提高了39 MPa，斷裂位置未發生變化仍在熱影響區，固溶+時效處理后焊接接頭抗拉強度提高了77 MPa，斷裂位置由熱影響區轉變為焊縫區。分析認為，由于未處理的焊接接頭熱影響區高溫作用時發生過時效，導致強化相聚集長大，使此處材料的強度和硬度降低。而時效、固溶+時效熱處理后，熱影響區粗大的組織都有不同程度的細化，且強化相也有不同程度的均勻分布，使接頭的力學性能得到提高。

表5 拉伸實驗結果Tab.5 Results of tensile test

圖4 拉伸試樣照片Fig.4 Photo of the tensile specimens

2.3 斷口形貌分析

圖5 試樣拉伸斷口處顯微組織Fig. 5 Fracture morphology of samples after tension

對拉伸實驗斷裂后的試樣進行斷口形貌觀察，結果如圖5 所示。由圖5 可知，未處理與時效處理后的斷口均有明顯撕裂的韌窩和短程河流花樣的撕裂棱，呈現為塑性斷裂特性，但時效處理后的韌窩尺寸較小，深度較淺，數量更多。說明試樣時效處理后強度提高，這與拉伸實驗結果相對應。固溶+時效熱處理后斷裂位置在焊縫處，斷口比較平整，微觀韌窩大小均勻，深度較淺，存在由韌窩或氣體聚合形成的孔洞，說明強度更高。

2.4 接頭硬度

對不同熱處理的焊接接頭進行硬度檢測，結果如圖6 所示。由圖6 可知，6082-T6 鋁合金焊接接頭經過時效處理、固溶+時效處理后硬度得到了明顯地提升，焊縫區經過固溶+時效處理后硬度比未處理的、時效處理的硬度值略高，熱影響區經過時效處理后、固溶+時效處理后硬度值比未處理的要高得多。固溶+時效處理后接頭處熱影響區的軟化區消失，硬度最低值位于焊縫區，時效處理的、未處理的試樣接頭處硬度最低值均在熱影響區，這與拉伸試樣的斷裂發生位置的結果相符。結合熱處理后金相組織分析可知：經過固溶+時效處理后接頭處組織得到細化，強化相重新析出，分布的更加均勻；經過時效處理后接頭處強化相分布的均勻性也得到了改善。

圖6 各試樣焊接接頭處顯微硬度分布圖Fig. 6 Distribution image of microhardness in the welded joint of each sample

3 結 論

（1）未處理的6082-T6 鋁合金焊接接頭焊縫中心為等軸晶組織，焊縫邊緣為柱狀晶組織，熔合區呈現柱狀晶組織，熱影響區過時效區晶粒在熱作用下有明顯的粗化；經過時效熱處理后強化相分布的更加均勻，接頭處組織稍有細化；經固溶+時效熱處理后重新析出細小的強化相，接頭處組織細化明顯。

（2）未處理的6082-T6 鋁合金焊接接頭處抗拉強度為225 MPa，斷裂位置位于熱影響區，經時效處理后抗拉強度為264 MPa，斷裂位置仍在熱影響區，經固溶+時效處理后抗拉強度提高到302 MPa，斷裂位置轉變為焊縫區。

（3）6082-T6 鋁合金焊接接頭經過固溶+時效處理和時效處理后硬度得到了明顯提升，硬度值明顯高于未處理接頭的。固溶+時效處理后接頭處硬度最低值位于焊縫區，而時效處理的、未處理的接頭處硬度最低值均在熱影響區。

（4）焊后未處理的、時效處理的和固溶+時效處理后的焊接接頭處斷口都呈現為塑性斷裂，固溶+時效斷口的韌窩更小更淺，強度更高。