隨焊沖擊抑制6061-T6鋁合金接頭軟化行為研究

李忠星，康 登，趙亞飛

（兗礦東華建設集團有限公司，濟寧 273500）

0 前言

6061 中強鋁合金應用廣泛，但在焊接過程中易出現軟化現象，導致構件使用性能嚴重下降[1]。試驗采用隨焊沖擊（即焊接過程中對熱影響區進行旋轉錘擊），使其強度提高。目前隨焊沖擊在防止鋁合金焊接熱裂紋方面的研究居多，還基本沒有關于強化焊接熱影響區方面的研究，即使有，也只是小范圍的實驗室研究，不能在工程上應用。因此，本研究采用隨焊沖擊來強化鋁合金焊接熱影響區，觀察沖擊前后鋁合金板的硬度變化、微觀組織的變化以及對鋁合金板抗腐蝕性的影響，并得出結論，為相關工業化生產提供理論基礎。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用尺寸為150 mm×80 mm×3 mm 的6061-T6 鋁合金板，其化學成分見表1。經大量試驗得出，當焊接方式為直流反接TIG焊、焊接電流為80 A、焊接速度為4.4 mm/s、氣體流速為10 L/min時焊縫成形良好，打破了直流電無法焊接鋁合金的傳統。在施焊前用丙酮和鋼絲刷分別去除表面油污及氧化膜，防止出現焊接缺陷[2]。

表1 6061鋁合金化學成分（質量分數%）

隨焊沖擊設備選用電錘，采用85 V 的工作電壓。已知焊接熱影響區距焊縫中心約12 mm 左右，在施焊過程中立即對熱影響區進行沖擊，并同時用測溫槍測量其溫度。

2 結果與分析

2.1 顯微硬度變化

用維氏（顯微）硬度計測量焊后樣品硬度。圖1示出了經電錘隨焊沖擊后焊接熱影響區與未沖擊區的硬度變化比較，可以看出在12 mm位置鋁合金硬度下降最嚴重，隨焊沖擊后硬度提升最明顯。因此在焊接過程中對距離焊縫中心12 mm處的熱影響區進行沖擊，以延長使用壽命[3]。

圖1 鋁合金板焊接熱影響區硬度變化

2.2 焊接熱影響區組織變化分析

2.2.1 宏觀組織及軟化原因分析

圖2 為正常TIG 焊的焊縫宏觀組織形貌。從表面看，外觀良好，焊縫顏色與母材基本一致，無表面裂紋以及氣孔等缺陷。圖3為隨焊沖擊后鋁合金板的宏觀形貌，沖擊區表面光潔平整，凹坑較淺，焊縫區與圖2區別不大。有資料表明，鋁合金軟化原因是由于過時效Mg2Si 強化相減少所導致。6061鋁合金過時效溫度大于165 ℃，在鋁合金板焊接的過程中，由于焊接熱循環的作用，焊槍運動到不同位置時溫度的變化不同，用測溫槍測出焊縫區焊接峰值溫度平均值為210 ℃，因此165～210 ℃為6061鋁合金的過時效溫度區間[4]。

圖2 TIG焊直流反接焊縫

圖3 隨焊沖擊及TIG焊直流反接宏觀形貌

2.2.2 顯微組織及元素分析

將焊后熱影響區未沖擊以及沖擊后的兩組試樣放入烘干箱，烘干箱的溫度設置為70 ℃，烘干時間為5 h，將烘干后的鋁合金試樣放入JSM-7500F型掃描電鏡樣品室，分別用500 倍和2 000 倍的放大倍數對試樣的微觀組織形貌進行觀察（見圖4、圖5）。從圖4可以清晰地看出其中析出相的尺寸粗大并且集中，不同尺寸的析出相沿著晶界呈條狀分布，晶粒尺寸較小的是Si原子析出相以及隨焊沖擊期間細化的Mg2Si 等第二相，較為粗大的是因與基體共格關系消失而析出的中間相，造成晶格間的壓應力減小，失去沉淀強化效果[5]。圖5 的晶粒明顯更加細小，沒有粗大的析出相，晶界處晶粒排布整齊，晶粒隨著隨焊沖擊旋振動逐漸細化以及孿晶變形位錯滑移而使析出相之間力的作用增強，說明隨焊沖擊細化晶粒強化焊接熱影響區的效果顯著，能夠用來改善焊接熱影響區的軟化問題。

圖4 HAZ未沖擊區微觀組織形貌

圖5 HAZ沖擊區微觀組織形貌

6061 鋁合金HAZ 沖擊區各合金元素含量見表2，圖6 為該鋁合金沖擊后焊接熱影響區的各合金元素含量分析圖譜。強化相Mg2Si中Mg元素原子含量是Si元素的兩倍。表2中也可以看出Si的含量為0.40%，Mg的含量為0.81%，因此測量位置的成分主要為沉淀強化相Mg2Si。Cu 元素的含量為0.13%，在過時效軟化析出的第二相還有θ 相Cu-Al2，大于Mg2Si的尺寸，因此晶界處的顆粒形狀物也含有CuAl2[6]。

圖6 6061鋁合金HAZ沖擊區元素圖譜

表2 6061鋁合金HAZ沖擊區各合金元素含量

2.3 抗腐蝕性能變化

電極腐蝕電位是一種熱力學概念，是在沒有外加電流的情況下測得的電位。該數值越負，表明越容易被腐蝕，數值越正，抗腐蝕性越大。腐蝕電流是一種動力力學概念，反應了金屬在腐蝕后腐蝕進行的快慢，電流越大腐蝕速度越快，說明抗腐蝕性越差。塔菲爾斜率越大抗腐蝕性越好，斜率越小抗腐蝕性越差[7]。

圖7 為6061-T6 試樣的循環極化曲線。通過實驗總結的數據能夠看出熱影響區的未沖擊區自腐蝕電位為-754.959 mV，腐蝕電流為5.851e+001 A（如圖7（a）所示）；熱影響區沖擊區的電極自腐蝕電位為-668.187 mV，腐蝕電流為1.556e+001 A（如圖7（b）所示）。由于焊接熱影響區沖擊位置的腐蝕電流小，電位更低，抗腐蝕性更強，因此隨焊沖擊后熱影響區的抗腐蝕性得到提升。

圖7 6061鋁合金試樣循環極化曲線

3 結論

（1）通過對隨焊沖擊后的焊接熱影響區進行維氏硬度測試后發現，處理后的熱影響區硬度在旋轉錘擊后明顯得到提升，平均提高10HV。

（2）在掃描電鏡的觀察下，發現隨焊沖擊后的熱影響區金相組織更加細小，軟化組織的孿晶變形，位錯滑移，使顯微組織更加緊密，硬度得到提升。

（3）用電化學工作站對隨焊沖擊后熱影響區的電化學腐蝕性能測試后發現，沖擊后熱影響區電極自腐蝕電位小，電位低，塔菲爾斜率大，因此隨焊沖擊能夠提升抗腐蝕性能，可應用于工業生產。