材控毕业论文中厚板压下规程优化及模型开发.doc 60页

'重庆科技学院毕业设计（论文）题目中厚板压下规程优化及模型开发学院冶金与材料工程学院专业班级材控试2011-01学生姓名王平学号2011444387指导教师王青峡职称讲师评阅教师职称2015年月日 注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它 学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）：年月日 重庆科技学院本科毕业论文摘要摘要由于铝合金具有密度小，比强度高和良好的耐腐蚀性、导电性、导热性，且在低温下能保持良好的机械力学性能等特点，广泛应用于航空航天、汽车和国防等行业。在上述工业领域，其零部件的连接主要靠焊接。铝合金的焊接由于其本身的一些特性，导致焊接问题、困难颇多。当焊接经过热处理强化的变形铝合金时，焊接接头受热循环的作用，焊接接头的软化成为主要问题。本文在前期铝合金焊接工艺研究的基础上，着重研究热处理对焊接接头性能的影响。本设计选用10mm的6061铝合金，采用Ф1.2mm的ER4043焊丝进行V型坡口对接MIG焊。通过对焊缝成形的分析，选取最佳的焊接工艺参数；采用优化的工艺施焊，并对焊接试样进行热处理，对热处理后的试样进行力学和金相组织分析。实验结果表明，焊接接头的热影响区存在软化现象，通过530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后接头性能得到改善，经历530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊缝的金相组织主要是α（Al）+β（Mg2Si），且分布较均匀，强化相β（Mg2Si）的分布较为细小分散，起到了弥散强化的作用，焊接接头性能良好；在相同的固溶处理温度，不同时效处理温度的情况下，经530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理的焊接接头性能良好。试验结果表明，对于铝合金的焊接软化问题，需采取合适的热处理工艺措施来改善。关键词:铝合金热影响区软化热处理强化相 重庆科技学院本科毕业论文ABSTRACTABSTRACTAsthealloyhasadensitysmallerthanthehighstrengthandgoodcorrosionresistance,electricalconductivity,thermalconductivity,andatlowtemperaturestomaintaingoodmechanicalpropertiesandothercharacteristics,widelyusedinaerospace,automotiveanddefenseindustries.Intheindustrialsector,whichisconnectedmainlybyweldingparts.Aluminumweldingduetosomecharacteristicsofitsown,leadingtoweldingproblems,manydifficulties.Whenweldingaluminumdeformationafterheatstrengthened,theweldedjointactionofheatcycle,thesofteningofweldedjointsbecomeamajorproblem.Basedonthepreliminarystudyofaluminumalloyweldingprocess,theeffectofheattreatmentfocusesontheperformanceofweldedjoints.Thedesignuses6061aluminum10mm,usingФ1.2mmtheER4043weldingwireV-groovebuttMIGwelding.Throughtheanalysisoftheweld,selecttheoptimalweldingparameters;usingoptimizedprocesswelding,heattreatmentandweldingsamples,thesamplesafterheattreatmentthemechanicalandmicrostructureanalysis.Experimentalresultsshowthatthepresenceofsofteningtheheataffectedzoneofweldedjointsby530℃×25minsolutiontreatment+160℃×18hafteragingtreatmentjointperformanceimprovement,through530℃×25minsolutiontreatment+160℃×18hagingtreatmentaftertheweldmicrostructuremainlyα(Al)+β(Mg2Si),andthedistributionismoreuniform,strengtheningphaseβ(Mg2Si)disperseddistributionofrelativelysmall,playedadispersionstrengtheningtheroleofthegoodperformanceofweldedjoints;atthesamethesolutiontreatmenttemperature,underdifferentagingtemperaturewas530℃×25minsolutiontreatment+100℃×18hagingtreatmentgoodperformanceofweldedjoints.Thetestresultsshowthatforweldingaluminumsofteningproblems,needtotakeappropriatemeasurestoimprovetheheattreatmentprocess.Keywords:aluminum;heataffectedzone;soften;heattreatment;strengtheningphase 重庆科技学院本科毕业论文目录目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1前言11.1.1研究背景11.1.2选题的目的及意义11.2铝合金的概述11.3铝合金的热处理工艺简介21.4国内外研究现状31.5本文的研究内容及意义42实验材料、方法及设备52.1实验原料、设备及流程52.1.1实验原料及仪器设备52.1.2实验流程62.2MIG焊接工艺试验方法及设备62.2.2焊接设备及操作方法72.2.3MIG焊实验方案设计72.3热处理实验方法及设备72.3.1热处理实验设备及操作方法72.3.2热处理实验方案设计82.4金相组织和力学性能实验方法92.4.1拉伸实验92.4.2金相显微组织分析112.4.3硬度实验123热处理试样焊接工艺的选定143.1铝合金焊缝成形的影响因素143.2焊接参数对焊缝成形的影响153.2.1焊接电流对焊缝成形的影响153.2.2焊接速度对焊缝成形的影响173.2.3根部间隙对焊缝成形的影响20 重庆科技学院本科毕业论文目录3.3热处理试样焊接工艺的选定224实验结果分析与讨论234.1焊接接头热处理前后的金相显微组织234.2焊接接头热处理前后的拉伸性能及断口分析304.3焊接接头热处理前后的硬度分布335结论与展望385.1结论385.2不足与建议38参考文献39致谢41 1综述1.1引言我国习惯上称厚度在4.0mm以上的板带钢为中厚板（其中4~20mm的为中板，20~60mm的为厚板，60mm以上的为特厚板）。中厚板是国民经济发展所依赖的重要钢铁材料之一，是工业化进程和发展过程中不可缺少的钢铁品种，主要用于建筑工程、机械结构、汽车行业、压力容器、桥梁、锅炉制造、油气输送管线、电厂、核电站、油田等方面，在国民经济中的地位日趋重要。中厚板有200多年的生产历史，在钢铁生产行业里，中厚板生产是技术密集度高、质量要求高、生产流程长、工艺和装备复杂、生产组织难度大的制造过程。随着我国工业的发展，对中厚板产品，无论从数量上还是从品种质量上都提出了更高的要求。要满足中厚板多品种、高质量、高技术含量、高附加值的生产要求，了解和掌握中厚板生产方面的理论和管理常识，就必须对中厚板的工艺流程、生产方式、技术设备、力学性能、质量控制等方面的知识有一个全面和系统的认识。【金属压力加工工艺学】【中厚板生产与质量控制】【中厚板生产】VisualBasic,简称VB，是一种面向对象的程序设计语言，是目前Windows平台上应用最广泛的编程语言之一，其编程系统中采用了面向对象和事件驱动的编程机制，提供了所见即所得的可视化程序设计方法。VB可视化的设计平台、事件驱动的编程机制、面向对象的程序设计、结构化的程序设计语言、友好的集成开发环境、开放的数据库功能与网络支持成功的实现了集程序设计、编辑、运行、调试等多种功能于一体的强大功能。【VisualBasic程序设计教程】压下规程（亦称轧制规程）是指坯料至成品的变形过程。中厚板压下规程主要包括压下制度、速度制度、温度制度和辊型制度。在中厚板生产中，设计和开发合理的压下规程是保证中厚板轧制过程正常运行、提高生产率和产品质量的关键。压下规程优化和设计就是根据钢板的技术要求、原料条件、温度条件和生产设备的实际情况。运用数学公式或图表进行人工计算或计算机计算，来确定各道次的实际压下量、空载辊缝、轧制速度等参数，并在轧制过程中根据实际轧制情况进行适应性修正和处理，达到充分发挥设备潜力、提高产量、保证质量、方便操作、设备安全的目的。 充分考虑具体的生产条件进行设计和校核（是个凑合、修正的过程）再于实际生产中加以修改和完善。因此，压下规程具有一定的相对性、针对性和灵活性。所谓相对性就是压下规程设计只能做到相对合理，及设计所追求的目标不能完全同时达到，只能在整体上求得合理；针对性是指压下规程设计与具体的生产条件（原料、轧机、车间布置、操作）密切相关，某规程在甲厂是合理的，用于乙厂由于具体条件不同就未必合理；灵活性就是设计压下规程，允许操作人员根据具体情况（轧制温度、轧机负荷等）灵活执行。 原料检查原料清理加热除磷轧制矫直冷却表面检查修磨横切正火切边定尺切力学性能试验正火表面尺寸形状检查抛丸矫直力学性能试验油漆表面尺寸形状检查标记表面尺寸形状检查力学性能试验入库标记标记发货入库入库发货发货抛丸底层涂料钢板热处理钢板一般用途钢板中厚板生产工艺流程 1.2选题的目的及意义1.1.2选题的目的及意义用在汽车车身板的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、A1-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)[3]。6×××系一T4状态板材的屈服强度和抗拉强度与钢材的强度相近，此外，6000系是可热处理强化合金，在冲压成型后经油漆烘烤，性能可进一步提高，而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工[3]。对于可热处理强化型的6000系变形铝合金，决定产品最终使用性能的是合金成型后的热处理制度，其中固溶时效处理是6000系铝合金最主要的热处理制度。由于焊接热循环的作用脱溶相Mg2Si3不断析出聚集成长软化区发生过时效软化[4]。本文主要研究铝合金的焊后热处理对焊接接头性能的影响，以提高焊接接头的承载性能。将对铝型材的汽车组件焊接后的热处理措施，提供一定的理论和技术支持。1.2铝合金的概述在大多数场合下，纯铝的性能不能满足用户的使用要求。为此，生产者通过向纯铝中添加各种合金元素，以制造出满足不同性能和用途的铝合金。经添加合金元素的铝合金可加工成加工型材、棒材等，也可以加工成铸件、压铸件等铸造材。铝及铝合金的分类如图1.1所示。纯铝—1×××，如1050Al-Mn系—3×××，如3003非热处理型合金Al-Si系—4×××，如4043加工材Al-Mg系—5×××，如5A02Al-Cu系合金—2×××，如2014热处理型合金Al-Mg-Si系合金—6×××，如6061Al-Zn-Mg-Cu系合金—7×××，如7005Al-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。（1）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-PⅠ区→形成G-PⅡ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2.16061铝合金化学成分（%）牌号化学成分（质量分数）%SiFeMnMgCrZnTiAl60610.40～0.80.70.15～0.400.150.8～1.20.250.15余量表2.26061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/%60613102769512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2.3ER4043焊丝化学成分（%）SiMgFeCuAl5<0.10<0.04<0.05余量图2.1ER4043焊丝形貌 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备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SK2-12-10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。下料热处理焊接金相实验力学实验图2.2实验流程图2.2MIG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2.3V形坡口示意图 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备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PansonicYD-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。2.2.3MIG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 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备采用的高温箱式电阻炉，其设备如图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 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备根据其合金相图，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#48025160182#53025160183#5502516018（2）改变时效处理温度，固溶处理参数为530℃×25min，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#53025100185#53025160186#5302520018其热处理取样来自于MIG焊接工艺实验，试样截取如图2.7所示。图2.7试样截取尺寸及位置2.4金相组织和力学性能实验方法2.4.1拉伸实验 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备检测材料力学性能最常用的是拉伸实验和硬度实验。它从宏观上反映了材料的力学承载能力。对焊接接头进行力学性能检测，是判断焊接接头能否满足力学性能要求。为检测热处理后的铝合金焊接接头的力学性能，对焊接试样参照GB/T2615-2008《焊接接头拉伸实验法》制备焊接接头拉伸试样，在微机控制电子式万能试验机，对进行过热处理的6061铝合金MIG焊的焊接接头，进行室温拉伸试验。拉伸试样的截取应该垂直于焊缝轴线方向，试样加工完后，焊缝的位置应该在中线。因为材料的加工程序和试验仪器等原因，该拉伸试样的取样未按国家标准取样。实验载荷采用50KN进行加载，应力在100MPa以下时，加载速度为5mm/min，应力大于100MPa时，加载速度为2mm/min。拉伸样示意图如图2.8所示。拉伸实验机如图2.9所示。图2.8拉伸试验样示意图图2.9拉伸实验机 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备2.4.2金相显微组织分析金属材料进行显微组织观察，其主要目的是了解金属材料的平衡相构成及其组织形貌。因此，对焊接接头进行显微组织观察，有利于了解焊接接头的平衡组织及合金结晶过程。焊接接头包括焊缝区、热影响区及两边未受影响的母材金属。热影响区部分在焊接过程中受热不均匀，导致不同位置的点所经历的焊接热循环是不同的（即被加热的最高温度不同），而且焊接后的冷却速度也不同[13]。因此，各部分组织与性能也不同，主要表现出组织不均匀、晶粒度不均匀的特点。铝合金板焊接完以后，在焊缝中间且垂直于焊缝方向上取样，使切割面平整，其取样位置示意图如图2.10所示。采用由粗到细的金相砂纸依次从粗磨到细磨，经抛光后制成金相试样，本实验所选用抛光剂为金刚石研磨膏。在腐蚀试样之前，先通过显微镜观察金相试样表面是否有划痕，然后再进行金相腐蚀，铝合金金相腐蚀溶液为4%的混合酸溶液。图2.10金相试样截取示意图采用光学显微镜对热处理试样的焊接接头的显微组织形态进行观察。实验所用金相显微镜如图2.11所示。 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备图2.11金相显微镜2.4.3硬度实验将铝合金焊接接头的截面，按金相试样的要求进行处理后，用HVS-1000显微硬度计测定其显微硬度，其设备如图2.12所示。图2.12HVS-1000显微硬度计按照GB/T4342-1991《金属显微维氏硬度标准》和GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》，在HVS-1000显微硬度计上，对试样进行显微硬度测试，载荷为0.2Kg，加载时间为10s，母材检测点间距为1mm，焊缝及热影响区检测点间距为1mm。硬度检测从焊缝中心开始检测，并以此点为基点，向两边对称检测。为了更加准确的了解、分析硬度的变化，在截面的上下层都进行检测。如图 重庆科技学院本科毕业论文2实验材料、方法及设备2.13所示。图2.13硬度打点示意图 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定3热处理试样焊接工艺的选定焊接工艺，一般包括焊接方法、接头设计、焊接参数等。本实验中，根据焊接材料，选定焊接方法为熔化极氩弧焊（MIG），接头采用为V型坡口对接。所以，对于本实验中铝合金件的焊缝成形，主要通过改变焊接电流、焊接速度、焊缝根部间隙，以此来寻求最佳的焊接工艺参数，从而选定热处理试样的焊接工艺。对于焊缝成形而言，其衡量成形好坏的主要指标是焊缝的熔深、熔宽、余高以及表面形态，而其中一个最重要的指标就是焊缝是否焊透[14]。保证焊缝焊透是V型对接焊最基本的要求，但也要尽量避免焊穿和塌陷，在铝合金焊接时，焊穿和塌陷是最常见的焊接缺陷，其典型的形貌如图3.1所示。图3.1烧穿和塌陷3.1铝合金焊缝成形的影响因素在实际工业生产中，焊缝的成形对焊接质量能产生较大影响。如过大的余高和过小的熔深均会产生较大的应力集中，降低结构的疲劳强度，从而增加破坏的危险性，所以合理的焊缝外形对保证构件是否正常工作具有重要的影响。在保证焊透的情况下，减小熔宽，可以减小焊接热影响区，提高焊接热效率。焊缝的尺寸及形状一般用焊缝的熔宽（B），焊缝的熔深（H），焊缝的余高（h）来进行衡量，如图3.2所示。影响焊缝形状尺寸的因素很多，诸如焊接参数、电流种类和极性、电极尺寸、坡口和间隙、焊件倾角、焊件材质和厚度等，其中焊接工艺参数对其影响最为明显。本实验采用全自动MIG焊，采取改变电流、焊接速度、装配间隙等因素来进行6061铝合金单面V型坡口多层多道焊对接焊实验，其主要是找出最佳的焊缝成形工艺参数，进而优化焊接工艺。 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定图3.2焊缝形状尺寸参数3.2焊接参数对焊缝成形的影响3.2.1焊接电流对焊缝成形的影响随着焊接电流的改变，导致作用在焊件上的电弧吹力也在改变，电弧对焊件的热输入也会发生改变，焊接热源的位置、焊材的熔化速度及电弧潜入工作的深度均将会变化，从而影响熔深、熔宽和余高。焊接电流对铝合金焊缝成形影响所选择的参数如表3.1所示。表3.1不同电流下的焊接工艺参数组数焊接电流/（A）电弧电压/（V）焊接速度/（m/h）气体流量/（L/min）根部间隙/（mm）121024.227181223032504270按照表3.1设定的焊接参数依次施焊，得到的焊缝宏观形貌如图3.3所示。a）焊接电流I=210Ab)焊接电流I=230A 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定c)焊接电流I=250Ad)焊接电流I=270A图3.3不同焊接电流下的焊缝成形外观由图3.3可知，随着焊接电流的增大，焊丝的熔化速度增大，熔宽和余高有所增大。焊缝表面成形均较光滑，没有明显的缺陷和差异。采用高度尺和卡尺对图3.3焊缝的余高和熔宽进行测量，沿焊缝纵向方向测量三个位置，然后求得其平均值，测量结果如表3.2所示。表3.2不同焊接电流下焊缝熔宽和余高的值焊接电流（A）210230250270熔宽（mm）9.54、9.26、9.4810.36、10.48、10.2010.62、10.56、10.7011.32、11.16、11.20平均熔宽（mm）9.4210.3410.6211.22余高（mm）2.05、2.15、2.152.35、2.30、2.402.45、2.50、2.603.15、3.10、2.90平均余高（mm）2.122.342.523.04根据表3.2将熔宽和余高随焊接电流的变化绘成如图3.4的曲线图。图3.4焊缝的熔宽和余高随焊接电流变化的曲线从图3.4可以看出，在其他条件一定的情况下，一定范围内，随着焊接电流的增大，焊缝的熔宽和余高均有所增加。焊接完成后，用线切割的方法切割试样，并用320目的砂纸打磨焊缝区， 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定然后用体积分数4%的混合酸溶液腐蚀并观察熔透情况，确定恰好焊透时的电流大小。切割后得到如图3.5所示的焊缝切面图。b)焊接电流I=230Aa)焊接电流I=210Ac)焊接电流I=250A图3.5不同焊接电流下焊缝的熔透状态由图3.5可知，对厚度为10mm的6061铝合金进行V型坡口多层多道焊时，采取实验设计的焊接电流要焊透，焊接电流至少为230A左右。当焊接电流为250A时，如图3.5（c）可知，焊缝正面和反面的成形效果最佳。焊接电流较小时，即实验中的电流为210A，焊接热输入相对较低，熔滴主要以滴状过渡的形式进入熔池，熔滴对熔池的冲击力较小；同时母材熔化较慢，所以形成的焊缝熔深较浅，焊缝底部呈圆弧状，过渡较为平滑（如图3.5（a））。焊接电流为230A时，焊接热输入增加，熔滴开始以射滴过渡进入熔池，熔滴对熔池的冲击力明显上升，在等离子流与熔滴的共同冲击下，冲击力主要集中在焊缝正中区域，使得熔池呈现出如图3.5（b）所示的指状熔深。焊接电流较大时，焊接热输入急剧上升，母材及焊丝熔化速度明显加快，同时电弧吹力加大，使得熔池内部形成自下而上的环流。在这些因素的共同作用下，焊缝熔池内部变宽，形成如图3.5（c）所示的良好双面成形焊缝。从实验结果可以推断：当焊接电流增加到一定值时，作用在焊缝上的电弧力加大，焊接热输入增大且热源位置会下移，焊丝熔化速度加快，熔敷金属的量增加，其流动性也增加，所以焊缝的余高和熔宽都有所增加。随着焊接热输入增加，熔化的母材增多，电弧吹力增加明显，焊接时焊缝熔敷金属向下流动增多，导致焊缝背面凸起，甚至出现图3.1所示的焊缝焊穿和塌陷。3.2.2焊接速度对焊缝成形的影响 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定工业生产时，焊接生产效率是一项重要指标，为了提高生产效率，生产中常要提高焊接速度。在铝合金的熔化极氩弧焊中，焊接速度也是影响焊缝成形的重要参数。实验用焊接参数如表3.3所示。表3.3不同焊接速度下的焊接工艺参数组数焊接速度/（m/h）电弧电压/（V）焊接电流/（A）气体流量/（L/min）根部间隙/（mm）12124.2250181224327430按照表3.3焊接参数施焊后得到的焊缝表面成形如图3.6所示。a)焊接速度V=21m/hb)焊接速度V=24m/hc)焊接速度V=27m/hd)焊接速度V=30m/h图3.6不同焊接速度下的焊缝成形外观由图3.6可知，随着焊接速度的增加，焊缝的宽度越来越小；而且在速度较大时，沿焊接方向的焊缝宽度大小不均匀。对每组试块焊缝的熔宽和余高各取三组数据，然后取得其平均值，记录在表3.4中。 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定表3.4不同焊接速度下焊缝熔宽和余高的值焊接速度（m/h）21242730熔宽（mm）14.90、14.74、15.1212.50、12.42、12.3010.62、10.56、10.709.52、9.84、1.10平均熔宽（mm）14.9212.4010.629.82余高（mm）3.05、3.05、3.303.05、2.90、3.002.45、2.50、2.602.15、2.25、2.15平均余高（mm）3.122.982.522.18根据表3.4绘制焊缝的熔宽、余高随焊接速度的变化曲线，如图3.7所示。图3.7焊缝的熔宽和余高随焊接速度变化的曲线由图3.7可知：对于铝合金MIG焊，随着焊接速度的增加，焊缝的余高及熔宽都明显减小。产生的主要原因是：其他参数一定的情况下，随焊接速度增加时，导致焊接热输入减少，从而使焊丝金属熔敷量减少，最终导致焊缝余高减小、熔宽变窄。同焊接电流测量熔深的操作步骤一样，处理焊接试样后得到如图3.8所示的焊缝切面图。a)焊接速度V=24m/hb)焊接速度V=27m/h图3.8不同焊接速度下焊缝的成形从图3.8所示焊缝的成形，可以看出，焊接速度较小时，焊缝熔宽较大，熔敷金属主要堆积在焊缝表面，焊缝剖面呈现出正面焊缝宽，背面焊缝窄；随着焊接速度加快，本实验中当焊接速度为27m/h时，焊缝正面和反面熔宽基本一致。此时的焊接速度即为本实验中的最佳焊接速度。 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定由此实验中的数据统计和试样观测可以推断，在对6061铝合金进行MIG时，焊接速度由小变大过程中：焊缝的余高和熔宽都会越来越小，同时焊缝的反面成形由窄变宽，再变窄；在焊缝变宽的过程中，当焊缝反面成形的熔宽达到与正面成形基本一致时，这个对应的焊接速度即为此焊接参数下的最佳焊接速度。3.2.3根部间隙对焊缝成形的影响焊接过程中，焊件的装配间隙对焊缝成形有直接的影响。采用电弧焊焊接对接接头时，通常根据焊件板厚确定是否预留间隙、间隙大小及所开的坡口形式。本实验中采用了表3.5所示的参数来研究了装配间隙与其焊缝成形之间的关系。表3.5不同的装配间隙下的焊接工艺参数组数间隙/（mm）电弧电压/（V）焊接电流/（A）气体流量/（L/min）焊接速度/（m/h）1024.225018272132根据以上焊接参数进行焊接，所得试块焊缝的表面成形如图3.9所示。a)间隙C=0mmb)间隙C=1mmc)间隙C=2mm图3.9不同根部间隙下焊缝表面成形外观根据图3.9可知，随着装配间隙的增大，焊缝的余高相应减小，焊缝表面成形不太平整。在每条焊缝上不同位置测得三组数据，包括焊缝熔宽、余高。所测数据表如3.6所示。 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定表3.6不同根部间隙下焊缝熔宽和余高的值间隙（mm）012熔宽（mm）9.58、9.82、9.6210.62、10.56、10.709.14、8.92、9.22平均熔宽（mm）9.6610.629.06余高（mm）3.25、3.40、3.202.45、2.50、2.602.15、2.25、2.10平均余高（mm）3.262.522.18根据表3.6数据绘制焊缝根部间隙与熔宽、余高的关系曲线如图3.10所示。图3.10不同根部间隙与其熔宽和余高的关系曲线图根据图3.11可知，装配间隙为0mm时的熔宽较小，当间隙为1mm时熔宽较大，间隙增加到2mm时，熔宽开始减小。根据以上数据推断，采用焊丝直径为1.2mm的MIG焊焊接6061铝合金时，焊缝装配间隙从零开始逐渐增大的过程中，有一个最佳装配间隙使得焊缝熔宽较大，而且焊缝余高较为合适。同焊接电流测量熔深的操作步骤一样，处理焊接试样后得到焊缝切面图。观察其熔透情况，如图3.11所示。a)间隙C=1mmb)间隙C=2mm图3.11不同根部间隙下的焊缝成形由图3.11可知，根部间隙为2mm时，焊缝表面中心位置出现局部下陷，余高减小，焊缝背面成形较宽，有熔敷金属流出焊缝，而根部间隙为1mm时，焊缝熔透并且两面成形均较好。由此可以推断，6061 重庆科技学院本科毕业论文3热处理试样焊接工艺的选定铝合金焊接时，根部间隙较小时，熔敷金属主要堆积在母材表面，使得焊缝背面成形较差，正面余高较大；当根部间隙较大时，热输入主要集中到焊件内部，使得母材中部熔化加快，同时熔敷金属向下流动的阻力减小，导致焊缝表面下塌甚至焊穿。3.3热处理试样焊接工艺的选定根据以上焊接电流、焊接速度、装配间隙宽度对焊缝成形的影响，综合选定焊缝成形良好的一组参数，其焊接工艺参数如表3.7所示。表3.7焊接工艺参数焊缝层数焊接电流(V)焊接电压(A)焊接速度（m/h）焊丝直径(mm)保护气体流量(L/min)225024.2271.218 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论4实验结果分析与讨论4.1焊接接头热处理前后的金相显微组织铝合金二元相图如图4.1所示，当其成分为C0时，室温平衡组织为α+β。α为基体固溶体，β为第二相。合金加热至Tq时，β相将溶入铝基体而获得单相的Al(α)固溶体，这种现象叫铝合金的固溶。图4.1铝合金的二元合金相图对于铝合金来说，合金元素的添加使其在淬火后溶解于过饱和固溶体中，在基体中的溶质原子使基体金属的位错密度增加，同时晶格发生畸变，因畸变所产生的应力场与位错相互作用使合金元素的原子聚集到位错的附近，形成所谓的“气团”，该气团对位错的运动形成了一种钉扎作用，阻碍位错的运动，从而起到强化作用[15]。如果只是对铝合金进行单纯的固溶强化，其强化效果是较为有限的，如变形铝合金要获得较高的强度，必须配合有效的时效强化处理。所谓时效强化，也就是在合金中固溶体的溶解度随温度降低而不断减小，当合金元素的含量超过一定限度后，经冷却速度较快的淬火处理后，可获得过饱和固溶体；对此过饱和固溶体在较低的温度下加热使之发生分解，析出弥散相，并引起合金强化的热处理过程[15]。焊接后未经热处理的焊接接头各区域的金相显微组织如图4.2所示。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论Al基体Mg2Sia)母材b)焊缝c)母材与热影响区d)热影响区图4.2未经热处理的焊接接头各区域显微组织从图4.2中可以看出，焊缝呈柱状晶，且晶粒较为粗大。这是因为焊接冶金过程中，焊接热的冷却速度不同而造成的。同时可以明显看出焊接热影响区的晶粒也比较粗大，且能明显看到第二相β相呈针状或棒状分布。6061铝合金的母材是经固溶自然时效强化后的合金,其析出的强化相主要是Mg2Si。在焊接过程中，焊接热源所形成的温度场是以焊缝中心呈椭圆分布的，焊接热作用在焊接接头的不同区域，影响也是不同的。因此，根据热影响区经历的温度的高低，热影响区又可分为淬火区和过时效区，过时效区是在热影响区内离焊缝较远的部位，热循环的温度超过了原有的时效处理温度但又未达到固溶温度，使强化相Mg2Si从母相分离出来，并聚集长大，导致合金强度及硬度明显降低，即发生“过时效”软化[16]。在热影响区内离焊缝较近的部位是淬火区，热循环作用的温度相对较高，Mg、Si原子溶入基体金属中形成固溶体，发生了固溶强化，与过时效软化区相比，淬火区合金的强度及硬度相对要高一些[16]。（1）经480℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊接接头的各区域的金相显微组织如图4.3所示。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论a）母材b）焊缝c)母材与热影响区d)热影响区图4.3经480℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊接接头各区域的显微组织通过显微组织，对比未经热处理下的焊缝与经历480℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理的焊缝，未经热处理的焊接接头的焊缝的第二相大多沿晶界成棒状分布，经固溶时效热处理后，有部分β相溶入基体α相中，仍然有棒状的β相沿晶界分布，说明固溶温度选择过低，有可能是过饱和固溶体的形成不充分造成的。对比两个焊接接头的热影响区，两个热影响区的第二相明显成颗粒状分布，但其颗粒相隔较近，说明在该固溶时效处理下，第二相的扩散不充分，因此，不管是在力学性能、硬度和金相组织上，对其作用都不是很大。（2）经530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊接接头的各区域的金相显微组织如图4.4所示。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论Mg2Sia)母材b）焊缝c)母材与热影响区d)热影响区图4.4经530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊接接头各区域的显微组织通过金相显微组织，与未经热处理的焊接接头试样的金相显微组织对比，在焊缝区域，明显其第二相β相均匀分布焊缝中，且焊缝晶粒比较细小。经过固溶处理后，过饱和固溶体存在于其基体相中，然后在人工时效过程的时候，时效初期的Mg、Si原子向周围扩散，最后在铝基体相的晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，即球状G.P.区,该区域迅速长大变为针状或棒状称为β″相,并有大量空位对基体产生压应力,使合金强度提高如果继续升高温度或延长时间,即形成局部共格的β′过渡相,β′为立方晶体结构,或者呈六立方结构,最后在与基体的界面上以消耗β′过渡相的方式形成稳定的β(Mg2Si)强化相[16]。经过热处理后焊接接头各区域力学性能、硬度比热处理前都有明显升高，造成这一种现象的原因是因为析出相较多的缘故。（3）经550℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理焊接接头的各区域的金相显微组织如图4.5所示。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论a）母材b）焊缝c）母材与热影响区d）热影响区图4.5经550℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊接接头各区域的显微组织通过金相组织，发现焊缝区域有一些明显的小黑点，经观察试样表面和金相组织，判断该小黑点为焊接缺陷-气孔。造成焊接缺陷的原因可能是铺在铝合金下层的垫板未经打磨，钢板表面的铁锈在焊接热的作用下，形成水蒸气，从而在焊接接头造成气孔。将经550℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理的焊接试样的金相组织与未经热处理的焊接接头的金相组织进行对比，发现经固溶时效处理的焊缝虽然经历了550℃的高温固溶，但是在这个温度下第二相明显扩散，且比较细小，但是焊缝的晶粒却变得粗大，在力学实验时，直接表现为抗拉强度和断后伸长率都较小。对比经过固溶时效处理后的焊接接头中的热影响区，发现未经热处理的热影响区中的第二相呈粗针条状分布，而经固溶时效处理后呈断续线状分布。说明该热处理措施对焊接接头第二相的弥散强化起到了作用，但是其硬度和力学性能却降低，导致焊接接头的整体性能变差。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论对比图4.3、图4.4、图4.5，三个试样经历了相同的时效处理温度及时间，但是其固溶温度的高低直接影响了焊接接头各区域的组织、硬度和强度。其呈现的影响也并不是固溶温度越高，其力学性能以及组织的改善就越好。从理论上，固溶温度选择越高，强化元素溶解速度越快，强化效果越明显，但事实并非如此。经历高温固溶时，由于溶质原子的大量富集，形成的偏聚区（或称G.P.区），且沿基体金属的晶界分布，从而造成经时效强化后，其强度有恢复而抗拉强度降低的现象。（4）经530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理后的焊接接头的各区域的金相显微组织如图4.6所示。a)母材b）焊缝c）母材与热影响区d）热影响区图4.6经530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理后焊接接头各区域的显微组织从图4.6可以看出，经530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理后焊接接头的焊缝金相组织与未经热处理的焊接接头中的焊缝相比，其弥散相β相的分布，明显比未经固溶时效处理的均匀。同时，通过其硬度的分布曲线得出，该时效处理后的硬度提升值比较明显，抗拉强度、断后伸长率也有增加。说明该热处理制度，使焊接接头的各项力学性能得到了改善。是较为理想的固溶时效处理温度配合。比较图4.6中的热影响区与图4.12的热影响区，发现经固溶时效处理后的弥散相β相的分布也比较均匀。根据铝合金的一般脱溶顺序：偏聚区（或称GP区）→过渡相（亚稳相）→平衡相，且在低温时效时形成G.P.—Ⅰ区和G.P.—Ⅱ区的程度较大些[4]。推断离焊缝较近的淬火时效区，在低温时效时，形成球状G.P.区的程度较大，进而析出的平衡相Mg2 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论Si的更多。因此，该焊接接头的强度和硬度均得到很好的改善。（5）经530℃×25min固溶处理+200℃×18h时效处理后的焊接接头的各区域的金相显微组织如图4.7所示。a）母材b）焊缝c）母材与热影响区d）热影响区图4.7经530℃×25min固溶处理+200℃×18h时效处理后焊接接头各区域的显微组织从图4.7中的金相显微组织可以看出，经历高温时效处理的焊接接头的焊缝与未经热处理的焊接接头的焊缝相比，虽然经高温时效处理前经历了合适的固溶处理，但后续的时效处理并没能使析出相Mg2Si均匀分布，且析出相Mg2Si聚集比较明显。根据其焊缝的断裂位置以及硬度、抗拉强度等力学性能指标，可以判断，经高温时效处理后由于第二相质点的聚集，点阵畸变剧烈减弱，显著降低合金的强度、塑性。经高温时效固溶处理后的焊接接头的热影响区与未经热处理强化的焊接接头的热影响区想对比，同样出现了析出相Mg2Si的聚集。导致焊接接头的热影响区经热处理后，其强度提升并不明显。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论对比图4.4、图4.6、图4.7，虽然三个试样经历相同的固溶温度及时间，但是固溶处理后的时效温度选择，仍影响焊接接头中各个区域中的组织分布。时效处理的实质是过饱和固溶体自发分解的过程，从而使沉淀出来的析出相在基体相中的点阵达到一种到比较稳定的状态。时效处理温度过低，分解的自发过程进行得越慢，析出相就越少，强度的恢复也就越小；时效处理温度过高，分解的自发过程过快，且加速析出相的聚集，从而导致其力学性能进一步降低。综上所述，对比不同固溶处理温度、时效处理温度对焊接接头各显微组织的影响，较小的固溶处理温度，会造成过时效区的软化问题得不到根本解决；较高的固溶处理温度，会出现新的软化区—焊缝区，使焊接接头的性能下降。较低的时效处理温度，会加快脱溶序列中的G.P.区的形成，使析出相Mg2Si分布细小均匀，从而焊接接头的性能较好；时效处理温度过高，分解的自发过程过快，且加速析出相的聚集，从而导致其力学性能进一步降低。4.2焊接接头热处理前后的拉伸性能及断口分析本次实验在焊接试件上一共截取7个样，1#、2#、3#是时效处理温度、时间一样，而固溶处理温度不一样。4#、5#、6#是固溶处理温度、时间一样，时效处理温度不一样。7#是焊后无热处理的试样。所有试样，均按照GB/T2651《焊接接头拉伸试验法》进行力学性能实验。（1）当时效处理温度为160℃×18h时，实验数据结果如表4.1。表4.1不同固溶温度处理后的焊接接头的力学性能试验材料σb/MPaσ0.2/MPaδ(%)断裂位置原始母材31027612.2—焊接状态7#128—21.1热影响区1#141—12.1焊缝区2#158—16.6焊缝区3#135—12.0焊缝区从表4.1中的拉伸试验结果可以看出，焊接接头与母材的抗拉强度值相差较大。观察断口形貌，看到有明显的气孔存在。由此推断，是由于焊接过程中，采用低碳钢作为垫板，在焊接过程中由于垫板受热，而产生水蒸气，从而引发焊接后焊接接头何中存在气孔。因此，在力学性能测试时，其抗拉强度与母材的抗拉强度相差较大。在表4.1中的试验结果可以看出，焊后未经热处理的7#拉伸试样的断裂位置在焊接热影响区域，说明焊接热循环的作用，导致接头的热影响区发生了显著的软化现象，其力学性能明显降低。不同固溶温度热处理下，焊接接头的断裂位置如图4.8所示。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论a）1#试样b)2#试样c）3#试样d)7#试样图4.8不同固溶处理温度下的拉伸试样断裂位置从图4.8可以看出，固溶时效处理后的1#、2#、3#拉伸试样的断裂位置均在焊缝区，说明经过固溶时效处理后，焊接接头的软化区的性能得到明显的改善，从表4.1中的力学性能指标可以看出其抗拉强度有明显的增加。1#试样采用480℃的固溶处理温度，2#试样采用的是530℃的固溶处理温度，3#试样采用的是550℃的固溶处理温度。对比1#、2#、3#试样的力学性能，虽然三个试样的固溶处理时间、时效处理温度及时间是一样的，但固溶温度的不同，对焊接接头的性能也有明显影响。对比表4.1的1#、2#、3#实验结果可知，固溶温度选择过低，对焊接接头性能的改善有一定的作用，但是如果温度较低，第二相的扩散固溶并不充分。因此，与2#试样的焊接接头的性能存在一定的差异。如果固溶处理温度过高，虽然对焊接接头的性能有一定的改善作用，但是由于3#试样的固溶温度过高，导致焊缝晶粒长大变粗，降低了其焊接接头的承载性能。综上所述，固溶处理温度对铝合金焊接接头性能的改善至关重要，固溶温度选择过高，晶粒会变粗大，进而减小的焊缝区的力学性能；固溶温度选择过低，第二相扩散不均匀，从而导致焊缝区的力学性能的提升不大。（2）当固溶处理温度是530℃×25min时，实验数据结果如表4.2。 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论表4.2不同时效处理温度处理后的焊接接头力学性能试验材料σb/MPaσ0.2/MPaδ(%)断裂位置原始母材32027612.2—焊接状态7#128—21.1热影响区4#225—20.0焊缝区5#158—16.6焊缝区6#86—6.5焊缝区不同时效处理温度下，焊接接头的断裂位置如图4.9所示。a）4#试样b）2#试样c)6#试样d)7#试样图4.9不同时效处理温度下的拉伸试样断裂位置从图4.9中焊接接头断裂的位置可以看出，固溶时效处理后的4#、5#拉伸试样的断裂位置均在焊缝区，说明经过固溶时效处理后，焊接接头的软化区的性能得到明显的改善，从表中的力学性能指标可以明显的看出其抗拉强度增加。6#试样的力学性能却极具恶化，其原因可能是时效处理温度过高造成的。对比4#、5#、6#试样的力学性能可知，时效温度不同，对焊接接头的性能也有影响。4#试样采用100℃的时效处理温度，2#试样采用的是160℃的时效处理温度，3#试样采用的是200℃的时效处理温度。从表4.2中可以看出，当固溶处理温度是530℃× 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论25min时，时效温度的变化，对焊接接头性能的影响比较明显。与未经热处理的7#焊接试样相比，4#试样是经历100℃×18h的时效处理，通过拉伸实验结果可得，其力学性能显著提升，并且其断裂位置在焊缝区，说明该热处理工艺对焊接接头的热影响区的软化产生了较好的恢复。6#试样是经历200℃×18h的时效处理，其拉伸强度并没有提高，反而下降，其原因可能有两个，一方面是因为焊接试样中的焊接缺陷造成的，另一方面是因为固溶处理（即淬火处理）后的时效温度选择太高，使铝合金的焊缝“软化”。从而造成这样的现象。综上所述，铝合金的固溶时效时，不仅固溶温度对焊接接头性能的改善有影响，而且时效温度对焊接接头的性能也有影响。时效温度选择过低，对焊接接头强度的提高有一定的作用，但是其时效的强化效果不佳。若时效温度选择过高，会造成新的软化区，从而降低焊缝的承载强度。对焊后热处理的焊接接头拉伸试样的断口进行SEM观察。其结果如图4.10所示。a)3#试样1000×b)4#试样500×图4.10焊接接头断口微观形貌从图4.10中可以看出，3#试样经550℃×25min+160℃×18h固溶时效处理后，根据其焊接接头断口形貌，其断裂处有较大较深的韧窝和撕裂棱，较大而深的蜂窝状断口表明断口处材料的塑性变形量较大，强度较低[15]。4#试样的断口的撕裂棱较小且成河流状分布，说明断口处塑性变形量小，强度较高。在断口的微观形貌中，有一些较小的深坑，这些深坑是焊接时留下的焊接缺陷—气孔。4.3焊接接头热处理前后的硬度分布通过显微硬度试验，所测得的焊接接头的硬度值如下表4.3所示。表4.3焊接接头硬度值硬度距离1#试样2#试样3#试样4#试样5#试样6#试样7#试样-1674.373.674.394.873.676.276.5 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论续上表4.3-1572.775.272.093.675.274.175.4-1478.074.774.394.274.772.970.2-1373.176.271.686.476.277.675.3-1273.474.077.489.374.078.574.6-1175.376.776.893.476.773.278.6-1073.972.774.597.372.772.874.6-971.374.370.893.674.376.573.2-877.173.675.294.573.679.472.8-771.172.076.785.672.073.966.1-670.277.373.991.777.372.175.7-572.176.549.093.876.565.855.1-457.467.453.698.167.446.256.3-372.464.45195.964.455.348.3-259.276.059.891.476.058.345.2-160.271.458.883.871.460.650.5070.472.858.585.472.862.752.8175.574.656.585.474.665.860.6271.771.167.482.971.162.843.0373.174.653.195.374.663.441.9478.874.167.293.674.170.855.5574.877.871.797.677.876.970.3673.672.667.692.172.675.774.1768.369.872.895.369.876.071.2877.575.881.295.675.874.3724970.876.279.496.476.277.977.61073.172.479.492.572.477.372.91174.373.877.697.373.881.679.61272.371.675.494.671.679.781.41374.978.273.288.678.277.274.61470.572.678.491.872.678.670.61574.775.779.696.775.776.973.61677.577.573.594.177.574.471.8 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论未经热处理时焊接接头的硬度分布如图4.11所示。图4.11未经热处理的焊接接头的显微硬度分布从图4.11可以看出，虽然焊接接头要求等强匹配，但是焊接接头中的焊缝的硬度低于母材，这是由于铝合金焊接冶金过程冷却速度快造成的。对于时效强化铝合金，无论是在退火状态或者是时效状态下焊接，焊缝的强度均低于母材[7]。同时可以看出，从焊缝中心开始，焊接接头的硬度稍许增加，但是在距离焊缝3mm处的硬度明显低于焊缝和母材的强度。该区域为热影响区。由此可得焊接铝合金时，由于焊接热的影响，会造成焊接接头中热影响区的硬度减小，即焊接接头软化。为了消除焊接接头热影响区的软化，采用了相应的热处理措施来提升其接头的强度和硬度。采用不同的热处理制度后，对焊接接头的软化效应的恢复结果也不同。（1）采用三种不同的固溶处理温度图4.12是三种不同的固溶处理温度下的焊接接头的显微硬度分布。图4.12不同固溶处理温度下下的焊接接头显微硬度分布由图4.12可以明显的看出，不同的热处理制度对焊接接头热影响区的作用也不同。经历480℃×25min固溶处理+160℃× 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论18h时效处理后的1#试样焊接接头的硬度分布比焊态下的热影响区的硬度虽有一定的影响，但是其硬度的提升并不明显。说明固溶处理温度选择过低时，对其焊接热影响区硬度的恢复并没有多少作用。同时通过该图可以看出，经历530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后的硬度与焊态下的硬度相比，其热影响区的硬度明显得到改善，说明该固溶温度对焊接接头的第二相的扩散起到加速的作用，从而提升了其强度和硬度，从表4.1中的抗拉强度和断后伸长率可以说明该热处理工艺的影响。经历550℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后的硬度与焊态下的硬度相比，其热影响区的硬度不但没有得到改善，而且其软化的现象更加明显。说明固溶处理的温度选择过高，虽然温度的升高，能加速第二相的扩散，但是由于该温度与液相线相差不大，不仅会造成过烧的危险，还会使焊缝金属的晶粒长大，从而影响其承载性能，通过表4.1的抗拉强度及断口扫描图片可以判断，在焊接接头所发生的断裂机制为脆性断裂，说明固溶温度的确对焊接接头的焊缝晶粒的尺寸产生了影响。综上所述，通过对比三种不同热处理措施后的焊接接头的显微硬度，从图4.12中的三条曲线分布可以看出，固溶处理温度会影响焊接接头热影响区的硬度，其硬度的恢复并不是固溶处理温度越高，硬度恢复得越多。固溶温度选择过高，会使焊接接头性能恶化；固溶温度选择得稍低，对焊接接接头的影响不大。（2）三种不同的时效处理温度图4.13是三种不同时效处理温度下的焊接接头的显微硬度分布。图4.13不同时效处理温度下焊接接头的显微硬度分布三个试样都经历530℃×25min的固溶处理，只是固溶处理后的时效处理温度不一样。从图4.13中可以看出，经历100℃×18h的焊接试样的硬度与未经热处理的焊接试样的硬度相比较，其硬度恢复比较明显，尤其是焊接接头的热影响区的硬度，其焊缝的硬度也得到比较大的改善。对比160℃×18h时效处理的焊接接头与未经热处理的焊接接头的硬度，发现该时效温度下，焊接接头的软化问题得到了改善。但与100℃× 重庆科技学院本科毕业论文4实验结果分析与讨论18h时效处理的焊接接头相比，经历530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理的焊接接头的硬度恢复似乎更多一点，说明该时效处理温度与固溶温度的配合能更加体现固溶时效的作用。经历200℃×18h时效处理的焊接接头试样，其焊接接头的热影响区的软化没有得到解决，导致其热影响区仍然存在软化现象。同时通过拉伸实验发现该试样的拉伸承载能力极低。说明时效温度选择过高会造成新的的问题。从图4.13中的三条曲线分布可以看出，时效处理温度的选择会影响焊接接头热影响区的硬度的恢复，其硬度的恢复并不是时效处理温度越高，硬度恢复得越多。时效处理温度越高，硬度虽有提高，但强度降低；时效处理温度选择得稍低，对焊接接接头的影响不大。通过图4.12和图4.13，根据固溶处理温度和时效处理温度对焊接接头硬度的影响可以发现，固溶处理温度的选择与时效处理温度的选择相互配合，才会对焊接接头的性能有良好的提升。若单方面考虑固溶处理温度而忽视时效处理温度，其强化效果并不明显；若只考虑时效处理温度，其结果也一样。综上所述，通过对比三种不同热处理措施后的焊接接头的显微硬度，从图4.13中的三条曲线分布可以看出，时效处理温度的选择会影响焊接接头热影响区的硬度恢复，其硬度的恢复并不是时效处理温度越高，硬度恢复得越多。时效温度选择过高，会造成沉淀相的析出组织粗大，使焊接接头性能恶化。 重庆科技学院本科毕业论文5结论4结论与展望5.1结论本实验研究得出的结论如下：（1）铝合金的焊接过程中，由于焊接热循环的作用，会对6061焊接接头的热影响区造成不同程度的软化，其软化区的分布，主要是关于焊缝对称的，且软化区存在的宽度以及存在的位置与焊接工艺参数有关。如软化区的宽度与焊接线能量成正比关系。根据热影响区的温度，热影响区可分为淬火区和过时效区。过时效区由于焊接热的温度作用，会发生“过时效”软化现象，而淬火区经固溶处理后，其强度和硬度相应提高。（2）焊后不同的热处理制度，对焊接接头各区域有不同的影响。固溶处理温度与时效处理温度都选择合理，才能使焊接接头的性能得到较好的改善。（3）6061铝合金焊后热处理时，固溶、时效处理温度选择过低，会使其热影响区软化问题得不到根本解决；固溶、时效处理温度过高，会造成析出相沿晶界聚集分布，接头强度降低。（4）焊后经过530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理，可使6061铝合金的焊接接头强度以及各个区域的硬度得到不同程度的改善。尤其是焊接焊接接头软化现象的消除，表明焊接接头性能良好。5.2不足与建议对于热处理对6061铝合金焊接接头性能的影响的研究只是一种尝试，试图从实验过程及实验结果中，找出热处理工艺参数的不同对焊接接头性能的影响，并分析其热处理影响机理。在研究过程中，也发现了本次所做研究的不足，以及一些比较难克服的问题。（1）本次实验所做热处理工艺参数较少，只是研究了一种大体趋势，未将热处理工艺参数细化，在以后的研究中，可将参数范围缩小，并且细化，从而选择最优的热处理工艺。（2）本次试验过程中，发现焊接试样焊接后，其焊缝总是有一层黑色物质掩盖，通过改变焊接工艺及气体流量参数，均使其无法消除。 重庆科技学院本科毕业论文参考文献参考文献[1]张少华.铝合金在汽车上应用的进展[J].汽车工业研究,2003(3):36-39.[2]彭晓东,李玉兰.轻合金在汽车上的运用[J].机械工程材料,1999,23(2):1-5.[3]关绍康,姚波,王迎新.汽车铝合金车身板材的研究现状及发展趋势[J].机械工程材料.2001,25(5):12-18.[4]杨志坤,李明,杨卫国等.2A12铝合金板焊接裂纹分析[J].新技术新工艺,2006(4):90-92.[5]王洋.常用有色金属等离子弧焊接性及焊态热处理与耐腐蚀性研究[D].江苏：南京理工大学,2013.[6]潘复生,张丁非等.铝合金及应用[M].化学工业出版社，2006:57-60.[7]赵仕明.摩托车发动机缸头铸造品质提升技术研究[D].天津大学,2011.[8]刘海.机械搅拌法制备SiC颗粒增强铝基复合材料技术研究[D].重庆：重庆大学,2007.[9]蒋敏.航空用7AO9铝合金型材双级过时效应用研究[D].西北工业大学,2005.[10]王亚荣,黄文荣,雷华东.焊后热处理对2A14高强铝合金电子束焊接头组织及力学性能的影响[J].机械工程学报，2011,47(20):141-145.[11]孙志学.高强度铝合金异质焊接头热处理后的微观形貌分析[J].热处理加工工艺.2013,42(15):32-35.[12]黄艳斐,汪勇,周新远,张伟.不同热处理条件下2A12铝合金焊接试样的残余应力及力学性能[J].材料热处理技术，2012,41(18):180-183.[13]李革,王善哲.高速客车轻量化车体结构的选择[N].铁道车辆,1999.[14]王宗杰.熔焊方法及设备[M].北京，机械工业出版社.2006.[15]刘静安.谢水生.铝加工缺陷与对策[M].北京：化学工业出版社,2012.[16]王群娇.有色金属热处理技术[M].北京：化学工业出版社,2008.[17]MatsunawaA,KatayamaS.CO2laserweldabilityofaluminiumalloys(report1):effectofweldingconditiononmeltingcharacteristics[J].WeldingInternational,1998(12):519-529.[18]GrafT,StauferH.Laser-HybridWelding[J].WeldingJounal，2003，(1):42-48.[19]常艳君,董俊慧,张毅.6061铝合金焊接接头的组织与性能分析[J].焊接,2006（1）：21-26.[20]彭云,许良红.焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响[J].焊接学报,2008,29（2）：17-21.[21]Anon.Plasmaaugmentedlasersshineaheadinautobodyapplication[J].WeldingandMetalFabrication,1997,64(4):19~21.[22]MohammedNaeem.Laserweldingpreparesfortakeoff[J].WeldingandMetalFabrication， 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开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）一、论文研究的目的、意义1、现实意义：指出现实当中存在这个问题，需要去研究，去解决，本课题的研究有什么实际作用。2、理论意义：论文的理论和学术价值。二、研究现状1、国内研究现状：（国内对此课题研究到了什么程度）2、国外研究现状：（国外对此课题研究到了什么程度）三、研究内容此部分即为论文大纲（大纲格式如下：）绪论(论文研究的目的、意义论文研究的内容论文的研究方法)1．。。。。。（只写该标题的名称即可）1．1．。。。1．1．1．。。。。1．2．。。。。1．2．1．。。。。2．1．。。。2．1．1．。。四、研究方案此部分内容为研究方法，即通过何种途径完成本篇论文。如观察法、调查法、实验法、 经验总结法、个案法、比较研究法、文献资料法等。在介绍方法时简单写一下通过此方法研究出了什么内容。五、进度安排在毕业任务书中有，粘贴过即可。六、预期结果本部分为你的论文预期达到什么程度。（即达到本科毕业论文答辩水平）七、参考文献参考文献的格式一定要写对。1、期刊格式：[序号]主要责任者．文献题名[J]．刊名，年，卷（期）：起止页码．如：[1]周颖，王姣.谈邮政储蓄银行对银行业竞争格局的影响[J].商业时代，2006[2]景玉琴.构建中小企业政策性金融支持体系[J].上海金融学院学报，20042、著作格式：[序号]主要责任者．文献题名[文献类型标识]．出版地：出版者，出版年.起止页码．如：[1]陈晓红.中小企业融资[M]北京.中国金融出版社，20013、报纸文章：[序号]主要责任者.文献题名[N].报纸名，出版日期（版次）．4、电子文献：[序号]主要责任者.电子文献题名[电子文献及载体类型标识].电子文献的出处或可获得地址，发表或更新日期/引用日期（任选）． 指导教师意见：指导教师签名：年月日教研室意见：审查结果：同意□不同意□教研室主任签名：年月日 电子科技大学毕业设计(论文)成绩考核表题目：教学中心：学生姓名：学号：专业：指导教师：职称：所在单位： 指导教师意见：签字：年月日评审意见：评阅人：年月日 答辩意见：答辩小组组长签名：年月日毕业设计（论文）成绩1．设计说明书（论文报告）分总分：（等级：）2．答辩分3．平时成绩分学校意见：年月日1．学生毕业设计（论文）正本存教学中心。2．本表一式两份，一份存入学生档案，一份学校存档。3．此表须用钢笔填写。 附件2：2008级统招本科生毕业论文(设计)中期检查表（学生用表）学院检查时间年月日论文题目指导教师学生姓名专业班级学号目前已完成的任务是否符合任务书要求的进度是否尚需完成的任务能否按期完成任务能不能存在的问题及拟采取的办法存在的问题拟采取的办法对指导教师的建议学生（签名）：年月日 本科生毕业论文(设计)中期检查表（教师用表）学院检查时间年月日论文题目指导教师学生姓名专业班级学号指导情况指导方式工作进度完成情况提前完成按计划完成延期完成没有完成质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良中差工作态度情况（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）认真较认真一般不认真选题是否有变化有无选题变化原因目前存在的问题，拟采取解决问题的方案及措施对该同学阶段性工作的评价指导教师（签名）：年月日（此表一式两份，一份学院存档，一份交教务处实践科存档。） 致谢我历时将近两个月时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我的学生生涯无限的激情和收获。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师给我提供了很多方面的支持与帮助，尤其要强烈感谢我的论文指导老师—XX老师，没有她对我进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为我进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！ 同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！ 金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！'