技术 | 6063铝合金焊接接头性能的研究及改进措施

摘要：采用钨极氩弧焊对6063铝合金进行焊接试验，观察接头的组织特点，并测定接头的力学性能(硬度、拉伸)。结果表明，6063铝合金焊接接头不同区域的显微组织不同，且接头存在软化区，其原因主要是第二相发生脱溶反应，产生“过时效”现象，并提出了改进接头性能的相关措施。

0 引言

随着人们生活水平的提高，汽车逐渐融为现代生活的一部分，汽车轻量化是解决汽车而临问题的重要途径。目前，比较常用的方法是采用铝合金材料，铝合金由于综合力学性能好、耐腐蚀性强，而且能够对其采用热处理的方式进行强化，故广泛应用于汽车车身、车门、车顶盖、发动机盖板等。

1 试验材料与方法

焊接试验材料取白车身常用的6063铝合金。其化学成分如表1所示。采用钨极氩弧焊对6063铝合金进行焊接试验，焊丝牌号选用ER4043，焊接设备采用逆变多功能氩弧焊机。采用对接接头，焊接试验参数结合车身用6063铝合金常用的焊接工艺，如表2所示。按照焊接试验参数进行3组焊接试验(编号为M1,M2,M3)。

2 试验结果与分析

2.1 6063铝合金焊接接头宏观组织形貌

6063铝合金焊接接头的宏观组织形貌如图1所示。可以看出，采用相同的焊接试验参数，其焊接接头宏观形貌也略有不同。图1(a)中焊接接头宏观表面颜色不同、有深有浅，其原因可能是6063铝合金在焊接时，难免有飞溅产生，造成焊接保护气不能充分对其进行保护，从而接头表而被空气氧化，产生黑色氧化物，最终表现出接头颜色的不同。这就说明，即使焊接参数相同，焊接接头质量也不能完全保持一致，其接头质量还受焊接过程、焊接环境以及操作者等多种因素综合影响。

2.2 6063铝合金焊接接头显微组织分析

焊接接头主要由焊缝区、热影响区、熔合区组成，由于不同接头区域的位置不同，其热输入与冷却方式也存在很大区别，故不同区域的显微组织不同。6063铝合金焊接接头不同区域的显微组织如图2所示。

由上图2(a)可知，焊缝区显微组织分布相对均匀，其主要原因是焊接过程中熔池的搅拌作用。

图2(b)中，熔合区显微组织中第二相形貌多样(有棒状、长条状等)，且尺寸不一，最小的约为5一10微米，最大的达50微米左右。之所以会出现这种现象，主要是因为熔合区为6063铝合金基体材料和焊缝的交界区域，该区域包括范围很大，为含有结晶层和扩散层的过渡区。其组织成分不仅和6063铝合金母材有所不同，而且和焊缝金属也有很大区别。在焊接时，熔合区由于化学成分的不均匀性，晶格中非常容易产生各种缺陷，影响焊接接头质量。

图2(c)中，焊接接头热影响区第二相尺寸在靠近右上方区域相对细小，而靠近左下方区域尺寸粗大。其原因可能是焊接过程中，热影响区的热循环曲线不同，离熔合线越近的区域，加热和冷却的更快，对焊后热影响区的影响也就越大。

2.3 6063铝合金焊接接头力学性能分析

6063铝合金焊接接头不同位置处硬度分布如图3所示。

可以看出，6063铝合金焊接接头不同区域的硬度值明显不同，随着离熔合线距离的增加，其硬度值整体上表现出先降低再升高的趋势。这就说明焊接接头内存在软化区，且试验数据表明，软化区范围大致为离熔合线距离6mm左右的范围内。其形成原因可能是焊接的过程包含了加热和冷却等过程，接头不同区域的热循环曲线不同，软化区区域内的第二相在焊接高温作用下，第二相发生脱溶反应，逐渐析出并聚集长大，造成“过时效”软化。

6063铝合金焊接接头拉伸试验结果如表3所示。

可以看出，焊接接头的屈服强度、抗拉强度相比母材的性能，都有一定程度的下降，其原因可能是焊接接头处容易存在缺陷(如气孔、夹杂等)。此外，拉伸试验进行过程中，接头大多在离熔合线6mm左右处断裂，该试验结果与硬度试验中低硬度区位置吻合，这也间接证明焊接接头存在软化区。

2.4 6063铝合金焊接接头软化的原因与改进措施

6063铝合金焊接接头之所以出现软化的现象，其原因主要有:

第一，6063铝合金可采用热处理的方式对其进行强化。焊接过程中，受焊接高温影响，接头不同区域受热与冷却方式不同，热影响区显微组织中的强化相会发生脱溶反应，逐渐析出并且聚集在一起，使强化效果消失，形成“过时效”软化，导致接头力学性能显著降低。

第二，接头组织中的气孔、夹杂等缺陷形成薄弱区。生产实践表明:6063铝合金在焊接时，焊缝金属在凝固过程中，如果气体没有及时从液态金属排出，就十分容易形成空穴或者气孔，进而影响接头性能。

综上，可以采取以下措施改进6063铝合金焊接接头的性能。

第一，改变焊丝成分，在满足使用条件的前提下，选择性能更优的焊丝;

第二，焊接接头进行热处理(如接头时效处理);

第三，从力学角度考虑，采用挤压强化、锤击强化、温差拉伸等方法。结合生产实践，多采用热处理的方式来改进6063铝合金焊接接头性能。

3 结论 

(1) 6063铝合金焊接接头不同区域的显微组织不同，且接头存在软化区，并且硬度实验和拉伸实验均表明:软化区距离融合线的距离约为6mm

(2)6063铝合金焊接接头软化的原因主要是“过时效”或焊接缺陷，故改进6063铝合金焊接接头的措施很多.既可以从接头成分上改进.也可采取热处理等其它方式进行优化，实际生产中多采用热处理的方式改进接头性能。

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