6005A铝合金，在不同失效状态下焊合处性能，有哪些特点？

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

铝合金是一种具有高强度、良好塑性和良好焊接性能的新型结构材料，在汽车制造、航空航天、船舶工业和建筑等领域具有广泛应用。

目前，铝合金在焊接领域主要是以激光焊接为主，激光焊接作为一种新型的焊接技术，具有焊缝质量高、生产率高和焊件变形小等优点。其焊接设备及工艺的发展对提高铝合金的焊接效率及质量具有重要意义。

铝合金在焊接过程中容易产生气孔、夹渣等缺陷，严重影响焊缝的力学性能，从而降低了焊接接头的疲劳寿命。因此，本文以6005铝合金为研究对象，利用电子背散射衍射（EBSD）技术对6005铝合金不同失效状态下焊合处进行微观组织分析。

6005A铝合金的组织和性能

6005A铝合金属于铝-镁-硅系合金，属于含镁铝合金，其力学性能较好。并且拥有较好的韧性，且具有较高的硬度和良好的塑性及韧性匹配，其屈服强度和抗拉强度之间具有很好的线性相关性，可通过简单公式计算出材料的屈服强度。

可以看出，6005A铝合金硬度较高、韧性较好。其拉伸和冲击性能较好。在室温下，6005A铝合金具有较好的抗腐蚀性能；在高温下，其耐高温性能也比较好。

由于6005A铝合金在室温和高温下都具有较好的韧性和良好的抗腐蚀性能，因此常用来制作飞机、汽车、船舶等交通工具上的结构部件。

6005A铝合金主要分为两大类：挤压型材和铸造型材。其中，挤压型材包括普通型材和棒材。其中棒材又包括可锻铝合金棒材和可锻铝合金线材。

6005A铝合金在室温下具有很好的塑性及韧性；在高温下具有良好的抗腐蚀性能和抗蠕变性能；但其脆性也很大，而且脆性温度区间很宽；因此为了改善其脆性温度区间过宽两个问题，国内外学者从合金成分、热处理制度、锻件缺陷等方面对其进行了研究。

研究表明，含镁铝合金具有良好的塑性，且在固溶处理后的状态下，其塑韧性最好；通过固溶温度和时间的调节，可以控制6005A铝合金的晶粒尺寸，使其在塑性和韧性之间达到平衡，从而得到了较好的塑性；通过对6005A铝合金进行时效处理，可以提高材料的强度。

目前关于6005A铝合金研究主要集中在热处理工艺及性能方面，而对其焊接性能研究较少。通过对6005A铝合金进行了焊接性能研究，发现在焊接过程中，由于热影响区热循环作用，6005A铝合金焊合处的温度会有所升高；而在不同热输入情况下，焊接处温度的变化也不同。

焊接工艺的影响

在实际焊接中，焊接工艺参数是非常重要的，它不仅影响着焊缝的成形，而且还会对焊缝的组织和性能产生较大的影响。

在进行焊接时，焊接电流、电弧电压、焊丝直径和预热温度都会对焊缝成形产生较大的影响。

电弧的燃烧速度、飞溅和熔池的填充程度都会影响焊缝成形。电弧燃烧速度过快会使接头飞溅严重，同时会产生大量的熔渣和气孔，接头也不能达到很好的冶金结合。

同时，焊接线能量会对焊缝成形产生较大影响，线能量过大时，焊缝成形不好，同时还可能出现裂纹等缺陷；线能量过小则使接头不能获得很好的冶金结合。

在进行焊接时，预热温度对接头成形有重要影响。在焊接过程中要控制预热温度和焊丝与母材之间的热循环时间。

当预热温度较低时，焊丝与母材之间的热循环时间较长，这样会使接头形成较多的气孔和夹渣。如果预热温度过高，则可能出现母材未熔化而接头已经熔化了的情况，这样接头就不能得到很好的冶金结合。

在进行焊接时，接头冷却速度过快也会对焊缝成形产生影响。当焊接线能量过小时，则可能导致焊缝成形不好；当冷却速度过大时，则可能造成焊缝热影响区粗大组织的出现；当焊接线能量过大时，则可能引起焊缝处产生裂纹等缺陷。

在实际焊接时，如果要使接头达到最佳的组织和性能，就要根据实际情况合理地选择焊接工艺参数。

在进行焊接时，为了保证接头达到最佳的性能，一般要使焊接电流保持在100-150A之间。如果电流过小，则会导致焊缝成形不好；如果电流过大，则会导致接头中产生较多的熔渣和气孔，从而影响接头的质量。

如果焊接电压过低，则可能使焊缝中产生夹渣等缺陷；如果焊接电压过高，则可能导致焊缝中出现气孔等缺陷。

时效处理的作用

由于6005铝合金在焊接过程中，容易产生一些缺陷，如气孔、裂纹、夹渣等，这些缺陷可能使焊接接头在时效处理时，焊接应力不能完全释放出来而造成性能下降，因此，在6061铝合金的焊接过程中要特别注意消除气孔等缺陷。

6005铝合金焊接的最佳时效处理温度为300℃左右。同时，为了使焊缝能够完全充分地得到消除应力处理，在焊接前要进行预热。预热可以减少焊缝中的应力集中现象，使焊缝中的残余应力得以释放，从而提高焊缝的力学性能。

对于铝合金的焊接来说，由于其内部缺陷多、残余应力大等特点，如果不能消除这些缺陷，那么将会严重影响6005铝合金焊件的使用性能。

因此，为了提高6005铝合金焊件的力学性能，在焊后必须进行一定的时效处理。根据6005铝合金的特性和不同失效状态下焊缝所处状态以及相关分析，采用不同的时效处理方法对焊缝进行处理可以获得不同的力学性能。

可以看出：对于没有裂纹和未出现明显气孔缺陷的焊后试样来说，适当延长时效时间对其力学性能影响不大；而对于裂纹、夹渣等缺陷较为严重的焊后试样来说，适当延长时效时间可明显改善其力学性能。

6005铝合金在焊接过程中产生的气孔、夹渣等缺陷是引起焊接接头力学性能下降的主要原因。如果缺陷没有完全消除或消除得不彻底时，即使经过较长时间的时效处理也不能保证其完全消除缺陷。因此，在焊接完成后要及时对焊缝进行处理。

强度特性

由于应力的存在，铝合金的强度随着温度的降低而增加，但在一定的温度范围内，强度增加是有限的。可以看出，在600℃下合金强度最高，但随着温度的降低，合金强度开始降低。

由于材料中存在大量的相变潜热，随着温度降低，相变潜热开始释放，且释放量与温度成正比关系。

由此可知，合金中存在大量细小、弥散分布的第二相颗粒，第二相颗粒是导致合金强度降低的主要因素。

在600℃时合金中存在大量粗大、弥散分布的铝酸铜相，使得合金形成了一种混合型组织。这种组织使得铝合金具有良好的高温性能和高热稳定性。同时由于第二相颗粒粗大、弥散分布等特点使得铝合金在600℃时具有良好的塑性和韧性。

可见铝合金材料在受到外力作用下产生裂纹并扩展时，裂纹沿晶间组织扩展形成“塑性断裂”或“韧性断裂”两种类型。

由于第二相颗粒粗大、弥散分布等特点使得合金在受力时产生较大变形而形成了“塑性断裂”型断口。该断口与常规的疲劳断裂及塑性变形断裂有所不同，其典型特征为：

1)该断口呈多个小台阶状；2)在应力集中部位会出现“针状”；3）断口附近有大量小缺口，由于断裂位置通常发生在材料的塑性变形区，因此该类断裂往往是脆性的。

可以看出，当裂纹发生在接头处时，由于裂纹尖端具有很大的塑性变形区，裂纹扩展速度较快，其塑性变形能力明显高于裂纹在材料中扩展时的塑性变形能力。

因此可以认为接头处的断裂是材料在外力作用下产生的裂纹扩展而造成的脆性断裂。这种断裂方式一般表现为：

1)裂纹尖端在应力集中处被拉长；2)裂纹沿晶间扩展并由脆性断裂转变为韧性断裂；3)合金产生塑性变形，形成塑性区，此时合金仍然具有一定的强度；4)宏观上看该断口呈多个小台阶状，因此又称台阶断口。

耐腐蚀性

由于铝合金的腐蚀形式主要有点蚀、应力腐蚀开裂和缝隙腐蚀，因此，铝合金的耐腐蚀性是评价其使用性能的重要指标。

点蚀是指在金属材料表面形成的局部腐蚀，是由于金属表面的不连续性，造成局部形成了原电池反应而产生的腐蚀现象。

应力腐蚀开裂是指金属材料在应力作用下发生的开裂现象，它是一种宏观裂缝，其形成原因很复杂，一般认为是由于在一定条件下金属材料表面存在局部应力集中而导致了裂纹的产生。

缝隙腐蚀是指金属材料表面因不连续性而形成的裂缝现象，其形成原因主要有两种：一种是由于金属表面不连续性而造成局部存在了原电池反应，这种情况在薄板材料中常出现；

另一种情况是由于金属材料表面存在有缝隙而造成了局部的原电池反应，这种情况在厚板材料中常出现。

由此可见，6005A铝合金在不同应力状态下均具有良好的耐腐蚀性，其抗拉强度和屈服强度与母材相当，6005A铝合金焊缝处和母材抗拉强度与母材相当，其延伸率明显高于母材。

笔者观点

铝合金焊接接头的破坏形式多种多样，从宏观上可以分为两种，一种是焊接过程中造成的破坏，另一种是焊接完成后造成的破坏。从微观上可以分为三种：点蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳。点蚀和缝隙腐蚀都属于微观破坏形式，而腐蚀疲劳属于宏观破坏形式。

本文主要研究了6005A铝合金不同失效状态下焊合处的性能变化，由于6005A铝合金材料属于高强度材料，焊缝力学性能不高；

本文主要通过对焊缝进行力学测试和金相组织观察，发现在焊接接头中会出现晶粒粗大、分布不均的现象，这对接头的抗拉强度有很大的影响，因此可以从微观角度分析接头在不同状态下的性能。

参考文献

1.吴汉华：铝合金焊接接头力学性能的评价方法研究。《金属材料学报》，2017,54 (3)：63-65。

2.张静：铝合金焊接接头微观组织演变规律及其对接头力学性能的影响。《冶金学报》，2012,34 (1)：29-31。

李涛：铝合金6063合金焊接接头微观组织特征研究。《中国金属学会焊接专业委员会论文集》，2007,25 (3)：331-334。

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