基于DOE方法的6061-T6铝合金焊接工艺参数优化研究

车体焊接是确保轨道交通车辆安全性与可靠性的关键环节,而焊接工艺参数的选择与控制则是决定焊接质量的重要因素。传统的焊接工艺参数获取方法依赖于大量的试验,导致试验周期长、成本高昂。为了高效、低成本地研究最佳焊接工艺参数,文章基于IGM公司的六轴自动化焊接机械手设备,以6061-T6铝合金为母材,采用DOE(试验设计)中的部分因子试验设计方法进行参数优化。通过合理的试验设计与结果分析,确定最佳焊接工艺参数组合为:送丝速度5.4 m/min,弧长修正3%,焊接速度53 cm/min,干伸长18 mm,脉冲频率2.5 Hz,有效降低了研究成本,缩短了试验周期。

工艺参数对6061-T6铝合金激光焊接接头组织及性能的影响

采用激光自熔焊对4 mm厚的6061-T6铝合金板进行对接焊试验。通过金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜等分析手段对焊接接头的宏观形貌和微观组织进行观察。利用显微硬度计和万能拉伸试验机对焊接接头进行力学性能检测。结果显示:激光焊接参数对6061-T6铝合金焊缝宏观形貌有显著影响。采用适当的激光焊接参数能得到成型良好的焊缝和较低的气孔率。最优的焊接参数为激光功率4.8 kW,焊接速度30 mm/s,离焦量-1 mm。熔合线附近组织为垂直于熔合线方向生长的柱状晶,焊缝中心组织由细小的树枝晶组成,晶粒尺寸明显低于母材的。6061-T6铝合金激光焊接头的显微硬度曲线接近于“U”形,其中,焊缝中心硬度较低,约为65 HV。接头试样断裂位置均处于焊缝区,焊接接头的抗拉强度最高可达到母材的71.7%,断裂类型属于准解理断裂。

时效处理对6061-T6铝合金板组织和力学性能的影响

通过采用拉伸试验、扫描电镜和光学显微镜等试验方法,研究了时效处理对6061-T6铝合金板力学性能和组织的影响。结果表明:时效温度过低或时效时间较少,合金弥散强化效果减弱;而时效温度过高或时效时间过长,析出的晶粒尺寸变大。随着时效温度的升高,抗拉强度先增大后减小,时效温度为190℃时铝合金的抗拉强度最大为336MPa,时效温度为150℃,时效时间为2 h,铝合金最大断后伸长率为21.47%。6061-T6铝合金的硬度受时效温度的影响较大,受时效时间的影响较小,在时效温度为170℃、时效时间为2 h时达到最大硬度114.2 HV。拉伸断口分析表明随着时效温度和时效时间的增加,韧窝的数量变少且深度变浅,材料的塑性较差。

电解渗氢对6061-T6铝合金拉伸性能和断裂过程的影响

通过电解渗氢试验,研究了电流密度与渗氢时间对6061-T6铝合金拉伸性能及断裂过程的影响。结果表明:在电解渗氢过程中,氢原子在6061-T6铝合金试样表面氧化层吸附,这部分氢原子可在150℃以下发生低温脱附;氢原子还向合金内部扩散,在位错或晶界等位置偏聚,导致Al晶格畸变,这部分氢原子的脱附温度要高得多;随着电流密度的增大与渗氢时间的延长,6061-T6铝合金试样渗氢层深度逐渐增大,强度及塑性逐渐降低,准解理断口比例逐渐增大;电解渗氢后6061-T6铝合金的塑性指标下降明显。

随焊冲击抑制6061-T6铝合金接头软化行为研究

6061-T6铝合金焊后软化最严重的区域为焊接热影响区,易造成铝合金构件整体强度下降。为了抑制焊接接头的软化现象,通过新参数直流反接TIG焊以及随焊冲击实验对焊接接头进行强化,并通过维氏硬度计、扫描电子显微电镜、能谱分析仪和电化学工作站对冲击试样进行分析。结果发现:随焊冲击后焊接热影响区软化行为减弱,晶界析出的G.P区、Mg2Si、CuAl2以及β相的尺寸和聚集程度变小,晶粒得到细化。焊接热影响区冲击区腐蚀电流小于未冲击区,塔菲尔斜率大于未冲击区,抗腐蚀性能增强。

Al-Mg-Sc粉末激光增材修复6061-T6铝合金组织及其性能研究

采用激光增材修复技术对预制槽的6061-T6铝合金进行修复实验,利用光学显微镜、能谱分析仪和扫描电子显微镜等观察Al-Mg-Sc激光增材修复6061-T6铝合金不同区域的微观组织,利用室温拉伸机和显微硬度计对不同热处理前后试样的力学性能进行研究。研究结果表明:修复部位无裂纹、界面熔合不良等严重缺陷,存在少量的气孔,孔隙率为0.21%。修复区中晶粒均为等轴晶,且晶粒内存在较多的Al3(Sc,Zr)粒子,起到细化晶粒的作用。部分熔化区由于靠近基体,温度梯度较大,晶粒形态为垂直界面生长的外延柱状晶。热影响区中原本细小的β’’强化相在修复过程中受到激光热循环作用后生长为粗大的β(Mg2Si)平衡相,发生过时效“软化”现象,导致其强度和硬度急剧下降,维氏硬度最低为58。修复试样的抗拉强度为200 MPa,伸长率为8.0%,分别为基体的68.97%和49.38%;进行人工时效处理后二者变化不大。当修复试样经过固溶和人工时效处理后,其各项力学性能均有所提高,其中抗拉强度286 MPa,伸长率为11.8%,分别为基体的98.62%和72.84%。

焊丝成分对6061-T6铝合金双脉冲MIG焊缝组织与性能的影响

用ER4043焊丝和ER5356焊丝对6061-T6薄板铝合金双脉冲MIG焊缝组织与性能进行研究。结果表明:用ER5356焊丝焊接时,6061-T6铝合金接头的屈服、抗拉强度及断后伸长率均高于以ER4043焊丝作为填充的焊接接头,前者的焊接系数为0.72,而后者仅为0.65;两者焊接接头的显微硬度均以焊缝为中心近似对称分布,最低值出现在接头热影响区中的淬火区,ER5356焊丝焊接时接头的硬度较ER4043焊丝高;以ER5356焊丝作为填充时,6061-T6铝合金的焊缝为细小的铸态组织,枝晶相对较细,而用ER4043焊丝焊接时,焊缝为粗大的铸态组织,且枝晶较发达,两者熔合区的近缝侧为柱状晶,靠近热影响区一侧为细小的等轴晶组织。与原始母材相比,热影响区的晶粒产生一定程度的粗化。两者淬火区的晶粒内虽然都产生少量的二次相,但以ER5356焊丝作为填充时淬火区中的二次相较细小,且呈弥散分布。

60mm厚度6061-T6铝合金板搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊接方法对6061-T6铝合金板进行了60mm双面对接焊实验,研究了搅拌摩擦焊接接头的微观组织与力学性能,结果表明:焊缝区微观组织沿厚度方向发生了不同程度的改变,焊接接头强度达到218MPa,为母材强度的70%;焊接热循环引发的金属强化相"重固溶"和"过时效"是接头力学性能下降的重要原因,其中前进侧热机影响区为焊缝薄弱环节。

22mm 6061-T6铝合金板的搅拌摩擦焊接

采用搅拌摩擦焊(FSW)方法对厚度为22mm的6061-T6铝合金板进行单道对接焊实验,并对焊缝的力学性能和微观组织进行了分析。结果表明,用FSW方法焊接22mm厚的6061-T6铝合金板可得到成形美观、内部无缺陷的平板对接接头。在旋转速度为1000r/min、焊接速度为120mm/min时,其焊接接头的σb=205MPa,为母材强度的66%。

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能

对4mm厚6061-T6铝合金进行了搅拌摩擦焊焊接,采用组织观察,拉伸试验和静态腐蚀失重试验对搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能及腐蚀性能进行了研究。结果表明:接头焊核区发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶,热机影响区晶粒发生了较大程度的变形,热影响区晶粒发生了粗化;焊接速度为160mm·min-1时,接头的抗拉强度达到215MPa,为母材的76%,接头的断裂形式为韧性断裂;接头显微硬度分布曲线呈W形,沿焊缝中心线基本对称,前进边热影响区硬度低于母材的,是接头的薄弱环节;焊接速度为160mm·min-1时,焊缝的耐蚀性比母材的好。

6061-T6铝合金单轴时间相关循环变形行为

对6061-T6铝合金进行系统的单轴应变循环和应力循环实验,揭示该材料在室温和高温下的循环变形行为,讨论环境温度、加载速率、峰/谷值保持对其应变循环特性及棘轮行为的影响。结果表明,6061-T6铝合金表现出弱的循环软化特性,其棘轮行为不仅依赖于平均应力和应力幅值的大小,还依赖于加载历史。尽管该合金的单拉行为对应变率的变化不敏感,但其循环变形行为却体现出明显的时间相关特性,即:应变循环下,在峰/谷值有保持时的响应应力幅值明显小于没有保持时的值,且随着保持时间的增加,响应应力幅值将进一步减小;应力循环下,在峰值有保持时产生的棘轮应变比没有保持时的值大,且随着峰值保持时间的增加及应力率的降低,棘轮应变明显增大。

6061-T6铝合金板材热冲压成形极限图研究

自行设计并研制了一套获取板材热冲压成形极限图的试验系统,开展了6061-T6铝合金板材在不同应变路径及温度下的成形极限研究,获得了其在25~300℃的成形极限图。使用MSC.MARC软件对6061-T6铝合金板材的热冲压成形进行数值模拟,研究了失稳判断方法对不同温度下成形极限预测的影响。结果表明:6061-T6铝合金在室温下的极限应变值很低,塑性较差;变形温度升高到200℃时,极限应变值平均提高了99.5%;变形温度从200℃升高到300℃时,极限应变值进一步提高了23.5%,其塑性也显著提高。采用最大载荷判断法和应变路径判断法相结合的失稳状态判断准则能准确预测6061-T6铝合金的热成形极限,模拟结果和试验结果吻合较好。

6061-T6铝合金超声振动强化搅拌摩擦焊接头组织与性能

将超声振动施加在搅拌头前方的待焊工件上,开展了6061-T6铝合金板超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验。通过显微组织观察、拉伸试验和显微硬度测试来评价接头组织与性能,比较了超声振动条件下的接头组织与性能与常规搅拌摩擦焊接头的差异。试验结果表明,超声振动细化了焊核区和热机影响区的晶粒组织,提高了接头抗拉强度、断后伸长率和显微硬度。

高周疲劳载荷下6061-T6铝合金的温度演化

为了研究金属材料在疲劳载荷下的温度变化,采用红外热像系统对高周疲劳载荷下6061-T6铝合金的温度演化进行分析,用热像图对疲劳裂纹尖端的塑性区进行测量.结果显示,疲劳加载作用下,循环次数达到107次时6061-T6铝合金试样表面温度的变化分为四个阶段:初始温升阶段、温度缓降阶段、温度二次缓慢上升阶段和温度快速上升阶段.结合热弹性理论、铝合金塑性变形的微观机制分析并预测疲劳载荷下温度的演化和宏观裂纹扩展时裂纹尖端塑性区域大小.宏观裂纹开始扩展时,裂纹尖端的塑性区域可达3.6 mm2,红外热像仪测得结果为3.46 mm2,测试结果与理论结果吻合.

6061-T6铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能

对3mm厚6061-T6铝合金板进行超声辅助搅拌摩擦焊(UA-FSW),研究了UA-FSW接头的焊接质量、力学性能、拉伸断口形貌以及焊核区的组织,并与FSW接头的进行了对比。结果表明:UA-FSW能有效减少焊接缺陷,拓宽焊接工艺窗口;两种接头的显微硬度曲线均呈"W"形,焊核区均呈"洋葱环"特征,但UA-FSW接头焊核区的"洋葱环"更为流畅;与FSW接头相比,UA-FSW接头的硬度和拉伸性能更高,断口上的韧窝更多、更深,焊核区的晶粒更小、更均匀。

6061-T6铝合金激光-MIG复合焊接头的组织与性能

本文利用万能材料试验机、金相显微镜、扫描电镜及显微硬度计等分析6061-T6铝合金激光-MIG复合焊接头的组织与性能。研究结果表明，复合焊接头的抗拉强度为165MPa，是母材强度的57％；焊缝区的显微硬度是母材的65％，存在明显的接头软化现象。焊接气孔、接头软化等缺陷严重影响焊接结构的力学性能；焊缝组织主要是等轴晶和柱状晶；接头拉伸断口上分布着许多尺寸较小、形貌相近的等轴韧窝。

6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度关系研究

研究材料断裂应变与应力三轴度的关系,从而建立其断裂失效模型,对分析6061-T6铝合金断裂失效过程具有重要理论意义和应用价值。分别借助数字图像相关(DIC)测量技术和Abaqus软件对6061-T6铝合金光滑圆棒试件与缺口圆棒试件准静态拉伸过程进行试验和数值模拟,基于所得结果对后者应力三轴度进行分析和修正,从而得到Johnson-Cook(J-C)失效模型的部分材料参数,并建立了6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到Abaqus中进行断裂数值模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了失效模型的正确性。研究表明:6061-T6铝合金的断裂应变随应力三轴度的增加而减小;采用J-C失效模型可以较好的描述6061-T6铝合金在不同应力三轴度下的断裂失效行为。

6061-T6铝合金动态拉伸本构关系及失效行为

采用HMH-206高速材料试验机开展了6061-T6铝合金在0.001~100 s-1应变率范围内的静、动态拉伸力学性能实验,分析了其应力-应变响应特征和应变率敏感性,讨论了应变率对6061-T6铝合金流动应力和应变率敏感性指数的影响,并基于实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正。结合缺口试件的实验结果和模拟数据,得到了材料的Johnson-Cook失效模型参数,并对模型的准确性和适用性进行了验证。结果表明,在拉伸载荷作用下,6061-T6铝合金表现出明显的应变硬化特征和应变率敏感性,其流动应力随应变率的升高而提高,修正的Johnson-Cook本构模型可以描述材料的动态塑性流动行为,建立的Johnson-Cook失效模型能够表征材料的断裂失效行为。

不同加载应力下6061-T6铝合金挤压型材的疲劳断口研究

对6061-T6铝合金挤压型材进行了轴向拉伸疲劳试验,在加载应力121~198MPa下测定其S-N(应力-循环次数)曲线,并对高应力(198MPa)和低应力(130MPa)下铝合金疲劳断口形貌特征进行分析。结果表明:6061-T6铝合金挤压型材疲劳寿命随加载应力增大而减小,其条件疲劳极限为127MPa。随着加载应力增大,疲劳裂纹萌生呈现多源性,疲劳裂纹扩展区面积减小,裂纹扩展第一阶段的裂纹偏转更加剧烈,疲劳条带宽度增加。

6061-T6铝合金激光焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展

目的研究6061-T6铝合金激光焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,并分析裂纹扩展的影响因素。方法利用光纤激光器,焊接尺寸为150 mm×100 mm×4 mm(焊接方向、横向、熔深方向)的6061-T6铝合金,采用SE(B)三点弯曲疲劳裂纹扩展试验并利用连续降K法,分别在空气和人工海水中进行疲劳裂纹扩展试验,通过使用金相显微镜(OE)和扫描电子显微镜(SEM),对金相结构进行观测分析。结果同样工艺参数的焊接接头,在海水中疲劳裂纹门槛值(4.063 016 MPa·m^(0.5))大于空气中的门槛值(3.479 166 MPa·m^(0.5));在疲劳裂纹扩展中速区(da/dN>10^(-5) mm/cycle)时,海水焊接接头疲劳裂纹扩展速率大于空气中的,低速区(da/d N<10^(-5) mm/cycle)则小于在空气中的。结论成形良好的焊缝、晶粒细小的焊缝组织有助于接头疲劳裂纹扩展性能的提高;中速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏大,主要是由腐蚀条件下焊缝裂纹尖端阳极溶解和交变载荷共同作用导致;低速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏小,主要原因是腐蚀产物堆积于疲劳裂纹扩展尖端,产生较强裂纹闭合效应。