摘要：

0 前言

XX公司在生產(chǎn)6060-T5壓塊鋁型材時(shí)，經(jīng)熱擠壓、在線水淬、矯直、鋸切、時(shí)效、檢驗(yàn)、包裝，出貨至客戶處精切、機(jī)加工、研磨去毛刺、清洗、出貨，終端客戶裝配、火焰焊接、水檢。在水檢時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別鋁型材側(cè)表面出現(xiàn)泄漏。為了弄清泄漏的原因，對焊接缺陷件（以下簡稱缺陷件）進(jìn)行宏觀形貌分析、低倍組織檢查、力學(xué)性能測試和顯微組織檢查及分析，以確定其缺陷的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，以便在生產(chǎn)中避免此類缺陷。

1 缺陷件分析過程

1.1 宏觀形貌分析

圖1為缺陷件的宏觀形貌照片，焊接件泄漏位置位于內(nèi)腔底部，對泄露位置進(jìn)行滲透檢驗(yàn)后，觀察到一條長度約為5mm裂紋類缺陷，如箭頭所示。

a 滲透檢驗(yàn)前 b 滲透檢驗(yàn)后

圖1 送檢試樣宏觀形貌

1.2 低倍觀察

鋁型材斷面和側(cè)表面經(jīng)強(qiáng)混合酸溶液室溫下浸蝕適當(dāng)時(shí)間后的低倍組織特征如圖2、圖3所示。焊接件進(jìn)料口的剖面試樣的低倍組織特征如圖4所示。

從圖2可以看出，鋁型材心部晶粒細(xì)小、四周晶粒粗大，外表面晶粒較粗大，晶粒度為M-12.5級。從圖4可以看出，焊接區(qū)左側(cè)的晶粒尺寸明顯比右側(cè)晶粒尺寸大，結(jié)合客戶的焊接工藝，可知焊接時(shí)的主受熱面為左側(cè)外表面，焊料依靠基體傳導(dǎo)的熱量熔化，從而將外接管焊接在工件上。左側(cè)基體在焊接過程中長時(shí)間受熱，其晶粒尺寸明顯高于對側(cè)基體。

圖2 鋁焊接件（斷面晶粒形貌）

圖3 鋁焊接件（外表面晶粒形貌）

圖4 鋁焊接區(qū)域剖面晶粒形貌

1.3 力學(xué)性能

對缺陷件的邊緣粗晶區(qū)和心部分別制備拉力試樣（取樣位置參照圖2），性能測試結(jié)果如表1。

表1 力學(xué)性能對比

表1表明，邊緣粗晶區(qū)的強(qiáng)度小于心部約30MPa，邊緣粗晶導(dǎo)致鋁型材性能不均。

1.4 顯微組織分析

在滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋的位置制備金相試樣，組織形貌如圖5～圖8所示。可見，微裂紋呈沿晶走向，部分晶界位置可以觀察到晶界過燒后呈現(xiàn)的熔融形態(tài)，許多晶界明顯已經(jīng)裂開，部分三叉晶界處形成較大的間隙，表明該區(qū)域受高溫發(fā)生了過燒。

圖5 鋁焊接組織形貌  200X 圖6 組織形貌  400X

圖7 鋁焊接組織形貌  1000X 圖8 組織形貌  1000X

2 實(shí)驗(yàn)方法與驗(yàn)證

2.1 討論

基于上述分析過程，同時(shí)因鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等都很大。焊接加工時(shí)必須采用能量集中、功率較大的熱源，因此焊接熱處理可強(qiáng)化的鋁合金時(shí)，焊接熱會(huì)使焊縫附近區(qū)域的性能變壞。初步得出結(jié)論：鋁型材斷面中部晶粒細(xì)小，四周晶粒粗大，外表面晶粒較粗大。從而客戶火焰焊接加工時(shí)發(fā)生瞬態(tài)高溫，較容易誘發(fā)外表面粗晶區(qū)域發(fā)生過燒并沿晶界開裂。 
XX公司希望在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的條件下通過對化學(xué)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、恰當(dāng)控制，增加再結(jié)晶抑制元素Mn、Cr和Ti的比重來提高再結(jié)晶的溫度、抑制晶粒長大，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。

2.2 驗(yàn)證

XX公司試制一爐圓鑄錠，用試制棒生產(chǎn)出6060-T5壓塊鋁型材（以下簡稱試制件）的化學(xué)成分與缺陷件的化學(xué)成分對比如表2。

表2  6060鋁合金化學(xué)成分

2.2.1 試制件低倍組織觀察

試制件斷面經(jīng)強(qiáng)混合酸溶液室溫下浸蝕適當(dāng)時(shí)間后的低倍組織特征如圖9，從圖2 焊接件（斷面晶粒形貌）與圖9的對比觀察中可以看出:試制件斷面四周晶粒得到明顯細(xì)化，四周晶粒大小與鋁型材心部晶粒無明顯差異。

圖9 試制件（斷面晶粒形貌）

2.2.2 力學(xué)性能

對試制件的邊緣部位和心部分別制備拉力試樣（取樣位置參照圖9），性能測試結(jié)果如表3。

表3 力學(xué)性能對比

表3表明，試制件邊部和心部的力學(xué)性能已無明顯差異，結(jié)合表1及圖9，可推斷出通過對化學(xué)成分的適當(dāng)調(diào)整，增加再結(jié)晶抑制元素Mn、Cr和Ti的比重，邊緣部位的晶粒已得到細(xì)化。

模擬客戶火焰焊接條件加工試制件后在其外表面與缺陷件出現(xiàn)焊接裂紋的相同位置制備金相試樣，其顯微組織如圖10～圖12。

從圖10～圖12中未發(fā)現(xiàn)沿晶開裂現(xiàn)象，且試制件顯微組織未發(fā)現(xiàn)復(fù)熔共晶球、晶界局部復(fù)熔加寬和復(fù)熔三角形。故判定其顯微組織無過燒、沿晶開裂缺陷。

圖10 6060焊接組織形貌  200X

圖11 組織形貌  400X

圖12  6060焊接組織形貌  1000X

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上對比實(shí)驗(yàn)分析，適當(dāng)提高M(jìn)n、Cr和Ti的含量能夠細(xì)化6060鋁型材的晶粒。錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒，再結(jié)晶晶粒的細(xì)化主要是通過MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對再結(jié)晶晶粒長大起阻礙作用。鈦是鋁合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中間合金形式加入，鈦與鋁形成TiAl3相，成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核心，起細(xì)化鑄造組織和焊縫組織的作用。鉻在鋁中形成的（CrFe)Al7和（CrMn)Al12等金屬間化合物，可阻礙再結(jié)晶的形核和長大過程。

4 結(jié)論

用戶采用XX公司生產(chǎn)的6060-T5壓塊鋁型材在焊接后出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。通過對泄漏部位高倍及低倍金相的觀察及分析得知：泄漏部位存在微裂紋，而微裂紋與材料的晶粒粗大有直接的關(guān)系。通過晶粒細(xì)化和提高再結(jié)晶溫度，可以有效地改善焊接開裂現(xiàn)象。適當(dāng)提高M(jìn)n、Cr和Ti的含量能夠提高再結(jié)晶溫度，抑制再結(jié)晶晶粒長大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。鋁型材晶粒細(xì)化后，性能更均勻，焊接處理的熱效應(yīng)不足以誘發(fā)晶粒細(xì)化后的鋁型材發(fā)生過燒、沿晶開裂。