CN108381117A - 一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺 - Google Patents

一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺 Download PDF

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aging
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杨鸿驰
朱希
朱希一
邓桂英
张新明
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺：(1)铝材在线或离线固溶淬火；(2)拉伸矫直；(3)时效处理；所述的时效处理为预时效、峰值时效或双级时效中的一种；(4)氩弧焊或激光焊：使用液氮气或者强冷风吹热影响区；(5)人工时效：焊接过后的最终的构件进行单级时效或双级时效。本发明精简了铝材焊接结构件的冷却方式，无需对焊接结构件进行再次固溶淬火，尤其是无法进行再次固溶淬火的大型复杂结构件，采用本发明工艺，只需焊接后对结构件进行较低温度的峰值时效即可把热影响区强度提高到母材的80％～98％，使得提高生产效率的同时，有效降低生产成本。

Description

一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺
技术领域
本发明涉及一种铝合金处理工艺，特别涉及一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺。
背景技术
在工业生产中，可热处理强化峰值状态的铝合金材料通过氩弧焊、激光焊焊接后，由于结构件大或者复杂等，不宜重新再进行固溶淬火，铝材由于重新受到高温热处理而过时效、重熔等，部分析出相粗大，再进行时效处理无法进一步提高强度，致使铝合金材料强度损失较大，焊接后的抗拉强度与母材抗拉强度比值通常≤0.75，因此需要增加基材厚度来提高整个构件受力，因此往往增加成本等。而采用传统方式进行处理时，常规铝材固溶淬火后，直接人工峰值时效，强度太高，内应力较高，不便于后续各种机加工及焊接等，焊后产品强度偏低，以致得到最终的产品质量差。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明针对上述技术问题，发明一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺，旨在解决现有技术中焊接铝合金材料后致使铝合金材料强度损失较大，焊接后的抗拉强度与母材抗拉强度比值小的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺，包含以下操作步骤：
(1)铝材在线或离线固溶淬火；
(2)拉伸矫直；
(3)时效处理；所述的时效处理为预时效(T4P)、峰值时效(T5、T6)或双级时效中的一种；
(4)氩弧焊或激光焊：进行焊接的同时在离焊接点30～300mm处增加冷却吹风管使用液氮气或者强冷风吹热影响区，吹向背离焊接点，在焊接点与冷却吹风管之间加挡风板，挡风板或与吹风管通过某种方式固定于一体，并与焊丝或激光头同步前进，对已焊接高温区域进行吹氮气或冷风等方式，降温速率为10～180℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果。
(5)人工时效：焊接过后的最终的构件进行单级时效140～190℃保温6～25小时，使母材和焊缝都达到接近T6的力学性能；或双级时效90～150℃保温1～8小时，然后再120～190℃保温5～22小时，达到T7/T76的力学性能。
优选的是，步骤(1)中所述的在线或离线固溶淬火的具体工艺为：热处理固溶温度为450～580℃，升温速率30～150℃/min，固溶10～240min，然后淬火，快速冷却至室温，冷却速率20～200℃/s。
优选的是，所述的淬火为根据材料规格选择风冷或水冷方式进行淬火。
优选的是，步骤(2)中所述的拉伸矫直为在保证铝材尺寸和性能的情况下控制拉伸率在0.5％～3.0％，达到矫直和去应力的目的。
优选的是，步骤(3)中所述的其中，所述的预时效(T4P)为60～130℃人工时效，人工时效时间0.5～5小时，力学性能略高于T4状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，可停放30天以上性能保持不变。
优选的是，步骤(3)中所述的峰值时效(T5或T6)工艺参数为110～190℃人工时效，人工时效时间5～20小时，力学性能达到峰值或略低于峰值。
优选的是，步骤(3)中所述的双级时效为90～150℃保温1～8小时，然后再在120～190℃保温5～22小时。
本发明焊接工艺方法，可应用焊接的母材有6系T6、T5和T4P，2系T6，7系T6和T7等可热处理强化型铝合金材料；涉及可热处理强化铝合金材料板材或型材，包括如6061、6063、6082、6016、6005A等6系铝合金，2024、2219、2519等2系铝合金，和7050、7N01、7075等7系铝合金。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明处理工艺进行预拉伸和低温预时效后的T4P铝材强度低、塑性好、内应力低、板型好，便于后续进行各种机加工及焊接而不变形或降低变形程度；进一步的，本发明通过本焊接冷却处理方式，等同于在线直接固溶淬火，便于焊接后对铝材热影响区进行人工峰值时效，强度最大限度接近母材强度；本发明精简了铝材焊接结构件的冷却方式，无需对焊接结构件进行再次固溶淬火，尤其是无法进行再次固溶淬火的大型复杂结构件，采用本发明工艺，只需焊接后对结构件进行较低温度的峰值时效即可把热影响区强度提高到母材的80％～98％，使得提高生产效率的同时，有效降低生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
6061-T651
(1)固溶淬火：取6061板材8mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率100℃/min，升到535℃，固溶60min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)预时(T4P)效处理：把板材放入时效炉进行预时(T4P)效处理，时效温度为100℃，时效时间3h，力学性能达到T4P状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块T4P板进行氩弧焊，焊丝为5087，在离焊接点100mm位置使用喷枪吹入液氮气体，喷枪与焊丝平行，气体吹向远离焊接点，使热影响区及热影响区快速冷却至室温，冷却速率为150～180℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度170℃，保温15小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
实施例2
6061-T651
(1)固溶淬火：取6061板材8mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率30℃/min，升到450℃，固溶10min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率20℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率0.5％，达到矫直和去应力的目的；
(3)预时(T4P)效处理：把板材放入时效炉进行预时(T4P)效处理，时效温度为60℃，时效时间5h，力学性能达到T4P状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块T4P板进行氩弧焊，焊丝为5087，在离焊接点30mm使用喷枪吹入液氮气体，喷枪与焊丝平行，气体吹向远离焊接点，使热影响区及热影响区快速冷却至室温，冷却速率为10～50℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度140℃，保温25小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
实施例3
6061-T651
(1)固溶淬火：取6061板材8mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率150℃/min，升到580℃，固溶240min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率200℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率3.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)预时(T4P)效处理：把板材放入时效炉进行预时(T4P)效处理，时效温度为130℃，时效时间0.5h，力学性能达到T4P状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块T4P板进行氩弧焊，焊丝为5087，在离焊接点300mm位置使用喷枪吹入液氮气体，喷枪与焊丝平行，气体吹向远离焊接点，使热影响区及热影响区快速冷却至室温，冷却速率为70～100℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度190℃，保温7小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
实施例4
2024-T62
(1)固溶淬火：取2024板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到490℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)峰值时效(T6)处理：把板材放入时效炉进行预时(T6)效处理，时效温度为185℃，时效时间10h，力学性能达到T6状态，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块2024-T62板进行氩弧焊，焊丝为5087，在离焊接点50mm位置使用喷枪吹入液氮气体，喷枪与焊丝平行，气体吹向远离焊接点，使热影响区及热影响区快速冷却至室温，冷却速率为120～150℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度185℃，保温10小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
实施例5
7075-T76
(1)固溶淬火：取7075板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到465℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)双级时效：把板材放入时效炉进行双级时效处理，120℃保温6h，升温至160℃保温20h，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块7075-T76板进行氩弧焊，焊丝为5087，在离焊接点50mm位置使用喷枪吹入液氮气体，喷枪与焊丝平行，气体吹向远离焊接点，使热影响区及热影响区快速冷却至室温，冷却速率为120～150℃/s，以便焊接区域达到固溶淬火的效果；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，120℃保温6h，升温至160℃保温20h，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
对比实施例1
(1)固溶淬火：取6061板材8mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到535℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)预时(T4P)效处理：把板材放入时效炉进行预时(T4P)效处理，时效温度为100℃，时效时间3h，力学性能达到T4P状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块T4P板进行氩弧焊，焊丝为5087，，放板材自然冷却至室温，取热影响区做力学检测。
对比实施例2
(1)固溶淬火：取6061板材8mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到535℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率0.8％，达到矫直和去应力的目的；
(3)预时(T4P)效处理：把板材放入时效炉进行预时(T4P)效处理，时效温度为100℃，时效时间3h，力学性能达到T4P状态(强度低、塑性高)，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块T4P板进行氩弧焊，焊丝为5087，放板材自然冷却至室温；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度170℃，保温15小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
对比实施例3
2024-T62
(1)固溶淬火：取2024板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到490℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率3.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)峰值时效(T6)处理：把板材放入时效炉进行预时(T6)效处理，时效温度为185℃，时效时间10h，力学性能达到T6状态，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块2024-T62板进行氩弧焊，焊丝为5087，自然冷却至室温，做力学检测。
对比实施例4
2024-T62
(1)固溶淬火：取2024板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到490℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率1.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)峰值时效(T6)处理：把板材放入时效炉进行预时(T6)效处理，时效温度为185℃，时效时间10h，力学性能达到T6状态，有易于铝材加工成型，检测性能；
(4)氩弧焊：对两块2024-T62板进行氩弧焊，焊丝为5087，自然冷却至室温；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，时效温度185℃，保温10小时，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
对比实施例5
7075-T76
(1)固溶淬火：取7075板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到465℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.8％，达到矫直和去应力的目的；
(3)双级时效：把板材放入时效炉进行双级时效处理，120℃保温6h，升温至160℃保温20h，检测性能；
(4)激光焊：对两块7075-T76板进行激光焊接，自然冷却至室温，检测性能。
对比实施例6
7075-T76
(1)固溶淬火：取7075板材6mm厚，放入高温炉进行固溶，升温速率120℃/min，升到465℃，固溶25min，快速喷入高压水淬火冷却至室温，冷却速率100℃/s；
(2)拉伸矫直：对淬火后的板材进行拉伸矫直，拉伸率2.0％，达到矫直和去应力的目的；
(3)双级时效：把板材放入时效炉进行双级时效处理，120℃保温6h，升温至160℃保温20h，检测性能；
(4)激光焊：对两块7075-T76板进行激光焊接，自然冷却至室温；
(5)人工时效：把焊接后的板材放入时效炉时效，120℃保温6h，升温至160℃保温20h，冷却至室温后取热影响区做力学检测。
力学性能对比
实施例1～3和对比实施例1～2所得数据如表1所示：
表1
热影响区性能 屈服强度 抗拉强度 延伸率
母材6061-T6 295 320 18％
母材6061-T4P 97 145 26％
实施例1 278 308 13％
实施例2 275 305 12.5％
实施例3 279 306 12.0％
对比实施例1 125 231 21％
对比实施例2 186 253 16％
实施例4和对比实施例3、4所得数据如表2所示：
表2.2024板材焊接性能对比
材料 屈服强度 抗拉强度 延伸率
母材2024-T62 358 451 6％
实施例4热影响区 336 428 7.5％
对比实施例3热影响区 226 309 10％
对比实施例4热影响区 279 356 8.5％
实施例5、和对比实施例5、6所得数据如表3所示：
表3.7075板材焊接性能对比
通过上述表1-表3的对比分析可知，采用本发明新工艺生产的可热处理强化铝合金焊接后强度高，接近母材强度，减少因焊接性能损失带来的影响，本焊接处理工艺方便简洁，可应用于各种结构件焊接，尤其是复杂或较大结构件焊接，而无需过多增加焊接区域厚度，即可保证焊接区域能承受与母材相接近的力。
本发明处理工艺进行预拉伸和低温预时效后的T4P铝材强度低、塑性好、内应力低、板型好，可长时间保存而性能不发生太大变化，便于后续进行各种机加工及焊接而不变形或降低变形程度，其他焊接工艺没有在线快速冷却方式，不利于铝材第二相固溶，后续时效热处理不利于热影响区强度的提升，需要通过增加厚度或其他加强构件才能确保热影响区域承受母材相同的受力；通过本焊接冷却处理方式，等同于在线直接固溶淬火，便于焊接后对铝材热影响区进行人工峰值时效，强度最大限度接近母材强度。本发明精简了铝材焊接结构件的固溶及冷却方式，无需对焊接结构件进行再次固溶淬火，尤其是大型复杂结构件，无法进行再次固溶淬火，只需焊接后对结构件进行较低温度的峰值时效即可把热影响区强度提高到母材的80％～98％，使得提高生产效率的同时，有效降低生产成本。
本发明处理工艺(1)铝合金材料通过固溶淬火+峰值时效后，强度以达到接近峰值的T5、T6和T7状态；(2)该铝合金材料通过固溶淬火+低温预时效后的T4P状态，强度略高于T4标准，强度低于T5、T6，塑性高于T5/T6状态以便于一些常规的成型加工；然后再进行氩弧焊焊接或者激光焊焊接，焊接区域铝材受到高热量辐射发生部分融化，在焊接的同时在已焊接温度较高区域(包含热影响区)进行强冷(液氮气或强冷风等方式)以达到淬火效果，焊接完后将整体构件进行峰值人工时效，以减少焊接处强度损失，热影响区的抗拉强度达到母材抗拉强度80％～98％。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于，包含以下操作步骤：
(1)铝材在线或离线固溶淬火；
(2)拉伸矫直；
(3)时效处理；所述的时效处理为预时效、峰值时效或双级时效中的一种；
(4)氩弧焊或激光焊：进行焊接的同时在离焊接点30～300mm处使用液氮气或者强冷风吹热影响区，吹向背离焊接点，降温速率为10～180℃/s；
(5)人工时效：焊接过后的最终的构件进行单级时效140～190℃保温6～25小时；或双级时效90～150℃保温1～8小时，然后再120～190℃保温5～22小时。
2.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于，步骤(1)中所述的在线或离线固溶淬火的具体工艺为：热处理固溶温度为450～580℃，升温速率30～150℃/min，固溶10～240min，然后淬火，冷却至室温，冷却速率20～200℃/s。
3.根据权利要求2所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于：所述的淬火为根据材料规格选择风冷或水冷方式进行淬火。
4.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于：步骤(2)中所述的拉伸矫直为在保证铝材尺寸和性能的情况下控制拉伸率在0.5％～3.0％。
5.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于：步骤(3)中所述的其中，所述的预时效(T4P)为60～130℃人工时效，人工时效时间0.5～5小时。
6.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于：步骤(3)中所述的峰值时效(T5或T6)工艺参数为110～190℃人工时效，人工时效时间5～20小时。
7.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接处理工艺，其特征在于：步骤(3)中所述的双级时效为90～150℃保温1～8小时，然后再在120～190℃保温5～22小时。
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