1、硕士学位论文6082 铝合金 TIG 焊接接头深冷处理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 学科专业 材料科学与工程研究方向 材料加工工程作者姓名 指导教师 教授中南大学年 月中图分类号 学校代码 UDC 学位类别 硕士学位论文6082 铝合金 TIG 焊接接头深冷处理研究Research on cryogenic treatment of 6082 aluminum alloy TIG welded joint 作者姓名：学科专业： 材料科学与工程研究方向： 材料加工工程学院（系、所
2、）：材料科学与工程学院指导教师： 教授论文答辩日期 答辩委员会主席 中南大学年 月中南大学硕士学位论文 摘要I6082 铝合金 TIG 焊接接头深冷处理研究摘要：铝合金由于其热导率、线膨胀系数大等特点使其焊后经常出现气孔夹杂焊缝成形不良等焊接缺陷。深冷处理作为一种低成、无污染、不破坏工件的工艺，能有效改善材料的综合力学性能，具有很广阔的应用前景。本文主要研究了不同深冷处理时间和时效温度对 6082 铝合金TIG 焊接接头组织与性能的影响，并结合 ABAQUS 有限元数值模拟研究了深冷处理对焊接接头残余应力的影响。深冷处理实验研究结果表明：6082 铝合金 TIG 焊接接头最佳深冷时间为 12h
3、，焊接接头硬度提高 30.55%，抗拉强度提高 53.15%，延伸率增加 206.72%，焊缝区 Mg2Si 强化相大量析出且在基体中均匀分布，焊缝区内形成了大的（111）织构；-196/12h 深冷处理后的时效处理以 150/4h 为最佳，在该工艺下，强化第二相析出基本达到动态平衡，焊缝区保留了大量细小再结晶组织，且经过 150/4h 时效处理后焊接接头耐腐蚀性能最佳。残余应力数值模拟和检测结果显示，实测各点的残余应力值与模拟计算结果吻合良好。深冷处理后焊板各处的纵向和横向残余应力值均有不同程度的降低，且高值应力分布范围缩小，沿焊缝方向上的残余应力消除效果更为显著，最大消除率达 27.17%
4、。关键词：6082 铝合金；TIG 焊；深冷处理；残余应力；数值模拟分类号：TG146.2中南大学硕士学位论文 AbstractIIIResearch on Cryogenic Treatmentof 6082 aluminum alloyTIG welded jointAbstract:The large thermal conductivity,linear expansion coefficient of aluminum are easy to cause a porosity of welding defects such as inclusions,bad weld forming
5、 performance,etc.Cryogenic treatment as a process of non-pollution,little damage to the workpiece,can effectively improve the comprehensive mechanics performance of materials,which has a bright prospect.This paper mainly studied the different cryogenic processing time and aging temperature on micros
6、tructure and properties of 6082 aluminum alloy Tungsten Inert Gas arc Welded joints,and studied the cryogenic treatment on the influence of residual stress of it combined with the ABAQUS finite element numerical simulation.The Experimental results of cryogenic treatment indicate that: 12h is the opt
7、imal cryogenic time of 6082 aluminum alloy TIG welded joint. Through the process the hardness is increased by 30.55%, tensile strength is increased by 53.15% and elongation is increased by 206.72%, weld area microscopic pored and loose basic eliminated, the strengthening phase of Mg2Si precipitation
8、 distributed a lot and uniformly in the matrix. A large number of (111) fiber texture formed in the weld zone. The optimal parameters of aging treatment after -196/12h cryogenic treatment is 150/4h. Through this process the strengthening phase precipitation basically reached the dynamic equilibrium.
9、 A large number of tiny recrystallization retained in the weld zone and obtained the optimum corrosion resistance by this process.Numerical simulation and text results of the residual stress shows that the residual stress experiment measuring value are in good agreement with those obtained in the si
10、mulation. After cryogenic treatment, the longitudinal and transverse residual stress of the welding plate area decreased in different degrees and the high stress distribution range narrowed. The relieving effect of residual stress along the weld direction is more significant by cryogenic treatment a
11、nd the maximum residual stress eliminating rate was 27.17% .Keywords:6082aluminum alloy;TungstenInert Gas arc Welding; 中南大学硕士学位论文 AbstractIVCryogenic treatment; Residual stress;Numerical simulationClassification: TG146.2中南大学硕士学位论文 目录V目录摘要 .IAbstract.III目录 .V1 文献综述 .11.1 铝及铝合金 .11.1.1 铝及铝合金的特点 .11.1.
12、2 铝及铝合金的分类 .21.1.3 铝及铝合金应用 .41.2 铝合金的焊接 .51.2.1 铝合金的焊接类型 .51.2.2 铝合金常用焊接方法 .61.2.3 铝合金焊接性 .81.3 深冷处理简介 .91.3.1 深冷处理的发展 .101.3.2 深冷处理工艺 .101.3.3 深冷处理设备 .111.3.4 深冷处理应用 .121.4 本文研究的内容和意义 .122 实验 材料与方法 .132.1 实验方案 .132.2 实验材料及制备 .132.3 实验方法 .132.3.1 焊接方法和工艺 .132.3.2 深冷处理实验方案 .142.4 力学性能测试 .142.4.1 维氏硬度
13、测试 .142.4.2 拉伸力学性能测试 .142.4.3 抗腐蚀性能测试 .152.5 微观组织观察 .152.5.1 金相组织（OM）观察 .15中南大学硕士学位论文 目录VI2.5.2 拉伸断口形貌（SEM）观察 .162.6 X 射线衍射物相分析 .162.7 电导率测试 .162.8 残余应力检测 .163 深冷时间对 6082 铝合金焊接接头组织与性能的影响 .173.1 实验过程和方法 .173.2 实验结果与分析 .173.2.1 硬度测试结果分析 .173.2.2 拉伸力学性能分析 .193.2.3 拉伸断口形貌分析 .213.2.4 金相组织分析 .223.2.5 X 射线
14、衍射分析 .243.3 本章小结 .264 深冷-时效对 6082 铝合金焊接接头组织与性能的影响 .274.1 实验过程和方法 .274.2 实验结果与分析 .274.2.1 硬度测试结果分析 .274.2.2 拉伸力学性能分析 .284.2.3 拉伸断口形貌分析 .304.2.4 金相组织分析 .314.2.5 电导率测试结果分析 .334.2.6 耐腐蚀性能测试结果分析 .344.3 本章小结 .375 深冷处理对焊接接头残余应力影响有限元模拟和实验研究 .395.1 前处理 .395.1.1 几何模型 .395.1.2 网格划分 .395.1.3 热源模型 .405.2 材料物性参数
15、.415.3 边界条件 .415.3.1 力学边界条件 .415.3.2 温度边界条件 .415.4 有限元模拟计算流程 .425.5 深冷处理模拟结果与实验验证 .43中南大学硕士学位论文 目录VII5.5.1 测试原理 .435.5.2 测试方法 .435.5.3 测试结果与模拟结果对比分析 .445.6 深冷处理前后残余应力对比 .455.6.1 深冷前后残余应力场云图分析 .455.6.2 深冷前后残余应力计算结果及分析 .465.7 本章小结 .496 结论 .51参考文献 .53硕士期间公开发表论文及获奖情况 .59致谢 .61中南大学硕士学位论文 1 文献综述11 文献综述1.1
16、 铝及铝合金1.1.1 铝及铝合金的特点铝的储量在地壳中仅次于氧和硅，在金属元素中含量最多，其储存量含量超过 7%，位于元素周期表中第 13 位，原子量为 26.98，熔点 660，密度2.702g/cm3，原子体积为 10.0cm3/mol，晶格类型为面心立方结构，晶格常数0.404nm，其抗拉强度 ：90120MPa，弹性模量 E：6971GPa ，屈服极限 ： 2090MPa 等。详细数据如表 1-1 和表 1-2 所示。表 1-1 纯铝的室温力学性能压力加工力学性能 铸态退火 未退火抗拉强度/MPa 9020 80110 150250弹性极限/MPa 3040 屈服极限/MPa 508
17、0 120240延伸率/% 11120 3240 48断面收缩率/% 7090 5060布氏硬度/HBS10/500 2432 1525 4055冲击韧度/Jcm -2 340 抗剪强度/MPa 42 60 100弯曲疲劳强度/MPa 50 40表 1-2 纯铝的室温物理性能物理参考量 数值 物理参考量 数值晶格常数 /nm 4.0494 热导率/Wm -1K-1 235.2密度/kgm -3 2.698 比热容/Jkg -1K-1 934.82熔点/ 660.24 电导率/Sm -1 64.94沸点/ 2060 线膨胀系数 /umm-1k-1 24.58溶解热 /10-5J/kg 3.961 燃烧热/10 -7J/kg 3.094铝合金的发展史相对于铁来说起步较缓慢，在很多情况下纯铝的性能都没办法迎合结构材料的应用的性能需求，所以在现实生活生产中铝合金中经常加入某些金属或非金属元素，以提升其综合性能，如：添加 Cu 能使组织产生化合物 CuAl2，有助于提高时效强化程度，添加 Mg 能加强合金的焊接性能，同时也能加强其抗腐蚀性能，添加 Si 能让合金的结晶温度下降，有利于形成共晶体，促进铝合金的充形性能等。铝合金的二元相图如下图 1-1 所示。从图中可以看出，铝合金分割线是最大溶解度 n 点。其共晶组织存在于最大溶解度 n 点右边区域，由于其流动性能优
