Термическая обработка алюминиевых сплавов после сварки является важнейшим этапом контроля их конечных свойств (прочности, вязкости и коррозионной стойкости). В отличие от стали, термическая обработка алюминиевых сплавов имеет свои уникальные принципы и процессы.

Ниже я подробно расскажу о термической обработке сварочных материалов из алюминиевых сплавов, уделив особое внимание следующим аспектам:

一. Основная концепция: Почему термическая обработка необходима для сварки алюминиевых сплавов?

① Устранение сварочных напряжений: Процесс сварки включает неравномерный нагрев и охлаждение, что может привести к возникновению значительных остаточных напряжений в сварном шве и зоне термического влияния (ЗТВ). Эти напряжения могут снизить размерную стабильность конструкции, усталостную прочность и коррозионную стойкость под напряжением.
② Восстановление и корректировка механических свойств:
● Для термообрабатываемых алюминиевых сплавов (например, серии 6xxx) термический цикл сварки может разрушить исходные упрочняющие фазы в основном материале, вызывая сильное разупрочнение ЗТВ, которая становится слабым звеном всего соединения.

● Термическая обработка может повторно растворить или выделить упрочняющие фазы, тем самым восстанавливая прочность ЗТВ или достигая равномерного и идеального состояния по всей сварной конструкции.
● Стабилизация микроструктуры: стабилизирует нестабильные микроструктуры сварного соединения, повышая его надежность при длительной эксплуатации.

二. Два основных типа алюминиевых сплавов и их связь с термической обработкой

Это основа для понимания следующего содержания:

① Алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой
● Типичные серии: 1xxx (чистый алюминий), 3xxx (Al-Mn), 5xxx (Al-Mg).
● Механизм упрочнения: прочность увеличивается в первую очередь за счет твердорастворного упрочнения и деформационного упрочнения (например, холодной прокатки).
● Эффекты сварки: подвод тепла при сварке устраняет эффект деформационного упрочнения, вызывая разупрочнение в зоне термического влияния (ЗТВ). Прочность не может быть восстановлена ​​термической обработкой и может быть компенсирована только легированием (например, выбором сварочной проволоки 5xxx с высоким содержанием магния).
● Основная термическая обработка: отжиг для снятия напряжений или полное разупрочнение для облегчения холодной обработки.
② Алюминиевые сплавы, упрочненные термической обработкой
● Типичные серии: 2xxx (Al-Cu-Mg), 6xxx (Al-Mg-Si), 7xxx (Al-Zn-Mg).
● Механизм упрочнения: основной процесс — «термическая обработка на твердый раствор + старение» для образования тонких упрочняющих фаз (таких как зоны GP, θ’, β’ и т. д.).

● Влияние сварки: высокие температуры сварки вызывают растворение или укрупнение этих упрочняющих фаз, что приводит к значительному разупрочнению зоны термического влияния (где прочность может снизиться до минимально возможного состояния O, как это наблюдается в отожженном состоянии).
● Первичная термическая обработка: Послесварочная термическая обработка используется для восстановления этого механизма упрочнения.

三. Распространенные методы термической обработки после сварки

Ниже перечислены наиболее распространенные методы термической обработки сварных соединений:

① Послесварочная термическая обработка: Это наиболее комплексный процесс термической обработки, предназначенный для достижения максимальных и наиболее равномерных механических свойств сварного изделия. В основном применяется для термообрабатываемых алюминиевых сплавов.

● Процесс: Термическая обработка на твердый раствор + закалка + старение
● Термическая обработка на твердый раствор: Сварная деталь нагревается до высокой температуры (например, приблизительно 530 °C для серии 6xxx) для полного растворения легирующих элементов в алюминиевой матрице с образованием пересыщенного твердого раствора. Примечание: Эта температура очень близка к температуре солидуса алюминиевого сплава и должна точно контролироваться, чтобы избежать перегрева (плавления).

● Закалка: Быстрое охлаждение (обычно в воде) используется для «замораживания» пересыщенного твердого раствора от высокой температуры до комнатной. Это может привести к появлению внутренних напряжений.

● Старение: Закаленная заготовка выдерживается при относительно низкой температуре (например, около 175 °C для серии 6xxx) в течение определенного времени, чтобы упрочняющая фаза равномерно и мелко выделилась, тем самым достигая желаемого упрочняющего эффекта.
● Преимущества: Максимальное восстановление прочности сварного соединения.
● Недостатки: Сложность процесса, высокая стоимость, высокий риск деформации и чрезвычайно высокие требования к равномерности температуры в печи и точности ее регулирования. Сложность реализации для крупногабаритных конструкционных деталей.

②Старение после сварки: Это упрощенная форма послесварочной термообработки (PWHT), подходящая для алюминиевых сплавов в состоянии после отжига на твердый раствор (T4) или свежесваренных.

● Принцип: Сам термический цикл сварки эквивалентен обработке на неполный раствор. Искусственное старение, проводимое непосредственно после сварки, может способствовать выделению не полностью растворенных упрочняющих фаз или пересыщенных твердых растворов, тем самым частично восстанавливая прочность.
● Преимущества: Простота процесса, низкая стоимость и минимальная деформация.
● Недостатки: Эффект восстановления прочности не так хорош, как при полной послесварочной термообработке, но он значителен для таких сплавов, как 7xxx (Al-Zn-Mg).

● Примечание: Послесварочное старение, как правило, неэффективно после сварки основного металла в состоянии пикового старения (T6), поскольку имеющиеся упрочняющие элементы уже были израсходованы до сварки.

③Отжиг: В основном применяется для нетермообработанных алюминиевых сплавов или в случаях, когда требуется снижение твердости.

● Назначение: Полное снятие остаточных напряжений.
● Процесс: Нагрев примерно до 345°C, выдержка в течение определенного времени, а затем медленное охлаждение.

● Эффект: Прочность соединения снижается до уровня отожжённого состояния (состояние O), но пластичность и размерная стабильность остаются оптимальными.

④Отжиг для снятия напряжений: Компромисс между полным отжигом и естественным старением.

● Цель: Частичное устранение остаточных напряжений с максимальным сохранением исходной прочности материала.
● Процесс: Нагрев до температуры ниже температуры рекристаллизации (обычно 200–250 °C), выдержка и медленное охлаждение.
● Эффект: Снимает большую часть (примерно 50–90%) сварочных напряжений с минимальной потерей прочности материала.

四. Факторы, которые следует учитывать при выборе процесса термообработки

① Тип сплава основного металла и сварочной проволоки: Это определяющий фактор. Сплавы 6xxx и 7xxx обычно требуют послесварочного старения или термообработки после сварки (PWHT), в то время как сплавы 5xxx подвергаются только отжигу для снятия напряжений.

② Состояние основного металла перед сваркой: O, T4 или T6? Это определяет потенциал для послесварочного упрочнения.

③ Требования к применению изделия: Требуются ли высокая прочность, высокая размерная стабильность или хорошая стойкость к коррозии под напряжением?

④ Размер и сложность компонента: Крупногабаритные сложные конструкции могут быть неподходящими для полной PWHT из-за ограничений по размеру печи и риска деформации.

⑤ Стоимость и эффективность: Полная PWHT является наиболее дорогостоящей.

五. Важные соображения и проблемы

① Деформация: Термическая обработка, особенно PWHT с закалкой, может создавать значительные термические и фазовые напряжения, приводящие к деформации компонента.

② Перегрев: Неправильный контроль температуры термообработки на твердый раствор может привести к локальному плавлению по границам зерен, что значительно снижает механические свойства и коррозионную стойкость.

③ Риск пористости сварного шва: При высоких температурах во время термообработки растворенный в сварном шве водород может осаждаться и агрегироваться, образуя поры.
④ Равномерность температуры в печи: Для крупногабаритных деталей необходимо строго контролировать разницу температур в печи, в противном случае свойства будут неравномерными.
⑤ Зона разупрочнения «нож-линия»: Во время старения после сварки некоторых сплавов (в частности, 6xxx) очень узкая область, непосредственно прилегающая к линии сплавления, может не быть эффективно упрочнена, оставаясь слабым звеном.

Резюме

Подводя итог, можно сказать, что термообработка сварочных материалов из алюминиевых сплавов — это сложная и деликатная система. Её выбор и применение должны основываться на глубоком понимании основного металла и сплава сварочной проволоки, состояния перед сваркой и требований к конечному использованию детали. Правильная термообработка может значительно улучшить общие характеристики сварного соединения, в то время как неправильная может привести к отказу изделия. В условиях реального производства оптимальный вариант термообработки часто определяется в результате комплексных технологических испытаний и металлографического анализа.