重庆科技学院
毕业设计（论文）题目中厚板压下规程优化及模型开发
学院冶金与材料工程学院
专业班级材控试2011-01
学生姓名王平学号2011444387 指导教师王青峡职称讲师
评阅教师职称
2015年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
学生毕业设计（论文）原创性声明
本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
由于铝合金具有密度小，比强度高和良好的耐腐蚀性、导电性、导热性，且在低温下能保持良好的机械力学性能等特点，广泛应用于航空航天、汽车和国防等行业。在上述工业领域，其零部件的连接主要靠焊接。铝合金的焊接由于其本身的一些特性，导致焊接问题、困难颇多。
当焊接经过热处理强化的变形铝合金时，焊接接头受热循环的作用，焊接接头的软化成为主要问题。本文在前期铝合金焊接工艺研究的基础上，着重研究热处理对焊接接头性能的影响。
本设计选用10mm的6061铝合金，采用Ф1.2mm的ER4043焊丝进行V型坡口对接MIG焊。通过对焊缝成形的分析，选取最佳的焊接工艺参数；采用优化的工艺施焊，并对焊接试样进行热处理，对热处理后的试样进行力学和金相组织分析。实验结果表明，焊接接头的热影响区存在软化现象，通过530℃×25min 固溶处理+160℃×18h时效处理后接头性能得到改善，经历530℃×25min固溶处理+160℃×18h时效处理后焊缝的金相组织主要是α（Al）+β（Mg2Si），且分布较均匀，强化相β（Mg2Si）的分布较为细小分散，起到了弥散强化的作用，焊接接头性能良好；在相同的固溶处理温度，不同时效处理温度的情况下，经530℃×25min固溶处理+100℃×18h时效处理的焊接接头性能良好。试验结果表明，对于铝合金的焊接软化问题，需采取合适的热处理工艺措施来改善。
关键词:铝合金热影响区软化热处理强化相
ABSTRACT
As the alloy has a density smaller than the high strength and good corrosion resistance , electrical conductivity , thermal conductivity, and at low temperatures to maintain good mechanical properties and other characteristics, widely used in aerospace , automotive and defense industries. In the industrial sector , which is connected mainly by welding parts . Aluminum welding due to some characteristics of its own , leading to welding problems , many difficulties .
When welding aluminum deformation after heat strengthened , the welded joint action of heat cycle, the softening of welded joints become a major problem. Based on the preliminary study of aluminum alloy welding process , the effect of heat treatment focuses on the performance of welded joints .
The design uses 6061 aluminum 10mm, using Ф1.2mm the ER4043 welding wire V-groove butt MIG welding. Through the analysis of the weld, select the optimal welding parameters; using optimized process welding, heat treatment and welding samples, the samples after heat treatment the mechanical and microstructure analysis. Experimental results show that the presence of softening the heat affected zone of welded joints by 530℃×25min solution treatment +160℃×18h after aging treatment joint performance improvement, through 530℃×25min solution treatment +160℃×18h aging treatment after the weld microstructure mainly α(Al) + β(Mg2Si), and the distribution is more uniform, strengthe ning phase β(Mg2Si) dispersed distribution of relatively small, played a dispersion strengthening the role of the good performance of welded joints; at the same the solution treatment temperature, under different aging temperature was 530℃×25min solution treatment+100℃×18h aging treatment good performance of welded joints. The test results show that for welding aluminum softening problems, need to take appropriate measures to improve the heat treatment process.
Key words:aluminum;heat affected zone;soften;heat treatment;strengthening phase
目录
摘要.............................................................. I ABSTRACT........................................................... I I 1 绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.1.1 研究背景............................. 错误！未定义书签。
1.1.2 选题的目的及意义 (1)
1.2 铝合金的概述 (4)
1.3 铝合金的热处理工艺简介 (5)
1.4国内外研究现状 (6)
1.5本文的研究内容及意义 (7)
2实验材料、方法及设备 (8)
2.1实验原料、设备及流程 (8)
2.1.1实验原料及仪器设备 (8)
2.1.2实验流程 (9)
2.2 MIG焊接工艺试验方法及设备 (9)
2.2.2焊接设备及操作方法 (10)
2.2.3 MIG焊实验方案设计 (10)
2.3热处理实验方法及设备 (10)
2.3.1热处理实验设备及操作方法 (10)
2.3.2热处理实验方案设计 (11)
2.4金相组织和力学性能实验方法 (12)
2.4.1拉伸实验 (12)
2.4.2金相显微组织分析 (14)
2.4.3硬度实验 (15)
3 热处理试样焊接工艺的选定 (17)
3.1铝合金焊缝成形的影响因素 (17)
3.2焊接参数对焊缝成形的影响 (18)
3.2.1焊接电流对焊缝成形的影响 (18)
3.2.2 焊接速度对焊缝成形的影响 (20)
3.2.3 根部间隙对焊缝成形的影响 (23)
3.3热处理试样焊接工艺的选定 (25)
4实验结果分析与讨论 (26)
4.1焊接接头热处理前后的金相显微组织 (26)
4.2焊接接头热处理前后的拉伸性能及断口分析 (33)
4.3焊接接头热处理前后的硬度分布 (36)
5结论与展望 (41)
5.1结论 (41)
5.2不足与建议 (41)
参考文献 (42)
致谢 (44)
1综述
1.1 引言
我国习惯上称厚度在4.0mm以上的板带钢为中厚板（其中4~20mm 的为中板，20~60mm 的为厚板，60mm以上的为特厚板）。中厚板是国民经济发展所依赖的重要钢铁材料之一，是工业化进程和发展过程中不可缺少的钢铁品种，主要用于建筑工程、机械结构、汽车行业、压力容器、桥梁、锅炉制造、油气输送管线、电厂、核电站、油田等方面，在国民经济中的地位日趋重要。
中厚板有200多年的生产历史，在钢铁生产行业里，中厚板生产是技术密集度高、质量要求高、生产流程长、工艺和装备复杂、生产组织难度大的制造过程。随着我国工业的发展，对中厚板产品，无论从数量上还是从品种质量上都提出了更高的要求。
要满足中厚板多品种、高质量、高技术含量、高附加值的生产要求，了解和掌握中厚板生产方面的理论和管理常识，就必须对中厚板的工艺流程、生产方式、技术设备、力学性能、质量控制等方面的知识有一个全面和系统的认识。
【金属压力加工工艺学】【中厚板生产与质量控制】【中厚板生产】
Visual Basic ,简称VB，是一种面向对象的程序设计语言，是目前Windows 平台上应用最广泛的编程语言之一，其编程系统中采用了面向对象和事件驱动的编程机制，提供了所见即所得的可视化程序设计方法。VB可视化的设计平台、事件驱动的编程机制、面向对象的程序设计、结构化的程序设计语言、友好的集成开发环境、开放的数据库功能与网络支持成功的实现了集程序设计、编辑、运行、调试等多种功能于一体的强大功能。
【Visual Basic 程序设计教程】
压下规程（亦称轧制规程）是指坯料至成品的变形过程。中厚板压下规程主要包括压下制度、速度制度、温度制度和辊型制度。在中厚板生产中，设计和开发合理的压下规程是保证中厚板轧制过程正常运行、提高生产率和产品质量的关键。压下规程优化和设计就是根据钢板的技术要求、原料条件、温度条件和生产设备的实际情况。运用数学公式或图表进行人工计算或计算机计算，来确定各道次的实际压下量、空载辊缝、轧制速度等参数，并在轧制过程中根据实际轧制情况进行适应性修正和处理，达到充分发挥设备潜力、提高产量、保证质量、方便操作、设备安全的目的。
充分考虑具体的生产条件进行设计和校核（是个凑合、修正的过程）再于实
际生产中加以修改和完善。因此，压下规程具有一定的相对性、针对性和灵活性。所谓相对性就是压下规程设计只能做到相对合理，及设计所追求的目标不能完全同时达到，只能在整体上求得合理；针对性是指压下规程设计与具体的生产条件（原料、轧机、车间布置、操作）密切相关，某规程在甲厂是合理的，用于乙厂由于具体条件不同就未必合理；灵活性就是设计压下规程，允许操作人员根据具体情况（轧制温度、轧机负荷等）灵活执行。
中厚板生产工艺流程 原料检查 加热
原料清理 除磷
轧制 矫直 冷却 表面检查修磨 切边
发货 一般用途钢板 入库
力学性能试验
标记
横切
表面尺寸形状检查
发货
定尺切
热处理钢板 正火 矫直 表面尺寸形状检查 力学性能试验 标记 入库 正火 力学性能试验 油漆 抛丸 标记 表面尺寸形状检查 入库 发货 抛丸底层涂料钢板
1.2 选题的目的及意义
1.1.2 选题的目的及意义
用在汽车车身板的铝合金主要有Al-Cu-Mg(2000系)、A1-Mg(5000系)和
Al-Mg-Si(6000系)[3]。6×××系一T4状态板材的屈服强度和抗拉强度与钢材的
强度相近，此外，6000系是可热处理强化合金，在冲压成型后经油漆烘烤，性
能可进一步提高，而且铝合金板材还可直接利用原有的模具和生产线来加工[3]。
对于可热处理强化型的6000系变形铝合金，决定产品最终使用性能的是合
金成型后的热处理制度，其中固溶时效处理是6000系铝合金最主要的热处理制度。由于焊接热循环的作用脱溶相Mg2Si3不断析出聚集成长软化区发生过时效
软化[4]。本文主要研究铝合金的焊后热处理对焊接接头性能的影响，以提高焊接
接头的承载性能。将对铝型材的汽车组件焊接后的热处理措施，提供一定的理论
和技术支持。
1.2 铝合金的概述
在大多数场合下，纯铝的性能不能满足用户的使用要求。为此，生产者通过
向纯铝中添加各种合金元素，以制造出满足不同性能和用途的铝合金。经添加合
金元素的铝合金可加工成加工型材、棒材等，也可以加工成铸件、压铸件等铸造材。铝及铝合金的分类如图1.1所示。
纯铝—1×××，如1050
Al-Mn系—3×××，如3003
非热处理型合金
Al-Si系—4×××，如4043
加工材Al-Mg系—5×××，如5A02
Al-Cu系合金—2×××，如2014
热处理型合金
Al-Mg-Si系合金—6×××，如6061 Al-Zn-Mg-Cu系合金—7×××，如7005 Al-Li系合金—8×××，如8090
铝及铝合金
纯铝系
Al-Si系合金，如ZL102合金
非热处理型合金
Al-Mg系，如ZL103合金
铸造材
Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金
热处理型合金
Al-Cu-Mg–Si系合金，如ZL110合金 Al-Mg-Si系合金，如ZL104合金
Al-Mg-Zn系合金，如ZL305合金
图1.1铝及铝合金分类图
1.3 铝合金的热处理工艺简介
热处理是将金属材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺，其目的在于改变金属的内部组织结构，以改善其性能[5]。
变形铝合金热处理在实际生产中是按生产过程、热处理目的和操作特点来分类的，一般情况下，铝合金加工企业最常用的热处理方法可分为退火、固溶淬火、时效、回归和形变热处理五种基本形式。
（1）退火处理
将铝合金加工材加热到较高的温度（一般为300℃左右），保温一定的时间后随炉冷到室温的工艺称为退火[6]。在退火过程中固溶体会发生分解，固溶体向第二相质点发生聚集，从而达到细化晶粒，均匀组织的目的。
（2）固溶处理
把工件加热到足够高的温度，靠近共晶体的熔点，在该温度下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元最大限度的溶解，这种高温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理[7]。经固溶处理后工件的塑性和强度可以得到不同程度的改善，固溶处理的效果取决于下列是三个因素。
①固溶处理温度。该温度越高，强化元素运动得更剧烈，强化效果更好，通常的固溶处理温度的上限低于合金的过烧结温度，其加热温度的下限应该使强化组元尽可能溶解到固体中[7]。为获得最佳的强化效果，同时又不让合金出现过烧现象，在加热时，有时采用分级加热的方法，即在低熔点共晶温度下进行保温，使其扩散溶解后，再升到更高的温度进行保温和最后的淬火冷却[7,8]。
②保温时间。强化元素的溶解速度决定着保温时间的长短，同时保温时间也取决于合金的种类、成分、组织、成形方法和工件形状及壁厚[8]。
③冷却速度。经加热保温后，若工件遭受的冷却速率越大，固溶体从高温状态保存下来的过饱和度也越高，从而提高工件的力学性能，但同时组织转变所产
生的内应力也越大，可能使工件产生变形。
（3）时效处理
将固溶处理后的工件加热到某一温度，保温一定时间后出炉，在空气中缓慢冷却到室温的工艺称为时效[8]。
时效温度和时间的选择取决于合金对性能的要求、固溶体的过饱和程度、合金的特性以及加工方法等，人工时效可以分为三类：不完全人工时效、完全人工时效和过时效[9]。
铝合金经时效处理时，合金元素沉淀析出的过程大多需要经过以下四个顺序：形成G-P Ⅰ区→形成G-P Ⅱ区→形成亚稳相→形成第二相质点和第二相质点的聚集，这几个阶段并有完全的界限设定，若时效温度选择较低，第一、二步进行的过程较为剧烈，若时效温度选择过高，第三、四步比较剧烈。
1.4国内外研究现状
目前，世界各国开始提倡能源的保护及节约利用，进而引发交通运输工具向轻量化方向发展，或者利用新能源替代。铝合金由于其密度小、比强度高等性能优点，而备受青睐。
铝合金结构件在焊接后产生的焊接缺陷，以及焊接变形一直是工程界普遍存在和关心的问题，国内外研究学者通过借助计算机仿真模拟技术对焊接变形现象进行数值模拟，以从中寻求焊接问题的解决方法。且大量研究主要集中于通过改变焊接方法，以寻求与生产相适应的焊接工艺，对铝合金焊后的热处理工艺研究并不全面。
王亚荣、黄文荣以及雷华东三人研究了焊后热处理对2A14高强铝合金电子束焊接头组织性能影响[10]，其实验结果表明，焊后热处理后，焊缝的组织及性能都因为析出相的弥散强化作用，而使得硬度和强度的显著提高，尤其是焊缝的硬度值大于母材的硬度值。
孙志学研究了热处理方式对接头的影响[11]，得出完全时效和不完全时效对焊缝的显微组织有影响，导致最后力学性能检测的断裂方式不同。
黄艳斐、汪勇等人研究了不同热处理条件下2A12铝合金焊接试样残余应力的影响[12]。实验结果表明，由于受焊接热输入的影响，焊接热影响区出现了晶粒长大，显微硬度降低的现象。经热处理后焊接接头的应力值降低且硬度和强度提高。
由此可知，铝合金焊接接头软化问题的解决，逐步成为学者研究的热点。但没有学者研究具体研究热处理工艺参数的改变，对6061铝合金焊接接头性能的影响。本次课题主要针对的是6系铝合金焊接接头软化问题的解决，并通过热处理措施来提高其力学承载性能，分析其热处理的影响机理。将会为铝合金的焊接，
提供一定的参考依据。
1.5 本文的研究内容及意义
本文通过以200×100×10mm的两块6061铝合金板V形坡口对接MIG焊作为焊接试板，并以其热处理试样为实验研究对象，从而进行以下研究。
（1）制订铝合金6061的焊接工艺，焊接工艺包括焊接层数、焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气体流量的参数选择。并通过焊缝成形试验，得出最佳的焊接工艺参数。
（2）分析变形铝合金焊接后焊接接头性能的变化，分析其软化原因，并提出措施以解决焊接接头的软化。
（3）对比研究不同的热处理措施，对焊接接头性能的影响。调整焊后试样热处理工艺的固溶温度和时效处理温度，并对热处理后的试样进行金相实验、拉伸实验、硬度实验来探究焊后热处理参数的改变对焊接接头的影响，分析其影响机理。
本课题的开展有利于深入掌握焊后热处理工艺知识，并通过实验，掌握铝合金焊接接头力学性能试验标准及分析方法，掌握热处理工艺参数的选择原则及工艺参数优化设计方法等，同时该课题的进行，会提高学生动手能力和独立思考问题、解决问题的能力，深切体会理论与实际之间的转换，为铝合金的热处理工艺等设计开发工作提供一定的参考。
重庆科技学院本科毕业论文 2 实验材料、方法及设备
2实验材料、方法及设备
2.1实验原料、设备及流程
2.1.1实验原料及仪器设备
本试验采用厚度为10mm的热处理型强化铝合金6061T651，6061T651为Al-Mg-Si系合金，该合金具有较好的抗腐蚀性、氧化性，且比强度高，尤其是抗疲劳强度，同时，其焊接性能良好。其化学成分及力学性能如表2.1和表2.2所示。
表2.1 6061铝合金化学成分（%）
牌号化学成分（质量分数）%
Si Fe Mn Mg Cr Zn Ti Al 6061 0.40～0.8 0.7 0.15～0.40 0.15 0.8～1.2 0.25 0.15 余量
表2.26061铝合金的力学性能
牌号抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 硬度/HB 断后伸长率/% 6061 310 276 95 12
本次试验采用的焊丝为含硅5％的合金焊丝ER4043，其化学成分如表 2.3所示。焊丝形貌及规格如图2.1所示。
表2.3ER4043焊丝化学成分（%）
Si Mg Fe Cu Al
5 <0.10 <0.04 <0.05 余量
图2.1 ER4043焊丝形貌