航空用6061鋁合金板材性能驗(yàn)證試驗(yàn)研究

姬 浩 ，段小維

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；2.航空工業(yè)試飛中心，西安 710089）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)及環(huán)控、液壓、燃油等系統(tǒng)用支撐件、油箱、低壓管路等零件普遍采用焊接結(jié)構(gòu)，同時(shí)在水、汽、油等腐蝕介質(zhì)環(huán)境長(zhǎng)期使用，要求材料具有較好的耐蝕性、可焊性。傳統(tǒng)耐蝕可焊鋁合金主要包括Al-Mn系（3XXX）、Al-Mg系（5XXX），而國(guó)外尤其是歐美國(guó)家飛機(jī)耐蝕可焊鋁合金主要采用Al-Mg-Si系（6XXX）。6061鋁合金作為新型耐蝕可焊鋁合金材料，具有較高強(qiáng)度、好的耐蝕性、應(yīng)力腐蝕破裂傾向低、良好的成形性能和工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電力電子和家用電器等領(lǐng)域[1-2]。以往國(guó)內(nèi)飛機(jī)多采用5A02-O和3A21-O防銹鋁合金材料，均屬不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，在退火和冷作硬化狀態(tài)下應(yīng)用。國(guó)外飛機(jī)系統(tǒng)多采用6061-T4和6061-T6鋁合金制造導(dǎo)管,國(guó)內(nèi)只有新型支線(xiàn)飛機(jī)ARJ21-700飛機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)管使用了該牌號(hào)的進(jìn)口材料。6061鋁合金較傳統(tǒng)防銹鋁合金強(qiáng)度高，可以使用壁厚更薄的導(dǎo)管,系統(tǒng)重量會(huì)更小，如國(guó)外燃油系統(tǒng)使用壁厚僅0.7mm的導(dǎo)管，而國(guó)內(nèi)通常使用的是1mm或1.2mm壁厚的防銹鋁導(dǎo)管，比同樣規(guī)格的導(dǎo)管重量減少將近19%[3]。

飛機(jī)導(dǎo)管雖然盡可能采用整管材料來(lái)制造,但由于結(jié)構(gòu)原因，利用整管無(wú)法制造時(shí)，必須采用板材沖壓成彎曲半徑較小的半管，再焊接成管形件[4]。半管制造要求材料的焊接性和延伸性良好，這樣焊接和成形可以較可靠地達(dá)到導(dǎo)管的設(shè)計(jì)要求，否則半管的成形和焊接缺陷由于強(qiáng)度和疲勞原因?qū)е聦?dǎo)管產(chǎn)生裂紋或斷裂，引起介質(zhì)的泄漏，從而危害飛機(jī)安全。盡管6061合金國(guó)內(nèi)民品使用較多，制品品種及規(guī)格也較為廣泛，材料較為成熟，但航空用6061鋁合金從未開(kāi)展過(guò)相關(guān)考核驗(yàn)證等應(yīng)用研究工作。因此，國(guó)產(chǎn)6061鋁合金要在飛機(jī)上應(yīng)用，需要結(jié)合飛機(jī)使用情況，開(kāi)展相關(guān)考核驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證材料的工藝性能、強(qiáng)度性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求、是否與進(jìn)口材料存在差異，在大尺寸條件下的性能是否均勻。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為厚1mm的6061-O態(tài)國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口板材，分別用 6061-O（G）、6061-O（J）表示。6061-O（G）、6061-O（J）板材分別為中鋁西南鋁業(yè)公司、美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)，按照GB/T17432進(jìn)行檢測(cè)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，采用進(jìn)口4043鋁合金焊絲，由美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

選用交流鎢極氬弧焊（TIG）電源，焊接電流50A，焊接速度87mm/min，正面氬氣保護(hù)流量為10L/min，背面保護(hù)5L/min。焊接拉伸試樣沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行對(duì)接TIG焊后，分別熱處理至T42、T62。參照HB5143《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》在焊接件上沿焊縫橫向制取拉伸試樣，如圖1所示，并將加工好的試樣打磨，使表面達(dá)到試驗(yàn)要求的粗糙度。

通過(guò)以往飛機(jī)用各種大規(guī)格管路調(diào)研，選取6061鋁合金典型管路，規(guī)格為φ220mm×1mm，結(jié)構(gòu)形式如圖2。大規(guī)格鋁合金薄壁焊接管路件成形、焊接工藝、熱處理及檢驗(yàn)方法均按照飛機(jī)型號(hào)相關(guān)工藝規(guī)范。成形試驗(yàn)在雙動(dòng)液壓成形設(shè)備上實(shí)施；在耐壓及爆破試驗(yàn)專(zhuān)用強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行耐壓性能評(píng)價(jià)，要求0.9MPa下保壓3min，加壓至爆破失效。

表1 6061鋁合金板材化學(xué)成分 %

表2 4043鋁合金焊絲化學(xué)成分 %

圖1 試樣形狀和尺寸（mm）Fig.1 Dimension and shape of specimen（mm）

圖2 大規(guī)格薄壁焊管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of large size thin-walled tube

2 結(jié)果分析與討論

2.1 焊接性能及組織分析

2.1.1 微觀(guān)組織

圖3為進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)6061-O鋁合金TIG焊接后接頭的微觀(guān)組織，與母材沿軋制方向板條狀組織相比，由于緊靠焊縫熔合區(qū)的熱影響區(qū)受到較強(qiáng)的熱循環(huán)作用，局部區(qū)域的溫度達(dá)到了液相線(xiàn)溫度以上，出現(xiàn)熔化，該區(qū)晶粒經(jīng)歷相對(duì)較高的峰值溫度和較長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間，晶粒長(zhǎng)大較明顯，因此熱影響區(qū)呈現(xiàn)比母材較粗大的柱狀枝晶形態(tài)分布。焊縫金屬區(qū)的微觀(guān)組織呈等軸枝晶形態(tài)分布，這主要是因?yàn)楹附舆^(guò)程中的快速加熱和冷卻使焊縫區(qū)組織細(xì)化。由圖3可知，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)6061-O鋁合金TIG焊縫微觀(guān)組織未見(jiàn)明顯的區(qū)別。

圖3 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口6061-O鋁合金TIG接頭微觀(guān)組織Fig.3 Microstructure of 6061-O aluminum alloy joint by TIG welding

2.1.2 焊接性能分析

圖4顯示了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口6061-O鋁合金焊接后分別從焊態(tài)熱處理至T42態(tài)、T62態(tài)的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。表3為6061-O鋁合金焊接后分別從焊態(tài)熱處理至T42態(tài)、T62態(tài)的拉伸性能數(shù)據(jù)平均值。

從圖4和表3可以看出，國(guó)產(chǎn)6061板材較進(jìn)口材料焊接接頭在相同熱處理狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度高于進(jìn)口材料，屈服強(qiáng)度基本一致。國(guó)產(chǎn)材料焊后處理至T42態(tài)的延伸率略高于進(jìn)口材料，而處理至T62態(tài)則低于進(jìn)口材料。這主要取決于焊接接頭經(jīng)不同熱處理后，接頭第二相粒子的形貌、尺寸和分布，與固溶和自然時(shí)效的T42熱處理相比，經(jīng)固溶和人工時(shí)效的T62焊接接頭第二相粒子較細(xì)小且呈彌散分布，拉伸變形過(guò)程中對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，彌散強(qiáng)化作用較強(qiáng)，因此T62接頭的強(qiáng)度較高，但延伸率降低。相同熱處理狀態(tài)國(guó)產(chǎn)6061鋁合金板材的拉伸強(qiáng)度高于進(jìn)口材料，是由于進(jìn)口材料焊接接頭熱處理后第二相粒子較粗大，受到外力作用時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，接頭材料未達(dá)到完全塑性變形而提前發(fā)生斷裂，因此國(guó)產(chǎn)材料焊后熱處理T42態(tài)材料的拉伸強(qiáng)度和延伸率均較高。

從表4[5]可以看出，傳統(tǒng)防銹可焊鋁合金材料的焊接接頭連接效率大多在90%～95%之間，6061鋁合金板材材料焊接接頭熱處理至T42、T62態(tài)分別可達(dá)95%、92%，與傳統(tǒng)防銹鋁合金相當(dāng)。

圖4 6061-O鋁合金焊接接頭熱處理至T42態(tài)、T62態(tài)的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Typical tensile strain-stress curves of 6061-O aluminum alloy welded joint after T42 and T62 treatment

表3 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)6061-O鋁合金焊后在T42、T62態(tài)接頭的拉伸性能

2.1.3 斷口的掃描電鏡分析

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口板材T42態(tài)和T62態(tài)TIG焊接接頭斷裂均位于熱影響區(qū)，因?yàn)槭艿酵饫燧d荷作用時(shí)，熱影響區(qū)的粗大柱狀枝晶拉應(yīng)力首先達(dá)到其相對(duì)較低的許用應(yīng)力，萌生裂紋且裂紋長(zhǎng)大阻力較小。T42和T62兩種狀態(tài)接頭微觀(guān)斷口形貌類(lèi)似，這里僅以T62態(tài)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖5顯示了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口6061鋁合金在熱處理狀態(tài)T62焊接接頭與載荷呈45°拉伸試樣斷裂后斷口的微觀(guān)照片。掃描電鏡分析表明，拉伸斷口的形貌都是典型的微觀(guān)韌窩形貌，其韌窩呈等軸狀且較深，最終斷裂區(qū)呈現(xiàn)拉長(zhǎng)的拋物線(xiàn)狀韌窩，且韌窩底部存在強(qiáng)化相粒子發(fā)生二次斷裂，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)板材焊接接頭的微觀(guān)斷口組織未見(jiàn)明顯區(qū)別。另外，無(wú)論國(guó)產(chǎn)6061板材還是進(jìn)口材料，與傳統(tǒng)防銹鋁合金3A21，以及其同系鋁合金6082的斷口形貌也基本一致[6-9]。

表4 6061與5A02、5A03、5A06、3A21鋁合金熔焊對(duì)接接頭力學(xué)性能對(duì)比

圖5 6061鋁合金板材T62焊接接頭斷口微觀(guān)形態(tài)Fig.5 Fracture morphology of the welded joint of the national 6061 aluminum alloy sheet after T62 treatment

2.2 拉深成形試驗(yàn)

6061鋁合金φ202mm×1mm大規(guī)格薄壁焊管半片拉深成形及后續(xù)焊接為整管的工藝路線(xiàn)為：在合適的壓邊力和潤(rùn)滑條件下，采用雙動(dòng)拉深成形機(jī)對(duì)板料進(jìn)行拉深成形，采用拉深模對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，配套胎修整，后配套切割留余量，經(jīng)酸洗及熒光滲透檢驗(yàn)后，定位焊接修配，而后去余量焊接，最后實(shí)施X射線(xiàn)檢測(cè)。圖6為半片拉深成形及焊接完成后的結(jié)果。對(duì)焊接后的彎管進(jìn)行幾何尺寸的檢測(cè)表明，符合圖紙要求。

圖7所示為利用超聲測(cè)厚儀在直徑202mm的大口徑焊管的外弧焊縫附近、內(nèi)弧焊縫附近、中心線(xiàn)弧附近分別測(cè)量?jī)煞N管材壁厚的變化。

測(cè)量結(jié)果如圖8所示，可以看出國(guó)產(chǎn)材料與進(jìn)口材料的大口徑焊管在壁厚分布上有一定差別，進(jìn)口材料的壁厚分布較為平穩(wěn)，在內(nèi)弧焊縫附近的增厚程度略大，外弧焊縫附近減薄程度較小。

2.3 耐壓試驗(yàn)結(jié)果分析

φ202mm×1mm大規(guī)格薄壁管的耐壓爆破試驗(yàn)后的實(shí)物如圖9所示。φ202mm×1mm管之所以在內(nèi)側(cè)出現(xiàn)破壞，是由于在進(jìn)行液壓爆破試驗(yàn)時(shí)，材料的破壞極限主要取決于（2t/D）×σb（式中，σb為材料的抗拉強(qiáng)度）[10]。從該經(jīng)驗(yàn)公式可知，外徑越大，壁厚越薄，能夠承受的破壞極限值越小。從測(cè)試報(bào)告的爆破試驗(yàn)結(jié)果可知，φ202mm×1mm焊接彎管出現(xiàn)了明顯的破壞，并且據(jù)實(shí)物觀(guān)測(cè)，斷裂位置均產(chǎn)生于彎管內(nèi)弧位置。另外，從實(shí)際的爆破壓力值可知，進(jìn)口材料的失效壓力與國(guó)產(chǎn)材料相比并無(wú)太大區(qū)別，但國(guó)產(chǎn)材料T42態(tài)爆破壓力值相對(duì)波動(dòng)較大（圖10）。

圖6 半管件及最終試件Fig.6 Specimens of semicanal and final tube

圖7 管材壁厚測(cè)量位置Fig.7 Measuring position of wall thickness of tube

圖8 不同材料大規(guī)格焊管壁厚分布Fig.8 Wall thickness distribution of large size of welded tuble with different materials

圖9 進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)6061-T62態(tài)管耐壓爆破后實(shí)物Fig.9 Specimens of domestic and imported 6061-T62 tube after bursting

圖10 6061-T42態(tài)管爆破壓力值對(duì)比Fig.10 Comparison of bursting pressures of 6061-T42 tube

3 結(jié)論

（1）國(guó)產(chǎn)6061板材焊接接頭連接效率可達(dá)90%以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，與傳統(tǒng)防銹鋁相當(dāng)，與同規(guī)格進(jìn)口材料比較，拉伸強(qiáng)度較高，T42態(tài)延伸率略低。

（2）通過(guò)拉深成形，可以制造幾何尺寸及外形均符合項(xiàng)目圖紙的φ220mm×1mm大規(guī)格薄壁焊接管件，但國(guó)產(chǎn)管材成形后減薄率、均勻性與進(jìn)口材料有一定差距。

（3）耐壓爆破試驗(yàn)表明，獲得的性能數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)壓力，但進(jìn)口材料薄壁管失效爆破壓力的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于國(guó)產(chǎn)材料，飛機(jī)選用國(guó)產(chǎn)薄板時(shí)，應(yīng)根據(jù)其性能特點(diǎn)，盡量用于承壓較低且壓力平穩(wěn)的管路。

參 考 文 獻(xiàn)

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