林魯杰，田志騫，陳東方，馬國(guó)龍

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)A6N01S-T5鋁合金對(duì)接接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響

林魯杰1，田志騫1，陳東方1，馬國(guó)龍2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

對(duì)A6N01S-T5鋁合金進(jìn)行一次焊接和三次補(bǔ)焊試驗(yàn)，系統(tǒng)分析補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，焊縫區(qū)由α-Al以及（α-Al+Mg2Si）的偽共晶組織構(gòu)成；隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫區(qū)組織變化不大，熱影響區(qū)產(chǎn)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象形成軟化區(qū)。焊縫區(qū)顯微硬度高于熱影響區(qū)，且隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加熱影響區(qū)范圍增大，顯微硬度值下降；這主要與熱影響區(qū)過(guò)時(shí)效現(xiàn)象加劇有關(guān)。補(bǔ)焊對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度和彎曲性能影響較小，而對(duì)延伸率影響較大；隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，延伸率不斷下降。拉伸試樣均斷裂于熱影響區(qū)，為接頭力學(xué)性能的薄弱部分。

補(bǔ)焊；焊接接頭；微觀組織；力學(xué)性能

0 前言

A6N01屬于可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg-Si系鋁合金，最早是日本在20世紀(jì)80年代為高速列車車體制造開(kāi)發(fā)的材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、焊接性好以及易于成型等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于受鋁合金材料自身物理性質(zhì)的影響，如易氧化、比熱容和熱導(dǎo)率大、熱膨脹系數(shù)高等，焊接過(guò)程中常出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，嚴(yán)重影響高速列車運(yùn)行的安全和壽命[2-3]。因此，在滿足車輛設(shè)計(jì)要求的前提下，為了改善焊縫質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)制造成本，必須對(duì)有缺陷的焊接接頭進(jìn)行補(bǔ)焊。根據(jù)EN15085《軌道車輛及其部件的焊接》鋁合金焊接技術(shù)條件的要求，最多進(jìn)行兩次補(bǔ)焊，補(bǔ)焊會(huì)對(duì)最終焊接接頭質(zhì)量造成影響[4]。在此對(duì)焊接接頭進(jìn)行一次焊接和三次補(bǔ)焊，研究補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用8 mm厚A6N01S-T5型材，焊絲為直徑φ1.6 mm的ER5356，化學(xué)成分如表1所示，保護(hù)氣體為高純氬氣（純度≥99.999%），流量25L/min。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分 %

采用POWERPLUSTM 500焊機(jī)通過(guò)MIG焊，坡口形式如圖1所示，焊接位置為平焊。焊前需進(jìn)行去油和除氧化膜處理。為防止焊接變形，在剛性約束條件下進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓24 V，焊接電流235 A，焊接速度8.3 mm/s。

圖1 焊接接頭坡口形式

焊接及補(bǔ)焊過(guò)程如圖2所示。一次焊接過(guò)程見(jiàn)圖2a，首先焊接焊道A，清根后焊接焊道B。補(bǔ)焊過(guò)程為：切除焊縫B的堆高并重新加工成60°坡口，然后焊接；重復(fù)以上過(guò)程完成第二次、第三次補(bǔ)焊。

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡分析接頭成形和微觀組織；根據(jù)ISO 9501.1《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)—電弧焊接頭硬度試驗(yàn)》要求，采用HXD-1000TM數(shù)字顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，其中加載載荷4.9 N，加載時(shí)間10s。根據(jù)ISO 4136《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)——橫向拉伸試驗(yàn)》規(guī)定制備拉伸試樣，在Instron 5569電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率2 mm/min。根據(jù)ISO 5173《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)》制備三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣，在Instron 5569電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行正彎和背彎試驗(yàn)，彎曲角度180°，試驗(yàn)過(guò)程中支點(diǎn)跨距95 mm，加載速度1 mm/s。

圖2 焊接及補(bǔ)焊過(guò)程示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 微觀組織

A6N01鋁合金和焊絲的主要成分均為Al、Mg、Si三種元素，因此焊縫微觀組織主要由初始相α-Al基體和Mg2Si第二相粒子組成。根據(jù)母材和焊絲化學(xué)成分計(jì)算可得，A6N01鋁合金中w（Mg2Si）＝1.03%，焊絲中w（Mg2Si）＝0.35%，最終獲得的焊縫中Mg2Si含量介于二者之間；根據(jù)圖3可知[5]，Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.91%，這一數(shù)值大于焊縫中Mg2Si的最大含量。若在平衡條件下，熔池將按照相圖中所示的虛線進(jìn)行凝固；而實(shí)際情況下，由于熔池冷速較快，發(fā)生成分偏析，凝固曲線會(huì)向左偏移，超過(guò)Mg2Si在鋁中的溶解度，會(huì)有Mg2Si相析出。所以，實(shí)際的凝固過(guò)程為：

A6N01母材經(jīng)過(guò)T5熱處理，主要由α-Al基體和大量沉淀析出的Mg2Si第二相粒子組成。一次焊接和三次補(bǔ)焊后接頭的微觀組織如圖4、圖5所示。對(duì)于焊縫區(qū)，主要為等軸晶，由α-Al基體和細(xì)小的Mg2Si第二相粒子組成；補(bǔ)焊對(duì)該區(qū)域微觀組織影響不大。對(duì)于熔合區(qū)，熔合線靠近焊縫區(qū)的部分由柱狀晶組成，該部分冷卻速度較快，晶粒在半熔化的母材晶粒聯(lián)生結(jié)晶并擇優(yōu)生長(zhǎng)，形成柱狀晶區(qū)；補(bǔ)焊對(duì)其微觀組織影響不大。對(duì)于熱影響區(qū)，相對(duì)于母材，Mg2Si數(shù)量明顯增多，同時(shí)第二相尺寸稍有增大，具有過(guò)時(shí)效的特點(diǎn)，這是由于在焊接熱循環(huán)作用下，第二相發(fā)生脫溶析出并聚集長(zhǎng)大[6]；對(duì)比圖4a和圖5a可知，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熱影響區(qū)的范圍明顯增大，而這將會(huì)對(duì)焊縫的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。

圖3 偽二元Al-Mg2Si平衡相圖[5]

圖4 一次焊接接頭微觀組織

2.2 顯微硬度

一次焊接和三次補(bǔ)焊后接頭的顯微硬度如圖6所示。焊縫不同區(qū)域的顯微硬度值差別較大，熱影響區(qū)硬度明顯低于焊縫區(qū)。由上述微觀組織的分析可知，由于焊縫區(qū)冷卻速度較快，Mg2Si大部分固溶于基體中起到固溶強(qiáng)化作用，僅有少量析出；熱影響區(qū)則因受到焊接熱循環(huán)的影響，原本人工時(shí)效析出的Mg2Si相重新固溶于基體中，并隨著熱作用重新析出長(zhǎng)大，造成過(guò)時(shí)效，原來(lái)的強(qiáng)化效果減弱。

對(duì)于一次焊接接頭，約在距焊縫中心4.5 mm處進(jìn)入熱影響區(qū)，在10 mm處硬度開(kāi)始急劇增大，因此熱影響區(qū)范圍約為5.5mm。三次補(bǔ)焊后接頭因補(bǔ)焊坡口角度減小，焊縫區(qū)范圍減小，其約在距離焊縫中心4mm處進(jìn)入熱影響區(qū)，在距離焊縫中心10 mm左右硬度值達(dá)到最低，在13 mm處硬度開(kāi)始增大，因此熱影響區(qū)范圍約為9 mm。對(duì)比結(jié)果可知：一方面，隨著焊接次數(shù)的增加，接頭熱影響區(qū)的范圍增大，這是由于鋁合金熱導(dǎo)率高，在不斷受到焊接熱循環(huán)的條件下，熱影響區(qū)的范圍得到擴(kuò)展；另一方面，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熱影響區(qū)的平均顯微硬度也有所降低，這與熱影響區(qū)的過(guò)時(shí)效現(xiàn)象不斷加劇有關(guān)，接頭顯微組織的分析也證明了這一點(diǎn)。

圖5 三次補(bǔ)焊接頭微觀組織

圖6 一次焊接與補(bǔ)焊接頭顯微硬度

2.3 拉伸性能

一次焊接與多次補(bǔ)焊后焊接接頭的力學(xué)性能如圖7所示。一次焊接后，接頭抗拉強(qiáng)度為175.9MPa，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，抗拉強(qiáng)度略有減小，經(jīng)過(guò)三次補(bǔ)焊后抗拉強(qiáng)度為168.7 MPa，僅下降了4.1%；屈服強(qiáng)度表現(xiàn)出相同的規(guī)律。補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)接頭的延伸率影響較大。一次焊接時(shí)接頭的延伸率為7.42%，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，延伸率明顯下降，三次補(bǔ)焊后的延伸率為5.69%，下降幅度達(dá)23.6%。分析認(rèn)為，接頭力學(xué)性能的下降主要與熱影響區(qū)的過(guò)時(shí)效現(xiàn)象有關(guān)，強(qiáng)化相粒子從基體中析出長(zhǎng)大，沉淀強(qiáng)化作用削弱，形成軟化區(qū)，且這一區(qū)域隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加而擴(kuò)大，從而造成力學(xué)性能的不斷降低。焊接接頭的斷裂位置如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)均在熱影響區(qū)斷裂，且斷裂前發(fā)生頸縮，說(shuō)明此處是熱影響區(qū)中的軟化區(qū)，為接頭薄弱的環(huán)節(jié)。

2.4 彎曲性能

接頭彎曲試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：彎曲試樣達(dá)到規(guī)定的彎曲角度180°后，其拉伸面上有長(zhǎng)度大于1.5 mm的任一裂紋或缺陷為不合格。試驗(yàn)結(jié)果表明，一次焊接以及多次補(bǔ)焊后所有的試驗(yàn)件彎曲角度達(dá)到180°時(shí)均未出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明補(bǔ)焊后接頭彎曲性能完全能夠滿足使用要求，彎曲試驗(yàn)后的試樣如圖9所示。

圖7 一次焊接與補(bǔ)焊接頭拉伸性能

圖8 拉伸試件斷裂位置

圖9 彎曲試驗(yàn)后的試件

3 結(jié)論

（1）A6N01S-T5鋁合金MIG焊接對(duì)接接頭焊縫區(qū)由α-Al以及α-Al和Mg2Si的偽共晶組織構(gòu)成；熱影響區(qū)發(fā)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，Mg2Si粒子尺寸增大，形成軟化區(qū)，為接頭力學(xué)性的薄弱部分。

（2）焊縫區(qū)顯微硬度大于熱影響區(qū)；隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熱影響區(qū)的范圍增大，且受過(guò)時(shí)效現(xiàn)象加劇的影響，其平均顯微硬度也降低。

（3）補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度以及彎曲性能的影響較小，拉伸接頭均斷裂于熱影響區(qū)；隨補(bǔ)焊次數(shù)增加，接頭延伸率明顯下降。

[1]劉靜安.日本大斷面鋁合金擠壓型材生產(chǎn)技術(shù)[J].鋁加工，1995，18（5）：17-22.

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[3]韓曉輝.高速列車鋁合金車體焊接缺陷分析及防止措施[J].焊接技術(shù)，2009，38（3）：31-33.

[4]滿伯倩，胡明華，盧碧琨.2A14鋁合金返修焊技術(shù)[J].上海航天，2005（3）：61-64.

[5]Zhang J，F(xiàn)an Z，Wang Y Q，et al.Equlilibrium pseudobinary Al-Mg2Si phase diagram[J].Materials Science and Techology，2110（17）：494-496.

[6]于金朋，張立民，張衛(wèi)華，等.多次焊補(bǔ)對(duì)高速列車鋁合金焊接接頭的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（11）：77-82.

Influence of repair welding times on microstructure and mechanical properties of A6N01S-T5 aluminium alloy

LIN Lujie1，TIAN Zhiqian1，CHEN Dongfang1，MA Guolong2
（1.CCRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

A original welding and three times repair welding were carried out in this paper，and the influences of repair welding time on microstructures and mechanical properties were studied systematically.The results show that the microstructure of weld zone mainly consists of primary α-Al and（α-Al+Mg2Si）pseudoeutectic；repair welding has little influence on the microstructure of weld zone，but further deteriorates the overaging in HAZ zone in which a soft zone is generated.The microhardness of weld zone is higher than that of HAZ zone;increasing repair welding times enlarges the range of HAZ zone，and decreases the microhardness meanwhile.This is mainly attributed to the overaging in HAZ zone.Repair welding time slightly affects on mechanical and bending properties of weld joints，but decreases the enlongation significantly with increasing repair welding times.The fracture occurs in the HAZ zone for all tensile samples，which is the weakest part in weld joints.

repair welding；welding joints；microstructure；mechanical property

TG455

A

1001－2303（2017）02－0093-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.18

2017-01-03

林魯杰（1983—），男，山東青島人，工程師，學(xué)士，主要從事鋁合金焊接技術(shù)的工程和研究工作。

獻(xiàn)

林魯杰，田志騫，陳東方，等.補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)A6N01S-T5鋁合金對(duì)接接頭微觀組織與力學(xué)性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：93-97.