段浩偉，田愛(ài)琴，馬傳平，付正鴻

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

不同焊絲對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

段浩偉1，田愛(ài)琴1，馬傳平2，付正鴻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.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

采用ER5356、ER5183和ER5087焊絲對(duì)A7N01S-T5鋁合金進(jìn)行MIG焊接，分析接頭力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，三種焊絲的接頭焊接殘余應(yīng)力大小基本相當(dāng)；采用ER5183焊絲焊接的接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最高，且彎曲性能良好，原因是接頭內(nèi)氣孔量較少；采用ER5356焊絲焊接的接頭焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功最高，ER5087焊絲接頭焊縫和熱影響區(qū)沖擊功則低得多。綜合來(lái)看，ER5183焊絲與A7N01S-T5鋁合金的匹配性更好。

焊絲；A7N01S-T5；MIG焊；氣孔

0 前言

A7N01鋁合金屬Al-Zn-Mg系鋁合金，因其良好的力學(xué)性能和焊接成型性能被廣泛用于高速列車底架、枕梁和端墻梁柱的制造[1]。目前高速列車用A7N01鋁合金材料大多采用MIG焊接成形，使用的焊絲牌號(hào)主要有ER5356、ER5183和ER5087等，焊絲成分之間存在一定差異[2]。

目前已有較多文獻(xiàn)研究焊絲成分對(duì)鋁合金焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響。易杰等人[3]研究指出，采用ER5356焊絲雙脈沖MIG焊接的6061-T6鋁合金接頭性能和組織均優(yōu)于ER4043焊絲，原因是ER5356焊絲中Mg的加入。劉文輝等人[4]指出，ER2319比ER5356對(duì)2519A和7A52異種鋁合金接頭具有更好的匹配性，主要原因是Ti和Zr的加入形成了Al3Ti和Al3Zr，促進(jìn)熔池凝固過(guò)程中的非均勻形核。趙志浩等人[5]具體分析ER5356焊絲中Sc、Zr、Er對(duì)7A52鋁合金焊接性能的影響。還有一些學(xué)者認(rèn)為不同焊絲接頭性能差別的原因是焊絲中微量元素對(duì)焊縫冶金過(guò)程的改變[6-8]。而關(guān)于A7N01鋁合金焊接使用較多的ER5356、ER5183和ER5087等焊絲的MIG焊接接頭組織與性能之間的差別，目前鮮有報(bào)道。

本研究針對(duì)A7N01S-T5鋁合金，比較ER5356、 ER5183和ER5087三種焊絲的MIG焊對(duì)接接頭力學(xué)性能之間的差別。

1 材料及試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)?zāi)覆臑橛筛邷爻尚瓦^(guò)程冷卻，然后進(jìn)行人工時(shí)效的A7N01S-T5鋁合金，焊絲材料為大西洋的φ1.6 mm ER5356焊絲、φ1.6 mm ER5183焊絲和φ1.2 mm 5087焊絲。母材及焊絲的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及焊絲主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of base metal and welding wire %

焊接試板尺寸均為400 mm×150 mm×10 mm，使用KEMPPI KempArc-450脈沖MIG焊機(jī)進(jìn)行焊接。接頭采用V型坡口，單邊坡口角度35°，鈍邊1 mm，焊接間隙1.2 mm。焊接前先打磨干凈焊接坡口及附近區(qū)域，去除表層油漬和氧化膜。采用雙脈沖MIG焊進(jìn)行平焊對(duì)接，ER5356焊絲和ER5183焊絲共焊兩道，一道打底，一道蓋面；而ER5087焊絲焊三道，一道打底，一道填充，一道蓋面。保護(hù)氣體使用99.999%高純氬，氣體流量30 L/min。具體焊接參數(shù)如表2所示。焊接過(guò)程中，控制焊接參數(shù)，保證三種焊絲焊接過(guò)程中總熱輸入基本相同，減小三種焊絲因直徑差別對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的干擾。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

試板焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行X射線無(wú)損探傷。對(duì)探傷合格的試板首先進(jìn)行超聲波法殘余應(yīng)力測(cè)定。按照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》切取矩形拉伸試樣，試樣標(biāo)距100 mm，拉伸速率5 mm/s。按照GB/T 2635-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》切取彎曲試樣，試樣均以焊縫為中心，試樣尺寸240 mm×20 mm×10 mm，壓頭直徑選擇為彎曲試樣厚度的4倍，跨距略大于6倍彎曲試樣厚度。按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》切取V形缺口沖擊試樣，開(kāi)口位置分別在焊縫、熱影響區(qū)和母材。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織

利用倒置顯微鏡 Axio Observer A1m觀察ER5356、ER5183和ER5087的焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、熔合線的金相組織，分析不同焊接材料對(duì)焊接接頭組織的影響。室溫下采用混合酸（體積比H2O∶HCl∶HNO3∶HF=95∶1.5∶2.5∶1）腐蝕金相試樣。不同焊接接頭各區(qū)域金相組織如圖1所示，由于所用母材為同一批材料，所以母材組織不做比較。圖1a、1b、1c為三種接頭的焊縫微觀組織，焊縫組織屬于典型的鑄造組織，晶粒較粗大，焊縫中心處的組織為鑄態(tài)的等軸晶，而靠近熔合線附近枝晶則較為發(fā)達(dá)，呈柱狀排列[9]。圖1d、1e、1f為熔合線附近區(qū)域，是焊縫和熱影響區(qū)的明顯區(qū)分線，在靠近熔合線的半熔化區(qū)分布著大量連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀共晶體，晶內(nèi)有細(xì)小的彌散相。在熔合線處，母材的晶粒會(huì)發(fā)生部分熔化，形成固態(tài)表面。在熔合區(qū)中，第二強(qiáng)化相粒子容易沿晶粒間界呈團(tuán)聚狀析出，并且分布不均，產(chǎn)生部分偏析，這是導(dǎo)致熔合區(qū)性能較差的主要原因。圖1g、1h、1i為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)保留了母材的部分特征，由于焊接時(shí)受到熱循環(huán)作用，晶粒會(huì)比母材的粗大，由于偏析等原因，熱影響區(qū)中未溶解的強(qiáng)化相有聚集長(zhǎng)大的傾向[10]。

2.2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

利用超聲波法對(duì)試板中部沿垂直焊縫方向進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖1 不同焊接材料的焊接接頭金相組織Fig.1 Microstructure of welded joints of different welding materials

對(duì)比分析可知，沿垂直焊縫長(zhǎng)度方向的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力相差不大，ER5356、ER5183和ER5087的焊接接頭的縱向最大殘余拉應(yīng)力分別為140 MPa、165 MPa、142 MPa，最小殘余壓應(yīng)力分別是-70 MPa、-71 MPa、-78 MPa；橫向最大殘余拉應(yīng)力值分別為158 MPa、157 MPa、142 MPa，靠近邊緣處的值接近0。三種焊絲的焊接接頭的殘余應(yīng)力在規(guī)律和大小上保持了高度的一致性。另外，可以看出在圖2中左側(cè)的殘余應(yīng)力峰值均低于右側(cè)。

2.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

每種焊絲接頭切取3個(gè)平行試樣，以3個(gè)平行試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。拉伸試驗(yàn)中，所有接頭的斷裂位置均處于焊縫，說(shuō)明焊縫仍然是接頭中力學(xué)性能薄弱部位。三種焊絲焊接接頭和母材的抗拉強(qiáng)度平均值如圖3所示。母材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到393 MPa，強(qiáng)度較高；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，ER5183焊絲焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值高于另外兩種焊絲所得接頭的，達(dá)到286.7 MPa，ER5356焊絲所得接頭強(qiáng)度平均值則略低于ER5183焊絲所得接頭，為275.2 MPa，ER5087焊絲所得接頭抗拉強(qiáng)度平均值最低，僅為265.5 MPa。

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Fig.2 Result of residual stress test

圖3 抗拉強(qiáng)度均值比較Fig.3 Compare of tensile stress

斷后伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度基本相同，如圖4所示。三種焊絲所得接頭中，ER5183斷后伸長(zhǎng)率最高，達(dá)到6.54%；其次為ER5356，達(dá)6.04%；ER5087最低，僅為5%。

接頭系數(shù)表征焊接接頭強(qiáng)度被削弱的程度，指接頭強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比值。ER5183焊絲所得接頭的接頭系數(shù)最高，達(dá)到0.73，ER5356和ER5087焊絲所得接頭接頭系數(shù)分別為0.70和0.68。

拉伸試驗(yàn)后，三種接頭的斷口在掃描電鏡下的形貌如圖5所示。ER5356和ER5087焊絲所得接頭斷面上氣孔（圖中圓圈中為氣孔）較多，ER5087焊絲所得接頭氣孔相對(duì)較多且尺寸較大，而ER5183焊絲所得接頭斷面上氣孔則非常少。

圖4 斷后延伸率比較Fig.4 Elongation after fracture

2.4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

彎曲成型過(guò)程中，外側(cè)壁減薄、破裂是型材達(dá)到成型極限的表現(xiàn)，可以作為塑性不好的型材彎曲變形能力的判據(jù)[11]。每種焊絲所得接頭選取3個(gè)平行試樣。經(jīng)過(guò)彎曲試驗(yàn)，ER5356和ER5087焊絲所得接頭在彎曲過(guò)程中均發(fā)生了斷裂，而ER5183焊絲所得接頭在彎曲過(guò)程中未發(fā)生斷裂，說(shuō)明ER5183焊絲所得接頭具有較好的塑性和抗裂紋能力。ER5356和ER5087焊絲所得接頭與拉伸試驗(yàn)斷口一樣，斷口表面有較多的氣孔，ER5356焊絲所得接頭氣孔尺寸相對(duì)較大，而ER5087焊絲所得接頭斷口上氣孔分布較多且尺寸較大。

圖5 拉伸試驗(yàn)斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of tensile fracture

2.5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

三種焊絲所得接頭的焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，每種焊絲接頭取3個(gè)平行試樣。由圖6可知，三種焊絲所得接頭熱影響區(qū)均具有相對(duì)母材和焊縫更高的沖擊功，這是因?yàn)樵搮^(qū)域在焊接過(guò)程中發(fā)生淬火和過(guò)時(shí)效等現(xiàn)象，使該區(qū)域具有良好的塑性；焊縫沖擊功最低，與該區(qū)域存在較多的焊接冶金缺陷和組織狀態(tài)有關(guān)。

圖6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of impact test in deffirent area

具體來(lái)看，ER5356焊絲所得接頭的焊縫和熱影響區(qū)具有最高的沖擊功，分別為23.67J和46.67 J；ER5183焊絲所得接頭焊縫和熱影響區(qū)沖擊功值略低，分別為22.67 J和41.67 J；ER5087焊絲所得接頭焊縫和熱影響區(qū)沖擊功值最低，分別為16.67 J和34.33 J，與前兩種焊絲接頭相比，焊縫和熱影響區(qū)沖擊功值降低較為明顯。

3 分析討論

焊接殘余應(yīng)力的大小主要受到焊接過(guò)程中熱輸入、夾具約束以及焊縫填充材料凝固過(guò)程的影響。試驗(yàn)所選三種焊絲均屬于Al-Mg系焊絲，其化學(xué)成分差別不大。在焊接過(guò)程中，雖然三種焊絲直徑上有一定差別，但通過(guò)控制焊接參數(shù)使其熱輸入量基本相同，夾具約束條件也基本一致，因而在殘余應(yīng)力上并未表現(xiàn)出明顯差別。對(duì)于不同系焊絲是否會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果還需進(jìn)一步的試驗(yàn)探討。圖2中左側(cè)的殘余應(yīng)力峰值均低于右側(cè)，可能是由于試板左右兩邊剛性拘束的差異造成的。焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，從起弧往收弧處看去，試板左側(cè)固定較好，而右側(cè)則發(fā)生變形翹起了一定的角度，右側(cè)試板正好對(duì)應(yīng)圖中的左側(cè)測(cè)量點(diǎn)。

在拉伸斷口和彎曲斷口上，ER5356焊絲接頭斷面上可以觀察到一些尺寸較大的氣孔，ER5183焊絲接頭上氣孔量較少，ER5087焊絲接頭上的氣孔數(shù)量較前兩者多且尺寸較大。由于三種焊絲的鎂含量較高，鎂對(duì)氧的親和力較大，在焊接過(guò)程中，鎂容易與水反應(yīng)生產(chǎn)疏松的氧化物而置換出水中的氫，導(dǎo)致氣孔傾向增加。由表1可知，ER5356焊絲的名義鎂含量最高，所以在同等條件下氣孔傾向更大，焊后氣孔數(shù)量較多；但又由于ER5087焊絲直徑為1.2 mm，當(dāng)焊接較厚鋁板時(shí)，選用較細(xì)的焊絲氣孔的傾向增加，所以ER5087獲得的接頭氣孔比其他兩種細(xì)焊絲多[12]。當(dāng)接頭中存在氣孔時(shí)，在外部載荷作用下，數(shù)量較多的氣孔可以連接成為氣孔群缺陷，并演化為微裂紋，嚴(yán)重降低接頭強(qiáng)度。這導(dǎo)致在拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)結(jié)果中，ER5183焊絲接頭具有最好的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和抗彎性能，ER5356焊絲接頭次之，ER5087焊絲接頭最差。

4 結(jié)論

（1）ER5183、ER5356、ER5087三種焊絲所焊接頭焊接殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)一致，峰值相近，差異不大。

（2）采用ER5183焊絲能獲得最好的強(qiáng)度和塑性，ER5356次之，ER5087最差；沖擊韌性則是ER5356最好，ER5183次之，ER5087最差。

（3）在掃描電鏡下，ER5087焊絲接頭斷口上的氣孔數(shù)量較多且尺寸較大；ER5356焊絲接頭斷口上氣孔數(shù)量相對(duì)較少，但氣孔直徑相對(duì)較大；ER5183焊絲接頭斷口上則只有少量的氣孔。

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Effect of different welding wire on the mechanical properties of A7N01 aluminum alloy welded joint

DUAN Haowei1，TIAN Aiqin1，MA Chuanping2，F(xiàn)U Zhenghong2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A7N01-T5 aluminum alloy was welded by ER5356，ER5183 and ER5087 wire，and the mechanical properties were analyzed. The results show that the residual stress of these three joints are similar；the ER5183 wire joint has the highest tensile stress and elongation after fracture and the best bending property which are resulted by the low number of welding blowholes in the joints；ER5356 wire joint has the highest impact energy in its weld seam and heat affected zone while the value of ER5087 wire joint is much lower. Taken together，ER5183 wire has a better matching with A7N01-T5 aluminum alloy.

welding wire；A7N01S-T5；MIG welding；welding blowhole

TG407

A

1001－2303（2017）05－0016-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.04

2017-01-16

段浩偉（1978—），男，工程師，學(xué)士，主要從事高速列車車體結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)工作。E-mail：sf-duanhaowei@ cqsf.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：段浩偉，田愛(ài)琴，馬傳平，等.不同焊絲對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：16-21.