朱志民 董 強(qiáng) 許鴻吉

(①中車-南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；②大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

近些年來，隨著高鐵的飛速發(fā)展，高速列車的輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代化的重要發(fā)展方向[1]。為此，最近幾年我國已成功開發(fā)出了200 km/h、350 km/h的鋁合金高速列車，在高速列車上大量采用了5系列、6系列、7系列鋁合金。但是由于鋁合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等焊接缺陷，且焊接熱循環(huán)也會(huì)對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)較寬，從而造成力學(xué)性能降低[2-4]。當(dāng)焊縫中出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)的焊接缺陷時(shí)，需要去除焊縫金屬，然后對(duì)焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，因此研究補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)A7N01P-T4鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，對(duì)于提高我國鋁合金高速列車和城軌車輛車體焊接接頭的焊接質(zhì)量和制造水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。

本文深入研究了不同MIG焊接工藝對(duì)高速列車用A7N01P-T4鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，以確定A7N01P-T4鋁合金焊接接頭的合理焊接工藝，為A7N01P-T4鋁合金結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為A7N01P-T4鋁合金，焊接試板的尺寸為300 mm×300 mm×4 mm。采用MIG焊單道焊接工藝，焊接材料為φ1.2 mm的ER5356焊絲，采用保護(hù)氣體為99.9%氬氣。試驗(yàn)材料和焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2，焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量成分%)

牌號(hào)SiFeCuMnMgCrZnTiAlA7N01P-T4≤0.3≤0.350.20.2～0.71.0～2.0≤0.34.0～5.0≤0.2余量ER53560.250.40.10.5～0.20.05～0.20.05～0.20.10.06～0.2余量

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

牌號(hào)屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa伸長率A5/(%)A7N01P-T4≥195≥315≥10ER535611024017

對(duì)4 mm厚A7N01P-T4鋁合金板對(duì)接接頭進(jìn)行焊接，采用70°V型坡口，坡口尺寸如圖1所示；然后分別進(jìn)行不補(bǔ)焊、1次補(bǔ)焊、2次補(bǔ)焊、3次補(bǔ)焊和4次補(bǔ)焊的對(duì)接工藝試驗(yàn)，補(bǔ)焊時(shí)采用機(jī)械加工的方法將原有的焊縫剔除，距熔合線留1 mm的余量，坡口形式同圖1所示。4 mm對(duì)接焊工藝參數(shù)見表3。

焊后試件均進(jìn)行外觀檢測(cè)、射線探傷，然后對(duì)檢驗(yàn)合格的試板進(jìn)行機(jī)械加工取樣(拉伸試樣、彎曲試樣以及顯微硬度試樣)。拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)分別按照ISO 4136-2001標(biāo)準(zhǔn)和ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)均在型號(hào)為WDW-300kN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，彎曲試驗(yàn)采用2個(gè)面彎和2個(gè)背彎試樣，壓頭直徑為40 mm；本

次研究選用維氏硬度。根據(jù)GB/T 4342-1991《金屬顯微維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)》，利用FM-700型顯微硬度儀測(cè)量焊接接頭表面(包括母材和熱影響區(qū))的維氏硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf(1.96 N)，保持時(shí)間15 s，步長為200 μm和500 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無損檢測(cè)試驗(yàn)

未補(bǔ)焊、一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊試板表面無裂紋等外觀缺陷。射線檢測(cè)結(jié)果表明：不同補(bǔ)焊次數(shù)下的4 mm A7N01P-T4鋁合金對(duì)接試件焊縫中均有不同程度的氣孔缺陷，但根據(jù)ISO 10042-2005B《鋁及其可焊合金電弧焊縫—質(zhì)量缺陷等級(jí)指南》標(biāo)準(zhǔn)，不同補(bǔ)焊次數(shù)4 mm A7N01P-T4鋁合金焊對(duì)接接頭焊縫的氣孔等級(jí)為B級(jí)和C級(jí)，無超標(biāo)氣孔，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 焊接工藝參數(shù)

試件號(hào)焊補(bǔ)次數(shù)焊道數(shù)焊接規(guī)范電流/A電壓/V時(shí)間/s氣體流量/(L/min)線能量/(kJ/cm)B-00113021.345244.15B-11113120.944244.02B-32113621.743244.03B-43113320.644244.02B-5411342144244.13

2.2 拉伸試驗(yàn)

分別對(duì)未補(bǔ)焊、一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試件號(hào)補(bǔ)焊次數(shù)Rm/MPa平均值/MPaR p0.2/MPa平均值/MPaA/(﹪)平均值/(﹪)Z/(﹪)平均值/(﹪)斷裂位置B0-1B0-20320.93318.25319.59210.39212.79211.595.084.965.0228.3110.8519.58焊縫焊縫B1-1B1-21296.93295.96296.45189.67216.09202.885.282.964.1223.6415.1619.40焊縫焊縫B2-1B2-22287.71300.11293.91191.31214.11202.713.64.363.9819.215.4717.34焊縫焊縫B3-1B3-23292.65292.56292.61189.1195.72192.412.683.963.328.0611.9810.02焊縫焊縫B4-1B4-24305.37288.69297.03200.77194.25197.505.044.684.8614.7816.3815.58焊縫焊縫

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO15614-2，處于焊接后狀態(tài)的焊接試樣的抗拉強(qiáng)度Rm(w)應(yīng)滿足要求：Rm(w)≥Rm(pm)×T；其中，Rm(w)為處于焊接后狀態(tài)的焊接試樣的抗拉強(qiáng)度；Rm(pm)為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所要求的母體材料抗拉強(qiáng)度的最低規(guī)定值；T為焊接接頭效率系數(shù)。對(duì)于A7N01P-T4鋁合金來說，T=0.95，依據(jù)表2，Rm(pm)=315 MPa。故Rm(w)≥315MPa×0.95=299.25 MPa。由表4可知，A7N01P-T4鋁合金對(duì)接(4 mm)接頭的不補(bǔ)焊、一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊和四次補(bǔ)焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為319.59 MPa、296.45 MPa、293.91 MPa、292.61 MPa、297.03 MPa，只有不補(bǔ)焊的抗拉強(qiáng)度大于299.25 MPa，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭拉伸試件斷口掃描照片如圖2所示，由于各區(qū)域掃描圖片相類似，所以只以未補(bǔ)焊斷口掃面圖片為例。

A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭部分拉伸試件的斷裂位置均在焊縫處，分別對(duì)部分不補(bǔ)焊及一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)拉伸試件的斷口進(jìn)行全貌、邊緣以及中心的掃描。從圖2的掃描照片結(jié)果可以看出，所有斷口的全貌均呈纖維狀，并伴隨有氣孔分布在斷口處。無論是斷口的邊緣還是中心，斷口由許多大小不一的淺韌窩組成，而且斷口中心處的韌窩尺寸較大。拉伸試件的斷口掃描分析也表明：4 mm A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭拉伸試件斷裂位置均在焊縫，除了焊接材料強(qiáng)度級(jí)別較低外，也與焊縫中存在氣孔有關(guān)。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：4 mm的不同補(bǔ)焊次數(shù)的A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度，除不補(bǔ)焊時(shí)強(qiáng)度系數(shù)能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大于0.95的要求，而一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊和四次補(bǔ)焊的強(qiáng)度系數(shù)均小于0.95，但均大于0.92，隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，接頭抗拉強(qiáng)度的變化不大；隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，接頭的屈服強(qiáng)度有所降低；伸長率均未超過6%，且隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，伸長率的變化不大。另外，所有拉伸試件均斷于焊縫，而沒有從受多次補(bǔ)焊影響的焊接熱影響區(qū)(尤其是軟化區(qū))破壞，主要是由于采用了強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料所致，焊縫中存在少量氣孔也是拉伸試件均斷于焊縫的一個(gè)原因。

2.3 硬度試驗(yàn)

圖3為A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)的硬度曲線對(duì)比圖。

從圖3中可以看到，焊縫的硬度大大低于熱影響區(qū)和母材，這是因?yàn)锳7N01P-T4鋁合金對(duì)接時(shí)，焊縫的填充材料選用的是ER5356焊絲，強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材，焊縫中心的硬度最低，所以拉伸試件斷裂發(fā)生于此處。距離焊縫中心越遠(yuǎn)，硬度值越高，熔合線附近區(qū)域的硬度梯度最大，性能發(fā)生突變，說明在熔合線附近性能很不均勻。

從圖3中還可以看出，不補(bǔ)焊時(shí)，焊縫硬度為83～87 HV，熔合線硬度為114 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)的硬度為112～124 HV，無明顯軟化現(xiàn)象；一次補(bǔ)焊時(shí)，焊縫硬度為72～83 HV，熔合線硬度為109 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度為118～131 HV，無明顯軟化現(xiàn)象；二次補(bǔ)焊時(shí)，焊縫硬度為83～86 HV，熔合線硬度為114 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度為120～132 HV，無明顯軟化現(xiàn)象；三次補(bǔ)焊時(shí)，焊縫硬度為72～77 HV，熔合線硬度為108 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度為111～121 HV，無明顯軟化現(xiàn)象；四次補(bǔ)焊時(shí)，焊縫硬度為77～82 HV,熔合線硬度為113 HV，熱影響區(qū)至母材區(qū)硬度為112～125 HV，無明顯軟化現(xiàn)象。由此可見，A7N01P-T4鋁合金4 mm對(duì)接時(shí)，不補(bǔ)焊和一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)的軟化現(xiàn)象并不明顯。

A7N01P-T4鋁合金為熱處理強(qiáng)化鋁合金，在焊接時(shí)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象主要原因是熱影響區(qū)在焊接的高溫作用下強(qiáng)化相脫溶析出并聚集長大，使強(qiáng)化效果減弱，產(chǎn)生“過時(shí)效”現(xiàn)象，并形成軟化區(qū)，在該域內(nèi)的硬度會(huì)有所下降。

A7N01P-T4鋁合金4 mm對(duì)接時(shí)采用的是單道焊，只有一次熱輸入，熱影響區(qū)在焊接高溫作用下的時(shí)間很短，熱輸入量不足，強(qiáng)化相還來不及析出長大，因此在不補(bǔ)焊時(shí)的軟化現(xiàn)象不明顯，在進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，每次補(bǔ)焊都是將之前的焊縫部分距熔合線以外1 mm的部分用機(jī)械加工的方法切除，然后再次焊接，每次補(bǔ)焊時(shí)填充的熔敷金屬均為ER5356焊絲，因此一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)A7N01P-T4鋁合金4 mm對(duì)接接頭熱影響區(qū)承受的焊接熱輸入量與不補(bǔ)焊時(shí)相似，前一次補(bǔ)焊對(duì)后一次補(bǔ)焊時(shí)熱影響區(qū)的影響也不大，因此一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)A7N01P-T4鋁合金4 mm對(duì)接接頭的軟化現(xiàn)象也不明顯。

綜上可知，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫處硬度無明顯變化，均在70～90 HV范圍內(nèi)波動(dòng)。一次補(bǔ)焊和二次補(bǔ)焊時(shí)熱影響區(qū)至母材區(qū)的硬度較高，均在115～135 HV范圍內(nèi)波動(dòng)，而不補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊和四次補(bǔ)焊時(shí)熱影響區(qū)至母材區(qū)的硬度較低，均在110～125 HV范圍內(nèi)波動(dòng)，可見不補(bǔ)焊和多次補(bǔ)焊時(shí)A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭的硬度值較低，而不補(bǔ)焊和一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭的軟化現(xiàn)象均不明顯。

2.4 顯微金相試驗(yàn)

圖4為A7N01P-T4鋁合金不同補(bǔ)焊次數(shù)下對(duì)接母材的顯微組織，放大倍數(shù)分別為200倍和500倍。從圖4中可以看出母材組織為晶粒沿軋制方向延長呈纖維狀，α(Al)基體上分布著時(shí)效過程中析出的MgZn2強(qiáng)化相。

圖5為A7N01P-T4鋁合金對(duì)接不同補(bǔ)焊次數(shù)焊縫區(qū)顯微組織(放大倍數(shù)為200倍)。由于每次補(bǔ)焊前都將之前的焊縫部分距熔合線1 mm左右的部分用機(jī)械加工的方法切除后重新施焊，填充材料均為ER5356焊絲，故補(bǔ)焊前后試件的焊縫區(qū)顯微組織大致相同。從圖5中可以看出，焊縫區(qū)顯微組織主要為α(Al)相基體和其上分布著的部分析出的β(MgZn2)相，由于焊縫各部分的冷卻速度不一，焊縫中心最后冷卻，焊縫中心處冷卻速度較慢為等軸晶粒，晶粒均勻細(xì)小。

圖6為A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)時(shí)熔合區(qū)顯微組織(放大倍數(shù)為200倍)。圖中左側(cè)為焊縫區(qū)，右側(cè)為熱影響區(qū)。從圖中可以看出焊縫靠近熔合線一側(cè)，晶粒沿散熱方向呈十分明顯的柱狀晶，在熔合線處柱狀晶較為粗大，這是因?yàn)殇X合金焊接過程中，由于鋁的熱導(dǎo)率很大且結(jié)晶溫度區(qū)間較寬，熱量傳導(dǎo)快，使得熱影響區(qū)晶粒生長過程中產(chǎn)生很大的過冷度，導(dǎo)致柱狀晶組織的出現(xiàn)，過冷度越大，柱狀晶生長越粗大，從熔合線向焊縫的方向生長。熱影響區(qū)靠熔合線的一側(cè)，由于受到焊接過程中的熱作用，MgZn2析出相較多，且在焊接冷卻后晶粒較母材粗大些。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熔合區(qū)寬度、晶粒度以及MgZn2析出相的數(shù)量變化均不明顯，這是因?yàn)锳7N01P-T4鋁合金4 mm對(duì)接時(shí)采用的是單道焊，只有一次焊接熱輸入，熔合區(qū)在焊接高溫?zé)嶙饔孟碌臅r(shí)間很短，且每次補(bǔ)焊都是將之前的焊縫部分距熔合線1 mm左右的部分用機(jī)械加工的方法切除后焊接，而且每次填充的熔敷金屬均為ER5356焊絲，因此補(bǔ)焊對(duì)4 mmA7N01P-T4鋁合金對(duì)接時(shí)的熔合區(qū)組織影響并不明顯。

3 結(jié)語

(1)不同補(bǔ)焊次數(shù)的A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度，除不補(bǔ)焊時(shí)強(qiáng)度系數(shù)能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大于0.95的要求，而1～4次補(bǔ)焊的強(qiáng)度系數(shù)均小于0.95，但均大于0.92，隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，接頭抗拉強(qiáng)度的變化不大；隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，接頭的屈服強(qiáng)度有所降低，伸長率均不大，均未超過6%，且隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，伸長率的變化不大。

(2)拉伸試件均斷于焊縫，而沒有從受多次補(bǔ)焊影響的焊接熱影響區(qū)(尤其是軟化區(qū))破壞，主要是由于采用了強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料所致，焊縫中存在少量氣孔也是拉伸試件均斷于焊縫的一個(gè)原因。

(3)A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭在不同補(bǔ)焊次數(shù)下的焊縫處硬度(72～86 HV之間)無明顯變化且最低，不補(bǔ)焊和一次補(bǔ)焊至四次補(bǔ)焊時(shí)A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭熱影響區(qū)至母材的硬度值(均在112～132 HV之間)變化不大，且軟化現(xiàn)象均不明顯。

(4)A7N01P-T4鋁合金對(duì)接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)焊縫區(qū)顯微組織主要為：α(Al)相基體和其上分布著的部分析出的β(MgZn2)相，焊縫中心處為等軸晶粒，晶粒均勻細(xì)??；焊縫靠熔合線一側(cè)組織為，晶粒沿散熱方向呈粗大的柱狀晶。熱影響區(qū)靠熔合線一側(cè)，MgZn2析出相較多，晶粒較母材粗大些。

(5)隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊縫各區(qū)域組織、熔合區(qū)寬度、晶粒度以及MgZn2析出相的數(shù)量均無明顯變化。

[1]柏延武，高紅義.鋁合金在鐵道車輛上應(yīng)用的探討[J].鐵路采購與物流，2009(3):41-43.

[2]劉巖.我國高速鐵路客車輕量化車體最優(yōu)結(jié)構(gòu)研究[J].輕合金加工技術(shù)，2000，28(5):41-43.

[3]楊尚磊，孫文，孟立春，等.機(jī)車車輛A7N01鋁合金MIG焊接[C].輕金屬與高強(qiáng)材料焊接國際論壇，2008.

[4]周桂芬.鋁合金MIG焊接工藝試驗(yàn)與分析[J].熱加工工藝 , 2009, 38 (17) :150-151.

[5] 尹志民，劉靜安.7005鋁合金型材焊接接頭組織與性能[J].輕合金加工技術(shù)，2000，29(4):51-54.

[6] 于金朋，張立民，張衛(wèi)華，等.多次補(bǔ)焊對(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.

[7] 劉春寧，王秀義，鈕旭晶，等.補(bǔ)焊對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J].焊接技術(shù)，2012，41(1):5-7.