A6N01鋁合金脈沖MIG焊接接頭的組織與性能研究

葉結(jié)和，楊尚磊

(1.南車四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)

0 前言

大型鋁合金型材是高速列車制造的關(guān)鍵材料，鋁合金材料的焊接是決定高速列車長期安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于提高高速列車的運(yùn)行壽命具有重要意義[1-4]。國內(nèi)250 km/h和380 km/h高速列車均采用大型超長寬幅中空鋁合金擠壓型材的焊接結(jié)構(gòu)，A6N01鋁合金擠壓性好，耐蝕性好，適合制造車體主體結(jié)構(gòu)用的復(fù)雜截面多孔中空型材。德國、法國等歐洲高速列車制造公司和日本新干線的列車制造企業(yè)均采用此類合金作為生產(chǎn)高速列車的關(guān)鍵用材。但目前我國在該類型鋁合金型材制造及其使用方面的研究剛剛起步，關(guān)于在線擠壓淬火工藝、時(shí)效制度、焊接工藝對(duì)大型鋁合金擠壓型材力學(xué)性能的影響及其微觀強(qiáng)化機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。目前，這些鋁合金擠壓型材及其焊接材料大都由國外進(jìn)口，國內(nèi)大型鋁合金擠壓型材雖然母材能夠滿足使用要求，但焊接后的焊接接頭性能嚴(yán)重惡化，因此研制我國性能優(yōu)良的鋁合金擠壓型材及其更加先進(jìn)的焊接材料與焊接技術(shù)，對(duì)推進(jìn)我國高速列車制造技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)軌道交通輕量化、高速化和國產(chǎn)化具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為國產(chǎn)A6N01鋁合金，供貨狀態(tài)為T5(即由高溫成型過程中冷卻，然后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài))，厚度4 mm。采用ER4043鋁硅合金焊絲，A6N01鋁合金母材和ER4043焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊接工藝

焊接試樣采用70°V形坡口的對(duì)接接頭型式，焊前打磨坡口區(qū)域30 mm范圍內(nèi)的氧化皮，然后用丙酮清潔坡口附近的油污等。脈沖MIG焊接(PMIG)采用的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 A6N01鋁合金和ER4043焊絲的化學(xué)成分 %

表2 A6N01鋁合金的焊接工藝參數(shù)

1.3 測試方法

焊接接頭拉伸性能測試按照GB/T228-2002，在AG-10KNA型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率0.1mm/min。用HV-1000型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，載荷9.8 N，加載時(shí)間 10 s。顯微觀察試樣采用 0.5%的氫氟酸進(jìn)行腐蝕，使用Nikon EPIPHOT300型顯微鏡觀察金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形

圖1為A6N01鋁合金焊接接頭的宏觀形貌，可見焊縫成形及熔和非常好，并且過渡平緩，焊縫上表面呈銀白色，焊縫背面呈淺灰色，沒有產(chǎn)生焊接裂紋、燒穿、未焊透、氣孔、咬邊、焊瘤、凹陷和未熔合等缺陷。

圖1 A6N01鋁合金焊接接頭宏觀形貌

2.2 顯微組織

圖2為焊接接頭不同區(qū)域的光學(xué)顯微組織。圖2a表明，鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)為鑄態(tài)組織，呈等軸晶狀。圖2b表明鋁合金焊接接頭靠近焊縫邊緣有一條很窄的熔合區(qū)，形成了細(xì)小的柱狀晶組織。圖2c母材組織為原始軋制狀態(tài)組織。

2.3 顯微硬度

對(duì)A6N01鋁合金焊接接頭進(jìn)行了硬度測試，其垂直焊縫方向的硬度分布如圖3所示。

由圖3可見，A6N01鋁合金焊接接頭的焊縫熔敷金屬（FZ）顯微硬度大大低于母材金屬（BM），焊縫中心的顯微硬度最低，其硬度值約為64 HV。在焊縫中心兩邊各10 mm區(qū)域的硬度值隨距離焊縫中心的增大，其硬度值有較大增加，距離焊縫中心10～20 mm的熱影響區(qū)區(qū)域（HAZ）的硬度比焊縫顯著高，但在距離焊縫18 mm左右的熱影響區(qū)，其顯微硬度比近縫區(qū)有所下降，在 20～30 mm區(qū)域，接頭硬度又逐漸增大，說明在離焊縫中心約18 mm左右的熱影響區(qū)存在軟化區(qū)。距離焊縫中心22 mm之后的區(qū)域硬度恢復(fù)到母材硬度，表明焊接接頭的熱影響區(qū)很寬，最大可達(dá)到40 mm左右。

圖2 A6N01焊接接頭顯微組織

2.4 力學(xué)性能

表3為A6N01鋁合金母材和焊態(tài)接頭的常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

拉伸試樣表明A6N01鋁合金MIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度超過198 MPa，斷后伸長率超過7.0%，其拉伸斷口部位位于焊縫中心位置，可見，A6N01鋁合金焊接接頭的焊縫強(qiáng)度較低，成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3 A6N01鋁合金焊接接頭顯微硬度變化

表3 A6N01鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）A6N01熔化極脈沖惰性氣體保護(hù)焊(MIG)的焊接接頭成形良好，焊縫沒有產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔等缺陷。

（2）焊縫熔敷金屬為等軸晶狀的鑄態(tài)組織，靠近母材的熔合區(qū)形成了一層較薄的細(xì)小柱狀組織，母材顯微組織為纖維狀加工組織。

（3）焊縫熔敷金屬的顯微硬度大大低于母材，從焊縫中心經(jīng)過熱影響區(qū)到母材的顯微硬度逐漸提高。焊接接頭的熱影響區(qū)很寬，達(dá)到40 mm左右，在距離焊縫中心約18 mm左右的熱影響區(qū)存在軟化區(qū)。

（4）焊接接頭的焊態(tài)抗拉強(qiáng)度為198 MPa，斷后伸長率為7.0%，斷口部位位于焊縫。

[1]Li J Y，Ma J M.Effect of welding processes on fatigue properties of 60612T6 aluminum welded joints[J].Journal of Aeronautical Materials，2004，24(3)：52-57.

[2]Jiang L，Wang Y J，Wang Y X.Microstructures and properties of welded joint of 6005A alloy for high speed train[J].Journal of Materials and Metallurgy，2002，1(4)：302-306.

[3]手椓和彥.最近の車両技術(shù)[J].RTRI report，2003，17(4)：1-4.

[4]Ma T，Ouden G.Softening behavior of Al2Zn2Mg alloys due to welding[J].Materials Science and Engineering，1999，26(4)：198-204.