焊接熱循環對A5083P-O和A7N01P-T4鋁合金接頭組織性能的影響

云中煌，戴忠晨，金文濤

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031）

1 概述

隨著鋁合金材料在軌道交通裝備領域的廣泛應用，對其焊接質量的要求越來越高，研究范圍也從材料的焊接性能、疲勞強度、應力腐蝕等方面延伸到現場焊接技術的應用及實際質量問題的解決。補焊作為生產現場常用的焊接工藝，其過程及質量越來越受到重視。但是針對補焊對母材組織性能影響的研究較少，在此主要探討多次焊接對鋁合金性能和組織的影響，為生產制造提供參考依據。

2 試驗準備

試驗母材為A5083P-O、A7N01P-T4兩種鋁合金材料，板厚4 mm，下料規格均為450 mm×150 mm×4 mm，坡口角度30°，如圖1所示，每種組合選用2組試件。填充材料選用ER5356，直徑1.2 mm，焊接保護氣選用99.999%的高純氬，焊接設備選用KEMPPI半自動焊機。

3 試件焊接及試樣制作

3.1 焊接環境

試件在溫度20℃、相對濕度小于60%的環境下進行焊接，將母材夾持在專用工裝上，工裝夾持示意如圖2所示。

圖1 母材下料規格

圖2 焊接工裝夾持示意

3.2 試驗方法

焊接姿勢為平焊（PA），焊接方法采用MIG半自動焊接。采用多重溫度交換循環對比試驗法，在剛性約束條件下進行試件焊接。試驗焊接工藝參數要與實際生產焊接工藝參數相同，并記錄焊接條件。試件制作過程如圖3所示。根據預定焊接參數完成試板焊接（見圖3a），然后進行PT、RT檢測，合格后，切除試件焊縫余高，進行槽部加工（見圖3b），加工深度應不超過板厚的1/2，并在PT、RT檢測合格后，截取3塊50 mm×30 mm的試樣，兩種材料分別做好標示。

切除剩余試件焊縫余高，重復圖3b和圖3c的過程一次，進行槽部加工，完成試板的二次補焊，并在PT、RT檢測合格的區域截取50 mm×30 mm的試樣3塊，做好標示。

截除剩余試件焊縫余高，重復圖3b和圖3c的過程一次，進行槽部加工，完成試板的3次補焊，并進行PT、RT檢測，如圖4所示。

試板焊接完成后截取試樣。試樣制作如圖5所示。試樣截取情況如表1所示。

圖3 試件焊接施工要領示意

圖4 溫度循環要領示意

圖5 試樣截取示意

4 實驗結果及分析

4.1 無損檢測分析

對A5083P-O、A7N01P-T4一次循環焊接、二次循環焊接、三次循環焊接接頭及熱影響區（HAZ）進行PT探傷、RT射線探傷檢測。結果表明：兩種材質3種焊接工藝均未出現氣孔及裂紋，達到ISO10042《鋁及鋁合金的弧焊接頭——缺欠質量分級》中的B級焊縫等級要求。

表1 試樣截取情況

4.2 硬度試驗

試樣維氏硬度檢查數據如表2所示。由表2可知，焊接次數對鋁合金A5083P-O母材區、焊縫區及熱影響區的硬度影響較小。A7N01P-T4焊縫區硬度隨焊接次數的增加逐步略有降低；A7N01P-T4母材區和熱影響區隨著焊接次數的增加硬度先增加再降低。

4.3 宏觀和微觀分析

（1）宏觀金相斷面。

兩種材料3次循環焊接工藝的接頭宏觀金相照片如圖6所示。

由圖6可知，各宏觀斷面均熔合良好，隨著焊接次數的增加，熔合區逐漸增大，尤其A5083P-O材料隨著焊接次數的增加熔合區域擴大明顯，熱影響區逐步擴大。

表2 硬度試驗數據 HV

圖6 6種焊接試樣接頭的宏觀金相照片

（2）焊縫區微觀組織。

兩種材料3次循環焊接工藝接頭的焊縫區400倍放大微觀組織如圖7所示。

由圖7可知，A5083P-O、A7N01P-T4兩種材料焊縫區組織在3次重復焊接的情況下，無明顯區別。每次焊接過程都是焊絲金屬及前一層焊道焊縫區金屬熔合凝固過程，每次焊接工藝相同，熱輸入相同，因此焊縫區的微觀組織基本相同，兩種材料的3次循環焊接工藝焊縫區的硬度值變化不大，因焊縫區為鑄造組織，其硬度值低于母材區，力學性能較差。

（3）熱影響區微觀組織。

兩種材料3次循環焊接工藝的熱影響區400倍放大微觀組織如圖8所示。

圖7 6種焊接試樣接頭焊縫區的微觀組織

圖8 6種焊接試樣接頭熱影響區的微觀組織

A5083P-O為Al-Mg合金，是非熱處理強化鋁合金，強化機理主要為固溶強化。從圖8微觀組織照片可以看出，A5083P-O 3種焊接工藝對熱影響區的微觀組織影響不大，非熱處理強化鋁合金隨著焊接次數的增加，金屬組織無明顯改變，因此3次循環焊接工藝A5083P-O熱影響區及母材區的硬度未發生明顯變化。

A7N01P-T4為Al-Mg-Zn鋁合金，是熱處理強化鋁合金，主要強化機理為第二相彌散強化、固溶強化等。由圖8可知，二次循環焊接后第二相粒子略有減少，合金元素固溶于基體相中，固溶強化作用加強，因此二次焊接后熱影響區硬度較一次焊接增加，三次循環焊接后第二相粒子明顯減少，第二相彌散強化減弱，故硬度比第二次又有降低。

A5083P-O和A7N01P-T4均未出現微觀裂紋，但隨著焊接次數的增加，A7N01P-T4在焊接熱影響區出現低熔點共晶物，數量增加，這些低熔點共晶物存在于晶界處。另外由于鋁的線膨脹系數比鋼大將近一倍，凝固時的結晶收縮又比鋼大（體積收縮率約為6.5%），鋁及鋁合金高溫時強度低、塑性很差（如純鋁在約375℃時強度不超過9.8 MPa；在約650℃的伸長率小于0.69%），因此，焊接鋁及鋁合金焊件時會產生較大的內應力。內應力及低熔點共晶物兩者共同作用的結果是焊縫中容易產生熱裂紋。A5083P-O并未隨著焊接次數的增加而出現低熔點共晶物。因此多次焊接A7N01P-T4的熱裂紋傾向比A5083P-O敏感很多，A7N01P-T4不建議多次焊接。

5 結論

（1）隨著焊接循環次數的增加，兩種材料的熔合區均逐漸增大；焊縫區微觀組織在3次重復焊接的情況下，無明顯區別；對于A5083P-O多次焊接熱循環對熱影響區的微觀組織影響不大，隨著熱循環次數增加，A7N01P-T4熱影響區第二相粒子逐步減少，第二相彌散強化減弱，固溶強化增強。

（2）經過3次熱循環，兩種鋁合金均未出現裂紋。但隨著熱循環次數的增加，A5083P-O未出現低熔點共晶物；A7N01P-T4在焊接熱影響區晶界處出現低熔點共晶物并在增加，熱裂紋傾向增大，建議7系鋁合金盡量降低焊接次數。

（3）多次焊接熱循環對A5083P-O材料焊縫、母材和熱影響區及A7N01P-T4焊縫區的硬度影響不大，但隨著焊接循環次數的增加，A7N01P-T4材料母材區和熱影響區的硬度先增加后降低。