多次補焊對A7N01P-T4鋁合金焊接接頭力學性能與組織的影響

朱志民 董 強 許鴻吉

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

近些年來，隨著高鐵的飛速發展，高速列車的輕量化已經成為現代化的重要發展方向[1]。為此，最近幾年我國已成功開發出了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容易產生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等焊接缺陷，且焊接熱循環也會對熱影響區產生不良影響，導致焊接熱影響區較寬，從而造成力學性能降低[2-4]。當焊縫中出現超出標準的焊接缺陷時，需要去除焊縫金屬，然后對焊縫進行補焊，因此研究補焊次數對A7N01P-T4鋁合金焊接接頭力學性能的影響，對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量和制造水平具有十分重要的現實意義[5-7]。

本文深入研究了不同MIG焊接工藝對高速列車用A7N01P-T4鋁合金焊接接頭力學性能的影響，以確定A7N01P-T4鋁合金焊接接頭的合理焊接工藝，為A7N01P-T4鋁合金結構的實際生產提供依據。

1 試驗材料及試驗方法

試驗材料為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，采用保護氣體為99.9%氬氣。試驗材料和焊接材料的化學成分及力學性能分別見表1和表2，焊接工藝參數見表3。

表1 試驗材料的化學成分(質量成分%)

牌號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 試驗材料的力學性能

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

對4 mm厚A7N01P-T4鋁合金板對接接頭進行焊接，采用70°V型坡口，坡口尺寸如圖1所示；然后分別進行不補焊、1次補焊、2次補焊、3次補焊和4次補焊的對接工藝試驗，補焊時采用機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對接焊工藝參數見表3。

焊后試件均進行外觀檢測、射線探傷，然后對檢驗合格的試板進行機械加工取樣(拉伸試樣、彎曲試樣以及顯微硬度試樣)。拉伸試驗和彎曲試驗分別按照ISO 4136-2001標準和ISO 5173標準均在型號為WDW-300kN微機控制電子萬能試驗機上進行，彎曲試驗采用2個面彎和2個背彎試樣，壓頭直徑為40 mm；本

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

2 試驗結果及分析

2.1 無損檢測試驗

未補焊、一次補焊至四次補焊試板表面無裂紋等外觀缺陷。射線檢測結果表明：不同補焊次數下的4 mm A7N01P-T4鋁合金對接試件焊縫中均有不同程度的氣孔缺陷，但根據ISO 10042-2005B《鋁及其可焊合金電弧焊縫—質量缺陷等級指南》標準，不同補焊次數4 mm A7N01P-T4鋁合金焊對接接頭焊縫的氣孔等級為B級和C級，無超標氣孔，滿足標準要求。

表3 焊接工藝參數

試件號焊補次數焊道數焊接規范電流/A電壓/V時間/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

分別對未補焊、一次補焊至四次補焊的焊接接頭進行拉伸試驗，焊接接頭的拉伸試驗結果見表4。

表4 拉伸試驗結果

試件號補焊次數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

依據標準ISO15614-2，處于焊接后狀態的焊接試樣的抗拉強度Rm(w)應滿足要求：Rm(w)≥Rm(pm)×T；其中，Rm(w)為處于焊接后狀態的焊接試樣的抗拉強度；Rm(pm)為有關標準中所要求的母體材料抗拉強度的最低規定值；T為焊接接頭效率系數。對于A7N01P-T4鋁合金來說，T=0.95，依據表2，Rm(pm)=315 MPa。故Rm(w)≥315MPa×0.95=299.25 MPa。由表4可知，A7N01P-T4鋁合金對接(4 mm)接頭的不補焊、一次補焊、二次補焊、三次補焊和四次補焊焊接接頭的抗拉強度分別為319.59 MPa、296.45 MPa、293.91 MPa、292.61 MPa、297.03 MPa，只有不補焊的抗拉強度大于299.25 MPa，滿足試驗標準的要求。

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

A7N01P-T4鋁合金對接接頭部分拉伸試件的斷裂位置均在焊縫處，分別對部分不補焊及一次補焊至四次補焊時拉伸試件的斷口進行全貌、邊緣以及中心的掃描。從圖2的掃描照片結果可以看出，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鋁合金對接接頭拉伸試件斷裂位置均在焊縫，除了焊接材料強度級別較低外，也與焊縫中存在氣孔有關。

拉伸試驗結果表明：4 mm的不同補焊次數的A7N01P-T4鋁合金對接接頭的抗拉強度，除不補焊時強度系數能達到相關標準大于0.95的要求，而一次補焊、二次補焊、三次補焊和四次補焊的強度系數均小于0.95，但均大于0.92，隨補焊次數的增加，接頭抗拉強度的變化不大；隨補焊次數的增加，接頭的屈服強度有所降低；伸長率均未超過6%，且隨補焊次數的增加，伸長率的變化不大。另外，所有拉伸試件均斷于焊縫，而沒有從受多次補焊影響的焊接熱影響區(尤其是軟化區)破壞，主要是由于采用了強度級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原因。

2.3 硬度試驗

圖3為A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補焊次數的硬度曲線對比圖。

從圖3中可以看到，焊縫的硬度大大低于熱影響區和母材，這是因為A7N01P-T4鋁合金對接時，焊縫的填充材料選用的是ER5356焊絲，強度遠低于母材，焊縫中心的硬度最低，所以拉伸試件斷裂發生于此處。距離焊縫中心越遠，硬度值越高，熔合線附近區域的硬度梯度最大，性能發生突變，說明在熔合線附近性能很不均勻。

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

A7N01P-T4鋁合金為熱處理強化鋁合金，在焊接時產生軟化現象主要原因是熱影響區在焊接的高溫作用下強化相脫溶析出并聚集長大，使強化效果減弱，產生“過時效”現象，并形成軟化區，在該域內的硬度會有所下降。

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

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

2.4 顯微金相試驗

圖4為A7N01P-T4鋁合金不同補焊次數下對接母材的顯微組織，放大倍數分別為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)基體上分布著時效過程中析出的MgZn2強化相。

圖5為A7N01P-T4鋁合金對接不同補焊次數焊縫區顯微組織(放大倍數為200倍)。由于每次補焊前都將之前的焊縫部分距熔合線1 mm左右的部分用機械加工的方法切除后重新施焊，填充材料均為ER5356焊絲，故補焊前后試件的焊縫區顯微組織大致相同。從圖5中可以看出，焊縫區顯微組織主要為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，晶粒均勻細小。

圖6為A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補焊次數時熔合區顯微組織(放大倍數為200倍)。圖中左側為焊縫區，右側為熱影響區。從圖中可以看出焊縫靠近熔合線一側，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，這是因為鋁合金焊接過程中，由于鋁的熱導率很大且結晶溫度區間較寬，熱量傳導快，使得熱影響區晶粒生長過程中產生很大的過冷度，導致柱狀晶組織的出現，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。熱影響區靠熔合線的一側，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。隨著補焊次數的增加，熔合區寬度、晶粒度以及MgZn2析出相的數量變化均不明顯，這是因為A7N01P-T4鋁合金4 mm對接時采用的是單道焊，只有一次焊接熱輸入，熔合區在焊接高溫熱作用下的時間很短，且每次補焊都是將之前的焊縫部分距熔合線1 mm左右的部分用機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，因此補焊對4 mmA7N01P-T4鋁合金對接時的熔合區組織影響并不明顯。

3 結語

(1)不同補焊次數的A7N01P-T4鋁合金對接接頭的抗拉強度，除不補焊時強度系數能達到相關標準大于0.95的要求，而1～4次補焊的強度系數均小于0.95，但均大于0.92，隨補焊次數的增加，接頭抗拉強度的變化不大；隨補焊次數的增加，接頭的屈服強度有所降低，伸長率均不大，均未超過6%，且隨補焊次數的增加，伸長率的變化不大。

(2)拉伸試件均斷于焊縫，而沒有從受多次補焊影響的焊接熱影響區(尤其是軟化區)破壞，主要是由于采用了強度級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原因。

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

(4)A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補焊次數焊縫區顯微組織主要為：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，晶粒均勻細小；焊縫靠熔合線一側組織為，晶粒沿散熱方向呈粗大的柱狀晶。熱影響區靠熔合線一側，MgZn2析出相較多，晶粒較母材粗大些。

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

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