7N01鋁合金板材對(duì)接MIG焊接位置適應(yīng)性研究

范軍　韓光旭　戴曉超　王澤飛

摘要：7N01鋁合金是高速列車車體關(guān)鍵材料，生產(chǎn)中往往需要在各種不同焊接位置條件下進(jìn)行焊接，接頭對(duì)不同位置的適應(yīng)性是決定實(shí)際生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）方法，利用高速列車現(xiàn)行焊接工藝，制備了高速列車結(jié)構(gòu)材料7N01的平焊接頭、仰焊接頭及立向上焊接頭，觀察接頭宏觀形貌，研究不同位置條件下焊接接頭的組織與性能，分析不同焊接位置對(duì)接頭性能的影響。結(jié)果表明：不同焊接位置的焊接工藝均能保證得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，在PA位置條件下接頭抗拉強(qiáng)度最高。

關(guān)鍵詞：7N01鋁合金;高速列車;焊接位置;組織性能

中圖分類號(hào)：TG457.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）01-0079-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.14

0 前言

隨著現(xiàn)代高速軌道交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，輕量化是解決速度、質(zhì)量、環(huán)保的關(guān)鍵。高強(qiáng)鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的耐腐蝕性能、加工性能和力學(xué)性能，已成為汽車、航空航天、艦船等載運(yùn)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化制造不可或缺的金屬材料[1]。7N01鋁合金最早發(fā)明于日本，由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)，在高速列車制造中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。采用鋁合金代替鋼材，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減輕50%以上[1]。目前在關(guān)于鋁合金焊接技術(shù)的研究中，往往集中于如何選擇更好的焊接方法以及焊接參數(shù)來(lái)進(jìn)行焊接，對(duì)于不同焊接位置對(duì)鋁合金焊接接頭的影響缺少系統(tǒng)的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)的需要，往往需要在各種不同焊接位置（平位PA、仰位PE、立向上位PF）進(jìn)行焊接，不同焊接位置條件下接頭組織、性能有何差別，對(duì)結(jié)構(gòu)整體壽命有何影響，這些實(shí)際問(wèn)題都應(yīng)該加以重視。本文在各種不同焊接位置條件下，采用MIG焊接方法制備焊接接頭，對(duì)比研究不同焊接位置對(duì)接頭組織、性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用高速列車生產(chǎn)用鋁合金材7N01，熱處理狀態(tài)為T4，其金相組織如圖1所示。7N01鋁合金是典型的軋制組織，呈等軸狀排列，合金化合物被碾碎在母材中均勻排布，7N01主要的強(qiáng)化相MgZn2化合物也分布其中[5-6]。

材料厚度11 mm，開雙邊V型坡口，焊接材料采用φ1.2 mm ER5356焊絲，7N01及焊材化學(xué)成分如表1所示。選用Kemppi FastMig350焊機(jī)，采用現(xiàn)行工藝制備平焊接頭、仰焊接頭及立向上焊接頭。經(jīng)外觀及無(wú)損檢驗(yàn)合格后，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)采用線切割方法制備拉伸試樣、彎曲試驗(yàn)、金相及硬度試樣，采用卡爾蔡司A1m顯微鏡觀察金相組織;使用數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試硬度;使用WE-30液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材及接頭的拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀結(jié)果及分析

7N01鋁合金在PA、PE、PF位置下接頭宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知，不同焊接位置條件下所制備的接頭形貌良好，與母材過(guò)渡平緩，未產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合及未焊透等缺陷。PA位置接頭為三層四道焊，PE、PF位置三層五道焊。PA位置焊接時(shí)的熱輸入較大，PE、PF位置焊接時(shí)所采用的焊接規(guī)范較小。其他條件相同時(shí)，采用PA位置進(jìn)行焊接，焊接速度更快，效率更高，其熱輸入更大。采用PE、PF進(jìn)行焊接時(shí)所產(chǎn)生的熱輸入比PA小的原因是熔滴的重力阻礙了熔滴過(guò)渡。

2.2 微觀組織觀察及分析

采用卡爾蔡司A1m顯微鏡觀察母材及接頭金相組織，7N01各位置對(duì)接接頭的金相組織如圖3所示。

觀察接頭三個(gè)典型區(qū)域，即焊縫區(qū)（WM）、熱影響區(qū)（HAZ）以及熔合區(qū)（FZ）。PA位置的焊縫區(qū)組織分布較為均勻且無(wú)可見氣孔，熱影響區(qū)內(nèi)的組織多為多邊形排列方式，這是由于焊接熱循環(huán)的影響，母材組織內(nèi)的第二相脫溶析出，并聚集長(zhǎng)大，形成規(guī)則的多邊形排列，熔合區(qū)為焊縫與母材交界處的一條很窄的線，其左側(cè)為沿著結(jié)晶方向排列的規(guī)則柱狀晶，右側(cè)為因受熱而發(fā)生長(zhǎng)大的不均勻粗大組織。PE位置的焊接接頭在熔合區(qū)附近有較大且較多的氣孔出現(xiàn)，而PF位置的焊接接頭中的氣孔比PE中的數(shù)量更少、孔徑更小。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PE焊接位置難度較大，極易產(chǎn)生氣孔等缺欠，這主要是因?yàn)樵赑E位置條件下，熔滴自身重力阻礙了熔滴向熔池過(guò)渡，熔滴到達(dá)熔池溫度較其他位置低，因而極易引發(fā)氣孔。此外，熱輸入相對(duì)較低也是產(chǎn)生氣孔的一個(gè)重要原因。

2.3 硬度測(cè)試結(jié)果及分析

采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)得7N01鋁合金母材硬度平均值為123 HV，7N01鋁合金在PA、PE、PF位置下接頭硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。焊接接頭硬度以焊縫中心線為對(duì)稱軸近似呈對(duì)稱分布，焊縫區(qū)域硬度值較高，在距離焊縫中心9～11 mm處，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較低的硬度值，該區(qū)域稱之為軟化區(qū)。鋁合金焊接接頭硬度曲線呈“W”形分布規(guī)律：這是由于在焊接熱作用下，母材處于過(guò)熱狀態(tài)，時(shí)效析出強(qiáng)化相中的鎂、鋅元素重新溶入到母材基體中，在快速冷卻過(guò)程中，鎂、鋅原子過(guò)飽和固溶于鋁基體中，并在鋁基固溶體的某一結(jié)晶面上偏聚形成GP區(qū)，隨后鎂、鋅原子進(jìn)一步偏聚并有序化，形成淬火區(qū)[7]，因此硬度較高。而在軟化區(qū)內(nèi)，溫度較淬火區(qū)低，強(qiáng)化相溶解不充分，冷卻時(shí)強(qiáng)化相析出數(shù)量較少，未溶解的強(qiáng)化相受焊接熱影響作用而聚集長(zhǎng)大。

對(duì)比各個(gè)位置下的接頭硬度曲線，其差別并不明顯，說(shuō)明硬度的分布規(guī)律大致相同，這表明在合適的工藝參數(shù)條件下，焊接位置對(duì)接頭硬度的影響不明顯。

2.4 拉伸測(cè)試結(jié)果及分析

采用WE-30液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得7N01鋁合金的抗拉強(qiáng)度為345 MPa，延伸率為12.0%，滿足材料使用的基本要求。不同位置條件下接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在PA位置條件下，接頭平均抗拉強(qiáng)度為282 MPa，達(dá)到母材平均抗拉強(qiáng)度345 MPa的82%，且各個(gè)接頭抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在±5%以內(nèi);其平均延伸率為15.0%，較母材平均延伸率12.0%更高，這表明接頭塑性儲(chǔ)備較好。而在PE、PF位置條件下，接頭平均抗拉強(qiáng)度分別為260 MPa、271 MPa，達(dá)到母材平均抗拉強(qiáng)度345 MPa的79%和75%，且各個(gè)接頭抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在±5%以內(nèi);其平均延伸率為12.0%和13.5%，與母材平均延伸率12.0%相當(dāng)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，7N01鋁合金在PA位置下接頭的抗拉強(qiáng)度最高，分析認(rèn)為在PA位置下，焊接速度快，熱輸入量大，熔滴自身重力有助于熔滴向熔池過(guò)渡，使得熔滴過(guò)渡到焊縫時(shí)間比PE、PF位置更短，進(jìn)而使得PA位置接頭的氣孔大小及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PE、PF位置，故PA位置接頭的抗拉強(qiáng)度最高。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)7N01鋁合金母材以及PA、PE、PF三種不同焊接位置焊接接頭的形貌、金相組織、硬度以及拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）在本試驗(yàn)中，在不同焊接位置焊接時(shí)，均可獲得外觀及質(zhì)量合格的接頭，其中PA的熱輸入最大，PE、PF的熱輸入相當(dāng)，且比PA小。

（2）本試驗(yàn)條件下不同焊接位置的接頭硬度相差不大，呈現(xiàn)“W”形分布規(guī)律，在距離焊縫中心9～11 mm處存在軟化區(qū)。

（3）7N01鋁合金在PA位置條件下接頭抗拉強(qiáng)度最高，其余各個(gè)位置條件下抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，不同焊接位置的焊接工藝均能保證得到優(yōu)質(zhì)的接頭。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖永清. 淺探鋁合金的焊接特點(diǎn)及其施工要點(diǎn)[J]. 輕型汽車技術(shù)，2019（7）：68-72.

[2] S D Liu，C B Li，S Q Han，et al. Effect of natural aging onquench-induced inhomogeneity of microstructure and ha-rdness in high strength 7055 aluminum alloy[J]. Alloy Co-mpd，2015（625）：34-43.

[3] S Y Chen，K H Chen，P X Dong，et al. Effect of heat trea-tment on stress corrosion cracking，fracture toughness andstrength of 7085 aluminum alloy[J]. Trans. Nonferr. Metal.Soc.，2014（24）：2320-2325.

[4] A Heinz，A Haszler，C Keidel，et al. Recent development inaluminium alloys for aerospace applications[J]. Mat. Sci.Eng. A Struct.，2000（280）：102-107.

[5] 張亮，方洪淵，王林森，等. A7N01鋁合金焊接接頭的不均勻特性[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2012，33（11）：97-100.

[6] D J Yan，X S Liu，J Li，et al. Effect of strain hardening andstrain softening on welding distortion and residual stress ofA7N01-T4 aluminum alloy by simulation analysis[J]. Jou-rnal of Central South University of Technology，2010，17（4）：666-673.

[7] 李培躍，熊柏青，張永安，等. 7050鋁合金淬火特性與微觀組織[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（3）：513-521.