國產與進口ER5356鋁合金焊絲質量性能對比研究

葛佳棋，李帥貞，湯旭祥，鐘奎，萬升云，盧永建

1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

隨著我國軌道交通的飛速發展，軌道車輛輕量化和高速化要求的不斷提高，鋁合金材料以其密度小、比強度高等優點，正越來越多地應用于高速動車組、城軌車輛的生產制造[1-3]。在鋁合金車體的焊接生產中，熔化極氣體保護焊（MIG）工藝占總焊接量的85%以上[4]，鋁合金焊絲作為主要焊材，其質量高低直接影響到接頭性能。SAFRA、ESAB、日輕金等廠家在鋁合金焊絲的生產中，主要采用連鑄連軋工藝，熔體處理配置電磁攪拌器、在線除氣過濾裝置等，在熔體潔凈度、組織成分均勻性等方面控制較好[5]。受限于裝備和工藝等方面因素，國內采用連鑄連軋工藝大規模生產鋁焊絲的廠家較少，目前絕大部分主要采用水平連鑄連拉工藝，熔體處理只在爐內熔劑精煉，導致國產鋁焊絲在質量穩定性方面與進口焊絲存在差距。國內軌道車輛用鋁焊絲主要依賴進口，進口焊絲年消耗量近1500t，金額達1.5億元人民幣[6]。

近幾年，隨著國內焊絲廠家加大技術研發和設備投入，國內焊材市場逐漸出現了較高品質的鋁合金焊絲。不少學者已經對國內高品質焊絲與進口焊絲進行了對比研究。王東等[7]針對國產和進口ER5183焊絲的接頭組織與性能進行了對比分析，發現國產ER5183焊絲與進口焊絲焊接的接頭焊縫組織基本相同，接頭力學性能也在同一水平；張力[8]對進口和國產ER5087焊絲進行化學成分、工藝穩定性、接頭力學性能檢測等試驗。研究結果表明，國產焊絲焊接接頭力學性能與進口焊絲一致，但焊接工藝穩定性仍略低于進口焊絲。

ER5356鋁合金焊絲是一種具有較強競爭力且廣泛應用于軌道車輛鋁合金車體焊接生產的新型焊絲。本文選用國內某公司生產的ER5356焊絲與同型號進口焊絲進行對比研究，從焊絲外觀質量、化學成分、送絲穩定性、焊縫組織和焊接接頭力學性能等方面對兩種焊絲進行質量評價，為國產鋁合金焊絲質量的提升以及在軌道交通領域的應用推廣提供一定的參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用母材選用軌道車輛常用的6系國產鋁合金材料，采用6005A-T6開展接頭力學性能試驗，針對可熱處理強化的鋁合金焊接接頭耐蝕性較低的情況，采用A6082-T651開展接頭抗應力腐蝕試驗。焊材采用φ1.2mm的國產和進口ER5356焊絲，保護氣體為99.999%純度的Ar。母材與焊材的主要化學成分見表1。

表1 母材和焊材的主要化學成分（質量分數） （%）

2.2 焊前準備與焊接工藝

在接頭力學性能和抗應力腐蝕性能試驗中，針對300mm×150mm×12mm板材進行平焊（PA），對板材待焊位置開X形坡口，坡口角度60°，如圖1所示。焊前用丙酮擦拭待焊板材以去除油污，并使用打磨工具將待焊部位的氧化膜進行清除。焊機采用MIG/MAG弧焊機，主要參數為：焊接電流200～240A，電弧電壓21～25V，焊接速度8～11mm/s，保護氣流量21～25L/min。

圖1 焊接試驗接頭坡口形式

2.3 檢測方法

利用JSM 6501掃描電鏡對焊絲表面進行放大觀察，檢查表面質量及劃痕情況，對焊絲進行橫截面和縱截面微觀金相試樣的制備，利用ZEISS金相顯微鏡觀察焊絲橫斷面和縱斷面形貌以及接頭各區域的微觀組織。采用iCAP6300電感耦合等離子體發射光譜儀對焊絲的合金元素含量進行測定，并依據ISO 18273：2015標準進行對比。采用德國送絲阻力檢測儀對氣體保護焊過程中送絲穩定性進行測試。按照ISO 4136：2012和ISO 5173：2009分別加工接頭的拉伸和彎曲試樣，在微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸和彎曲力學性能對比。按照GB/T 15970.7—2017加工慢應變速率拉伸試樣，在慢應變速率應力腐蝕試驗機上進行應力腐蝕測試。

3 結果與討論

3.1 焊絲外觀質量及顯微組織

經過掃描電鏡的放大觀察，國產和進口ER5356焊絲的表面質量均較好，未發現明顯劃痕、毛刺及其他不良缺欠，觀察結果如圖2所示。

圖2 焊絲表面

圖3所示為國產和進口ER5356焊絲的橫縱截面顯微組織形貌。由圖3可知，顯微組織均為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）組成。由于5系鋁合金為非熱處理強化合金，橫截面顯微組織的晶界顯示不明顯，縱截面可觀察到平行于軋制方向的組織形態。

圖3 焊絲截面微觀組織

3.2 化學成分

國產和進口ER5356焊絲的化學成分分析結果見表2。從檢測結果來看，國產和進口ER5356焊絲的化學成分均在標準含量范圍內，符合ISO 18273：2015標準的要求。

表2 國產和進口ER5356焊絲化學成分（質量分數） （%）

3.3 送絲穩定性

送絲穩定性測試過程中送絲速度為14.6m/min，焊槍橫向移動速度13mm/min，焊接速度62cm/min，焊接時間10min。對進口與國產ER5356焊絲送絲阻力測試結果進行記錄，見表3。

表3 焊絲送絲阻力 （N）

由測試結果的數據分析可知，國產焊絲的送絲阻力略小于進口焊絲，但送絲阻力的差值和標準差略大于進口焊絲，表明國產焊絲在送絲過程中穩定性稍低于進口焊絲，焊絲表面不光滑或焊絲線徑存在一定程度波動是導致送絲阻力發生起伏的主要原因。

3.4 接頭顯微組織及力學性能

使用國產和進口ER5356焊絲對6005A板材進行焊接，焊縫成形如圖4所示。經目視檢測，焊縫外觀成形良好，無氣孔、咬邊、裂紋、未熔合及夾雜等缺欠。

圖4 6005A板材焊縫外觀

接頭主要由焊縫區、熔合區和熱影響區組成。國產和進口ER5356焊絲焊接接頭各區域顯微組織如圖5、圖6所示。由圖可知，國產和進口ER5356焊絲焊接接頭各區域組織差異不大。焊縫中心為呈樹枝晶狀的典型鑄造組織，主要為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）。熔合區可觀察到沿散熱方向排列的柱狀晶，熱影響區有少量Mg2Si析出相，過時效區出現晶粒較大的析出相導致該區軟化，該現象在國產和進口焊絲的焊接接頭組織中均可觀察到。

圖5 國產ER5356焊絲焊接接頭顯微組織

圖6 進口ER5356焊絲焊接接頭顯微組織

接頭的拉伸試驗結果見表4。依據ISO 15614-2：2005中規定，6005A-T6的接頭效率為0.6，而6005A-T6的抗拉強度為250MPa，則可計算出接頭的抗拉強度應達到150MPa以上。從測試的結果來看，國產和進口ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強度均滿足要求，且國產焊絲焊接接頭的抗拉強度平均值略高于進口焊絲，但接頭的斷后伸長率略低于進口焊絲。

表4 焊接接頭抗拉強度

采用直徑為100mm的壓頭對接頭進行側彎試驗，測試結果表明，國產和進口焊絲焊接接頭的彎曲試樣經過180°側彎后，試樣均未出現裂紋。

3.5 接頭抗應力腐蝕性能

依據GB/T 15970.7—2017規定，將6082鋁合金板材焊接接頭分別在介質硅油和氯化鈉溶液中進行慢應變速率拉伸（SSRT）試驗，應變速率為1×10-6/s，國產和進口ER5356焊絲焊接接頭的抗應力腐蝕性能測試結果見表5。由此可知，兩種焊絲焊接接頭的應力腐蝕指數差異不大，均具有較好的抗應力腐蝕性能。

表5 接頭慢應變速率拉伸力學性能及ISSRT指數

各焊絲焊接接頭慢應變速率拉伸斷口微觀形貌如圖7所示。可以看出，在惰性介質環境中慢拉伸斷口呈韌窩特征，而在腐蝕介質環境中其斷口仍主要為韌窩，但覆蓋著部分細小的腐蝕產物。

圖7 接頭慢應變速率拉伸斷口形貌

4 結束語

1）國產與進口ER5356焊絲表面無明顯劃痕、毛刺及其他不良缺欠，均具有較好的表面質量，焊絲橫縱截面顯微組織基本一致。相比于進口ER5356焊絲，國產焊絲的送絲穩定性略低。

2）國產與進口ER5356焊絲焊接接頭的微觀組織基本相同，焊縫中心為呈樹枝晶狀的典型鑄造組織，主要為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）。

3）采用國產與進口ER5356焊絲對6005A焊接接頭的抗拉強度均超過母材抗拉強度的60%，滿足ISO 15614-2—2005的要求，兩種焊絲的應力腐蝕指數差異不大，均具有較好的抗應力腐蝕性能。