不同MIG焊方法對7N01-T4鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

夏 寧，金文濤，杜 剛，周成候，葛懷普，茍國慶

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

不同MIG焊方法對7N01-T4鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

夏 寧1，金文濤1，杜 剛1，周成候1，葛懷普1，茍國慶2

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031）

采用硬度、拉伸和微型剪切試驗研究了軌道列車用7N01-T4鋁合金在單脈沖MIG焊、雙脈沖MIG焊和超威弧MIG焊三種焊接工藝條件下焊接接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：雙脈沖MIG焊焊接接頭系數(shù)要高于單脈沖焊和超威弧焊；雙脈沖焊和超威弧焊比單脈沖焊的熱影響區(qū)寬度要窄；超威弧焊接接頭的韌性和塑性均要優(yōu)于雙脈沖接頭和單脈沖接頭。超威弧MIG焊接方法可以改善鋁合金焊接接頭整體性能。

7N01-T4鋁合金；熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）；焊接接頭；力學(xué)性能

0 前言

在我國的軌道列車鋁合金車體生產(chǎn)中，使用最多的焊接方法是MIG焊，多采用手工操作的半自動焊和機械手操作的自動焊[1-3]，基本上都采用直流反接焊接，可以得到陰極霧化作用，由于沒有鎢極燒損問題，所以能夠用較大電流，這種焊接方法應(yīng)用方便、效率高。MIG焊包括連續(xù)電流焊接和脈沖電流焊接，目前鋁合金車體MIG焊接多采用單脈沖MIG焊，該方法可以加大電流調(diào)節(jié)范圍，獲得較小的平均電流，從而有效的控制了焊接熱輸入量，這對鋁合金焊接工藝調(diào)整及改善焊接接頭質(zhì)量特別有利。近年來，從國外發(fā)展起來的雙脈沖MIG焊和超威弧MIG焊工藝方法對提高鋁合金焊接生產(chǎn)效率和改善焊接接頭性能起到了良好作用[4-5]。本研究擬利用單脈沖、雙脈沖和超威弧三種MIG焊接方法對軌道列車用可焊Al-Zn-Mg系7N01-T4鋁合金進行焊接，研究不同焊接方法對7N01-T4鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，為實際生產(chǎn)中進一步優(yōu)化鋁合金車體焊接工藝，提高鋁合金車體焊接質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用軌道列車用高強鋁合金型板材A7N01-T4（T4為固溶處理后不經(jīng)冷加工，只經(jīng)自然時效至基本穩(wěn)定狀態(tài)）。試板尺寸300mm×200mm× 6 mm，焊絲選用ER5356，直徑φ1.6 mm，保護氣為純度99.99%的氬氣，焊接設(shè)備為德國EWM公司的PHOENIX系列421 EXPERT forceArc MIG焊機。按GB/T985.3-2008《鋁合金及鋁合金氣體保護焊的推薦坡口》采用帶鈍邊的V型坡口，單面焊雙面成形。7N01-T4和焊絲化學(xué)成分見表1，焊接工藝參數(shù)見表2。

鋁合金焊接接頭硬度測試采用HV-10B維氏硬度計進行測量，測量載荷為10 kg，載荷持續(xù)時間為15 s，硬度點之間的間隔距離為1 mm；采用由WDW3100微機控制的電子萬能試驗拉伸機進行拉伸實驗，拉伸速率為1mm/min；采用HITACH1S-3400N型描電鏡觀察拉伸斷口；采用專用微型剪切試驗機獲取焊接接頭各區(qū)域的剪切強度、韌性和塑性指標(biāo)。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 硬度測試結(jié)果和分析

不同MIG焊方法焊接7N01-T4鋁合金得到的接頭的硬度分布如圖1所示。三種不同焊接方法整體上可以看出，焊縫中心部位硬度值最低，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，硬度值增加。焊縫區(qū)硬度值在HV80～90間變化，熱影響區(qū)硬度值維持在HV115～125，熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，而母材區(qū)硬度值約為135HV。對于7N01-T4鋁合金焊接接頭沒有出現(xiàn)明顯軟化區(qū)的現(xiàn)象，這是因為7N01-T4鋁合金焊后熱影響區(qū)有較強的固溶后自然時效效應(yīng)，硬度實驗是在經(jīng)過一段時間的停放后進行的，所以軟化區(qū)的硬度會有一定程度上的恢復(fù)，從而導(dǎo)致軟化現(xiàn)象不明顯。從圖1中還可以看出，雙脈沖焊和超威弧焊比單脈沖焊的熱影響區(qū)的寬度略窄。

2.2 拉伸試驗結(jié)果及分析

7N01-T4鋁合金焊接接頭拉伸試驗結(jié)果見表3。7N01-T4鋁合金板材的抗拉強度為439 MPa，超威弧和雙脈沖焊接得到的接頭焊接系數(shù)都比單脈沖得到的接頭系數(shù)要高。拉伸試樣的斷裂部位都是焊縫中心或熔合線附近焊縫側(cè)。

掃描電鏡下三種MIG焊方法拉伸斷口都是明顯的等軸韌窩形貌，如圖2所示。這是在正拉應(yīng)力作用下塑性變形，以微孔聚集并長大而形成。韌窩底部一般都有夾雜物存在，有顆粒狀也有塊狀。三種MIG焊方法中，雙脈沖拉伸斷口韌窩底部夾雜相對較少，韌窩更小且多呈規(guī)則的圓形。

2.3 微型剪切測試結(jié)果及分析

7N01-T4不同MIG焊方法的微剪性能梯度曲線如圖3所示，三種MIG焊方法得到的焊接接頭焊縫處剪切強度最低，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，剪切強度增加，到母材處該值趨于穩(wěn)定，這也和前面的硬度實驗得出的結(jié)論較為相似。

三種方法得到的焊接接頭中，都沒有發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)軟化區(qū)的存在，這與之前的硬度實驗結(jié)果相吻合。熱影響區(qū)寬度是單脈沖最寬，約為26 mm，雙脈沖焊和超威弧焊都減小了熱影響區(qū)寬度，尤其是超威弧焊接接頭，熱影響區(qū)寬度只有6 mm左右，這對提高焊接接頭的整體性能有著極大的意義。

韌性梯度曲線中，7N01-T4鋁合金單脈沖焊接試件焊縫處的韌性整體水平要比熱影響區(qū)高，但比母材韌性要低；雙脈沖焊接提高了接頭熱影響區(qū)的韌性水平，使其接近焊縫區(qū)的韌性值，但母材韌性水平仍是接頭中最高的；采用超威弧焊接的整個焊接接頭中的韌性水平都比較平穩(wěn)，焊縫處剪切功值稍低，除了熱影響區(qū)中出現(xiàn)了一個剪切功的較高值外，整個接頭剪切功的值波動較小，說明整個接頭部位韌性水平比較接近，超威弧技術(shù)對改善接頭韌性水平起到了一定作用。

塑性梯度曲線中，7N01-T4鋁合金三種焊接方法焊接接頭焊縫處的剪切截面壓入率都是最高的，說明焊縫區(qū)塑性水平最高的[6]。雙脈沖和單脈沖接頭各區(qū)的值相近，雙脈沖焊對接頭的塑性的改善有限。超威弧試件的塑性水平相比單脈沖和雙脈沖試件，整體得到了提高?？梢?，超威弧MIG焊方法除了能改善鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的韌性水平，還能提高接頭的塑性，從而提高焊接接頭的整體性能。

3 結(jié)論

（1）三種焊接方法的接頭硬度曲線相近，沒有明顯的軟化區(qū)，雙脈沖焊和超威弧焊比單脈沖焊的熱影響區(qū)寬度要略窄。

（2）雙脈沖和超威弧焊接得到的接頭焊接系數(shù)都比單脈沖的接頭焊接系數(shù)要高，拉伸試樣的斷裂部位都是焊縫中心或熔合線附近焊縫側(cè)。

（3）三種MIG焊方法得到的焊接接頭焊縫處剪切強度最低，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，剪切強度增加，到母材處該值趨于穩(wěn)定。

（4）單脈沖焊縫處的韌性整體水平要比熱影響區(qū)高，但低于母材；雙脈沖熱影響區(qū)的韌性水平接近焊縫區(qū)，但低于母材；超威弧整個焊接接頭的韌性水平都比較平穩(wěn)。

（5）雙脈沖和單脈沖接頭的塑性相近，而超威弧接頭的塑性水平要高于單脈沖和雙脈沖接頭。超威弧焊接方法可以改善焊接接頭整體性能。

[1]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]王元良，陳 輝.高速列車鋁合金車體的焊接技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[4]謝劍和，陳 輝，趙軍靜.雙脈沖MIG焊對5052鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].電焊機，2011，41（4）：81-85.

[5] Potluri N B，Ghosh P K，Gupta P C，et al.Studies on weldmetal characteristics and their influence on tensile and fatigue properties of pulsed current GMA welded Al-Zn-Mg alloy[J].Welding Journal，1996，75（2）：62-70.

[6] 雷斌隆.高速車輛鋁合金焊接接頭的性能評定[J].電焊機，2004，34（4）：6-7.

Influence of mechanical properties of 7N01-T4 aluminum alloy welded joints by different MIG welding technology

XIA Ning1，JIN Wen-tao1，DU Gang1，ZHOU Cheng-hou1，GE Huai-pu1，GOU Guo-qing2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 266111，China；2.Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The 7N01-T4 aluminum welded joints of single pulse MIG welding technology，double pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology were researched by hardness，tensile strength and micro cut technology.The results showed that the joints coefficient of double pulse MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology.The width of HAZ of double pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology.The toughness and plasticity of force-arc MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology and double pulse MIG welding technology.The force-arc MIG welding technology can improve the mechanical properties of aluminum alloy welded joints.

7N01-T4 aluminum alloy；metal inert gas welding（MIG）；welded joint；mechanical properties

TG407

：A

：1001-2303（2014）02-0074-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.17

2013-10-16

鋁合金焊接接頭疲勞性能研究（KJ12-38C012）

夏 寧（1974—），女，遼寧本溪人，學(xué)士，高級工程師，主要從事高速列車焊接方面的工作。