軌道車輛車體A6N01S
——T5鋁合金焊接接頭低溫性能研究

方喜風(fēng)，劉擁軍

（1.南車青島四方機(jī)車車輛有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都 610031）

軌道車輛車體A6N01S
——T5鋁合金焊接接頭低溫性能研究

方喜風(fēng)1，劉擁軍2

（1.南車青島四方機(jī)車車輛有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學(xué)焊接研究所，四川成都 610031）

在高寒條件下，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭的性能好壞對(duì)于高速列車車體的安全運(yùn)行至關(guān)重要，研究焊接接頭的低溫性能可以為設(shè)計(jì)高寒條件下使用的高速列車車體提供理論依據(jù)。針對(duì)A6N01S-T5鋁合金對(duì)接接頭，進(jìn)行了不同低溫環(huán)境下接頭的抗拉強(qiáng)度、冷彎性能、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究，同時(shí)測(cè)定接頭的硬度分布，觀察該接頭的微觀組織。試驗(yàn)結(jié)果表明：接頭各區(qū)的組織狀況能夠很好的分析硬度分布規(guī)律。隨著溫度的降低，接頭強(qiáng)度有所提高，但由于焊縫中存在缺陷，使得溫度對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響不是很明顯，氣孔是引起疲勞裂紋的主要原因之一。

高寒條件；A6N01S-T5；高速列車；焊接接頭；性能研究

0 前言

目前我國(guó)生產(chǎn)的CRH型動(dòng)車組運(yùn)行的環(huán)境溫度要求為-25℃～+40℃，而東北地區(qū)鐵路沿線近30年來(lái)氣象記錄最低溫度為-37.3℃。針對(duì)鋁合金焊接接頭的性能研究，國(guó)內(nèi)外主要進(jìn)行了常溫條件下的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和低溫沖擊韌性檢測(cè)[1]。而對(duì)于高寒條件下的接頭性能的測(cè)試研究較少，尤其是低溫疲勞性能測(cè)試研究很少提及。在此主要研究鋁合金A6N01S-T5在高寒環(huán)境條件下焊接接頭的性能和微觀組織，可為高速列車在高寒條件下的服役行為及高速列車車體焊接接頭設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用試驗(yàn)材料為3.5mm的A6N01S-T5，其主要化學(xué)成分見表1，焊接材料選用直徑1.2mm的ER5356，其化學(xué)成分見表2，經(jīng)檢測(cè)，母材A6N01S-T5鋁合金抗拉強(qiáng)度為315 MPa。

表1 A6N01S-T5鋁合金的化學(xué)成分 %

表2 ER5356焊絲化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

焊接設(shè)備采用Kemppi FastMig350，焊接材料選用ER5356，進(jìn)行試件焊接和無(wú)損檢測(cè)，合格后進(jìn)行接頭性能標(biāo)準(zhǔn)試樣的加工和試驗(yàn)。

在不同溫度條件下（常溫、-25℃、-40℃、-50℃），對(duì)焊接接頭進(jìn)行常規(guī)力學(xué)性能（如拉伸、彎曲及沖擊）和疲勞性能測(cè)試，結(jié)合接頭金相組織及硬度測(cè)試結(jié)果，綜合分析不同溫度條件下溫度對(duì)接頭拉伸、彎曲、沖擊及疲勞的影響。

采用GX40金相顯微鏡、卡爾蔡司A1m顯微鏡進(jìn)行接頭金相組織觀察；采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試母材及接頭硬度；采用WE-30液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、WDW3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行母材及接頭拉伸性能、彎曲性能試驗(yàn)；采用PLG-100微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)開展接頭疲勞壽命測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 硬度測(cè)試結(jié)果及分析

A6N01S-T5鋁合金焊接接頭硬度分布測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在焊縫區(qū)域硬度值約為60 HV，母材區(qū)域硬度值約為90 HV，接頭焊接熱影響區(qū)存在一定的軟化狀況，由于母材比較薄，焊縫也有一定的軟化。

圖1 A6N01S-T5鋁合金硬度測(cè)試分布

2.2 接頭微觀組織觀察及分析

A6N01S-T5-T5鋁合金焊接接頭微觀組織如圖2所示，從圖2中可看出，6N01S-T5鋁合金焊接接頭具有典型熔化焊焊接接頭的特點(diǎn)，焊縫區(qū)、熔合線、焊接熱影響區(qū)、母材分區(qū)明顯。焊縫有一定的柱狀晶生長(zhǎng)方向，但由于沉淀析出相均勻分布，整個(gè)焊縫晶粒較細(xì)小。而焊接熱影響區(qū)區(qū)由于受到熱循環(huán)的作用，晶粒粗大，母材原有的帶狀組織已不明顯，使得形變強(qiáng)化的效果部分喪失[2]，產(chǎn)生焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。這可以很好的分析圖1中的硬度分布規(guī)律。

2.3 拉伸與彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度條件下A6N01S-T5鋁合金焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

A6N01S-T5鋁合金焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度在常溫、-25℃、-40℃、-50℃時(shí)依次為174MPa、177MPa、191 Pa、190 MPa。常溫條件下與-25℃時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度變化不夠明顯，-40℃與-50℃時(shí)抗拉強(qiáng)度差異也不大，但-40℃時(shí)抗拉強(qiáng)度較常溫提高近10%。因此，在高速列車設(shè)計(jì)允許環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對(duì)于接頭抗拉強(qiáng)度的影響較為顯著，即A6N01S-T5-T5鋁合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的降低而有所提高。其原因是溫度的降低使得材料內(nèi)部原子間距變小，位錯(cuò)移動(dòng)阻力增加，從而增加材料的抵抗變形抗力[3]，進(jìn)而提高材料的抗拉強(qiáng)度。該接頭在不同溫度條件下均斷裂于HAZ，這是因?yàn)椴捎肊R5356焊絲為低匹配。

圖2 A6N01S-T5鋁合金接頭微觀組織

A6N01S-T5鋁合金接頭彎曲試樣在常溫、-25℃、-40℃、-50℃等溫度條件下進(jìn)行正彎、背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋或缺陷，彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

參照標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2273《金屬材料疲勞試驗(yàn)方法通則》進(jìn)行不同環(huán)境溫度條件下A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能試驗(yàn)，循環(huán)應(yīng)力比R＝0，加載頻率f＝95 Hz，循環(huán)應(yīng)力最高加載次數(shù)為107周次。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，-25℃、-40℃、-50℃條件下焊接接頭的疲勞極限分別為95 MPa、97.5 MPa、97.5 MPa，達(dá)到要求值89.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。-40℃條件下A6N01ST5鋁合金焊接接頭疲勞試驗(yàn)S-N（應(yīng)力-壽命）曲線如圖3所示。

圖3 -40℃條件下A6N01S-T5鋁合金焊接接頭S-N曲線

A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂多數(shù)發(fā)生在焊縫區(qū)，因此焊縫區(qū)是A6N01S-T5-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能的薄弱區(qū)域。

在-40℃條件下，加載載荷120 MPa，循環(huán)次數(shù)為7.6×106，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞斷口形貌如圖4所示。該斷口在試件表面存在微觀氣孔缺陷是引起疲勞斷裂的主要原因。

由圖4可知，由于焊接接頭微觀缺陷的存在，例如枝晶間的微小氣孔等缺陷，使得環(huán)境溫度對(duì)焊接接頭疲勞性能的影響并不十分明顯，環(huán)境溫度的降低不能顯著提高接頭疲勞性能。此外，試件表面的加工狀況也對(duì)其循環(huán)次數(shù)有著顯著的影響。

因此，針對(duì)鋁合金焊接接頭疲勞試驗(yàn)使用的試件，首先要在焊接過(guò)程中嚴(yán)控導(dǎo)致氫氣孔產(chǎn)生的因素，如焊接前嚴(yán)格清理母材表面的氧化膜，盡可能降低空氣濕度，采用含水量極低的氬氣。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)合格的接頭在疲勞試件加工時(shí)必須保證試件表面和側(cè)面較低的粗糙度，盡可能采用鏡面拋光方式準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軌道車輛6N01S-T5鋁合金焊接接頭在低溫條件下的拉伸、彎曲及疲勞性能的測(cè)試和分析，結(jié)合接頭硬度分布及組織得到以下結(jié)論：

（1）隨著溫度的降低，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有一定提高，40℃時(shí)抗拉強(qiáng)度較常溫時(shí)提高近10%。

（2）-25℃、-40℃、-50℃條件下焊接接頭的疲勞極限分別為95 MPa、97.5 MPa、97.5 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求89.0MPa。由于焊接接頭存在一定的微小氣孔等缺陷，溫度對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響不是很明顯。（3）從接頭硬度分布狀況可以看出，接頭HAZ存在一定的軟化，由于采用低匹配焊材，焊縫硬度低于母材。

圖4 SEM形貌（-40℃，加載載荷120 MPa，循環(huán)次數(shù)為7.6×106）

[1]王元良.高速列車鋁合金車體的焊接技術(shù)[M].四川：西南交通大學(xué)出版社，2012.

[2]周振豐.焊接冶金學(xué)(金屬焊接性)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]趙慧杰，呂世雄.低溫下LF6合金及其焊接接頭的拉伸性能和斷口微觀形貌[J].焊接，2003（9）：9-12.

[4]李太仁，包曄峰.16MnDR焊接接頭的低溫力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2007，37（9）：69-72.

Study on the performance of the A6N01S-T5 aluminum alloy welding joint in bullet train at low temperature

FANG Xi-feng1，LIU Yong-jun2
（1.CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

It’s important for the safe operation of the high-speed train about the performance of the A6N01A-T5 aluminum alloy welding joint at the low temperature.It can provide theoretical basis for the design of the high-speed train used at low temperature for the research of the low temperature performance of the A6N01S-T5 joints.In the paper，it studys the tensile strength,cold bending properties and fatigue strength of the butt joints under different low temperature environment.At the same time，the microstructure of the joint is observed，the hardness of joint distribution is tested.The result shows that the organization of the joint can analytical hardness distribution.With the temperature is reduced,the strength of the joint is reduced too.Because there are tiny defects in the weld,the effect of temperature on the joint fatigue strength is not very obvious.Porosity is one of the main cause.

alpine conditions；A6N01S-T5；high-speed train；welding joint；performance

TG407

A

1001-2303（2014）04-0142-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.04.31

2014-03-14

國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA11A101）

方喜風(fēng)（1 9 7 5—），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事軌道車輛制造技術(shù)的研究工作。