國(guó)產(chǎn)A6N01鋁合金型材MIG焊接頭的微觀(guān)組織與力學(xué)性能

劉 建，沈正超，何長(zhǎng)樹(shù)

(1.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110819)

A6N01鋁合金屬于A(yíng)l－Mg－Si系合金，為日本在20世紀(jì)80年代所開(kāi)發(fā)，具有中強(qiáng)的力學(xué)性能、良好的加工成形、抗腐蝕、抗疲勞性能和良好的焊接性能，適合制造復(fù)雜截面的多孔中空薄壁型材，用作高速列車(chē)側(cè)墻、車(chē)頂?shù)溶?chē)體主體結(jié)構(gòu)［3］.隨著列車(chē)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)速的不斷提高，車(chē)體輕量化已是提高列車(chē)運(yùn)行速度、降低能耗的重要手段.鋁合金因具有相對(duì)密度較小、塑性好和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車(chē)輛制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.在車(chē)體的制造過(guò)程中，國(guó)外一般采用雙絲MIG自動(dòng)焊和激光MIG共熔池焊，并有少數(shù)的國(guó)家開(kāi)始嘗試攪拌摩擦焊;目前國(guó)內(nèi)主要還是采用MIG焊接方法進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)［1］.

A6N01鋁合金擠壓型材為我國(guó)近幾年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的高速列車(chē)等軌道交通專(zhuān)用材料，擠壓型材最小壁厚可達(dá)2.5 mm.然而，厚壁(厚度＞6 mm)擠壓型材在高速列車(chē)上的應(yīng)用和研究相對(duì)較少.本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)壁厚12 mm的A6N01－T5鋁合金開(kāi)口型材進(jìn)行MIG焊接試驗(yàn)，利用宏、微觀(guān)組織觀(guān)察、顯微硬度測(cè)定以及拉伸和彎曲性能測(cè)試對(duì)焊接接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究與評(píng)價(jià)，對(duì)推進(jìn)我國(guó)高速列車(chē)制造技術(shù)的發(fā)展和長(zhǎng)周期安全運(yùn)行具有一定意義［2］.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 母材與焊絲

選用壁厚12 mm的國(guó)產(chǎn)A6N01－T5鋁合金開(kāi)口型材，截取長(zhǎng)度方向平行于型材擠壓方向且尺寸為300 mm×150 mm×12 mm的母材.采用直徑為1.6 mm的SAF ER5356焊絲作為填充絲對(duì)母材進(jìn)行MIG焊接.母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示.

1.2 試板的焊接

采用KEMPPI半自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行手工MIG焊接，坡口形式如圖2所示.焊前采用丙酮及不銹鋼絲刷嚴(yán)格清理坡口附近50 mm范圍內(nèi)油污及氧化膜.采用多層多道焊接工藝進(jìn)行雙面焊接，焊接時(shí)采用剛性固定，焊接參數(shù)如表2.2所示.焊接完成后，按 ISO 15614－2－2005取樣進(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān)察與力學(xué)性能測(cè)試.按照標(biāo)準(zhǔn) ISO 4136∶2001加工無(wú)余高拉伸試樣，按照標(biāo)準(zhǔn) ISO 5173∶2000加工焊接接頭彎曲試樣.

表1 國(guó)產(chǎn)A6N01鋁合金型材和ER5356焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition(mass fraction%)of domestic A6N01 aluminum alloy profiles and ER5356 welding wire

圖1 焊接接頭坡口形式Fig.1 Type of welding groove

表2 MIG焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters of MIG welding

1.3 微觀(guān)組織觀(guān)察與力學(xué)性能測(cè)試

采用OLYMPUS/GX71型金相顯微鏡觀(guān)察接頭各區(qū)域微觀(guān)組織，腐蝕劑選用新配置的DKeller試劑(體積比為 HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95).使用 Wilson －Wolpert 401MVD 維氏顯微硬度計(jì)在垂直于焊接方向的接頭試樣斷面上進(jìn)行顯微硬度分布測(cè)定，加載載荷為100 g，保壓時(shí)間10s.在SANS萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，拉伸速率 2 mm/min，彎曲速率10 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭顯微組織

圖2為A6N01－T5鋁合金開(kāi)口型材MIG焊接接頭的宏觀(guān)形貌及焊縫區(qū)(WZ)、熔合區(qū)(FZ)和熱影響區(qū)(HAZ)金相顯微組織，焊接接頭沒(méi)有觀(guān)察到明顯的氣孔、熱裂紋等焊接缺陷［4］，MIG焊成形性較好.圖2(b)可以明顯地觀(guān)察到，焊縫區(qū)金屬呈均勻細(xì)小的等軸晶狀，為典型的鑄態(tài)組織;圖2(c)熔合線(xiàn)靠近焊縫一側(cè)，晶粒沿著散熱方向生長(zhǎng)呈柱狀晶;而熱影響區(qū)(圖2(d))的晶粒明顯聚集長(zhǎng)大、粗化.

2.2 焊接接頭的顯微硬度

A6N01－T5鋁合金開(kāi)口型材MIG焊接接頭的顯微硬度測(cè)量結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，焊縫區(qū)顯微硬度較高，約65～70 HV.在熔合線(xiàn)附近，顯微硬度開(kāi)始下降.在距離焊縫中心10～12 mm的熱影響區(qū)，硬度值達(dá)到最低，約52 HV，之后硬度值逐漸升高.

圖2 焊接接頭宏觀(guān)形貌及各區(qū)域顯微組織Fig.2 Macro morphology and microstructures of welded joint

圖3 焊接接頭顯微硬度分布Fig.3 Distribution of micro－h(huán)ardness of the welded joint

A6N01鋁合金型材的狀態(tài)為T(mén)5狀態(tài)，合金的晶粒組織基本上為再結(jié)晶組織:α固溶體和時(shí)效析出的Mg2Si相(金相照片中黑色細(xì)小的點(diǎn)).焊接過(guò)程中，熔池的體積較小且被溫度較低的金屬包圍，焊縫金屬熔池的冷卻速度很大，導(dǎo)致焊縫中心為細(xì)小的等軸晶組織，硬度較高;在熔合線(xiàn)附近熱輸入量大，原始T5狀態(tài)時(shí)效析出的Mg2Si強(qiáng)化相粒子大部分固溶到α(Al)基體中，形成過(guò)飽和固溶體，在隨后冷卻過(guò)程中析出部分Mg2Si強(qiáng)化相粒子［6］，硬度值較焊縫區(qū)低;而離焊縫區(qū)較遠(yuǎn)的熱影響區(qū)，焊接加熱時(shí)溫度會(huì)超過(guò)原有的時(shí)效處理溫度，但又未達(dá)到固溶溫度，會(huì)出現(xiàn)過(guò)時(shí)效效應(yīng)，即Mg2Si強(qiáng)化相在焊接冷卻時(shí)發(fā)生聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致硬度降低達(dá)到最小值，使該區(qū)成為軟化區(qū)［5］.過(guò)了熱影響區(qū)后，就是母材在T5狀態(tài)下的硬度，趨向一致.

2.3 焊接接頭的拉伸力學(xué)性能

A6N01－T5母材及MIG焊接接頭的拉伸宏觀(guān)照片及拉伸力學(xué)性能分別如圖4和表3所示.由圖4可知，焊接接頭拉伸斷裂位置均位于距離焊縫中心10～12 mm的熱影響區(qū)，與顯微硬度測(cè)試結(jié)果相符(如圖3).由表3可知，焊接接頭的屈服強(qiáng)度為116 MPa，抗拉強(qiáng)度為205 MPa，低于母材的抗拉強(qiáng)度，但仍高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN288－4(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9956－4)所要求的195 MPa，滿(mǎn)足高速列車(chē)鋁合金的使用條件［7］.焊接接頭斷后伸長(zhǎng)率與母材相比有明顯降低.

圖4 拉伸宏觀(guān)照片F(xiàn)ig.4 Macro morphology of tensile tested specimens:

表3 A6N01－T5母材和焊接接頭的拉伸力學(xué)性能Table 3 Tensile properties of base material and welded joints

圖5 彎曲宏觀(guān)照片F(xiàn)ig.5 Macro morphology of bend test specimens

2.4 焊接接頭的彎曲性能

A6N01－T5母材及MIG焊接接頭的彎曲宏觀(guān)照片和彎曲性能結(jié)果分別如圖5和表4所示，彎曲后在試樣上均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明試樣焊接前后都具有良好的彎曲性能.

表4 A6N01－T5母材和焊接接頭的彎曲性能Table 4 Bend properties of base material and welded joints

3 結(jié)論

(1)A6N01－T5鋁合金焊接性能良好，焊接時(shí)未形成宏觀(guān)和微觀(guān)裂紋;

(2)焊縫中心區(qū)域呈細(xì)小等軸晶狀的鑄態(tài)組織，焊縫邊緣的熔合區(qū)形成了柱狀晶組織，熱影響區(qū)晶粒聚集長(zhǎng)大、粗化，導(dǎo)致形成HAZ的過(guò)時(shí)效軟化區(qū)，其顯微硬度值約為52 HV;

(3)A6N01－T5鋁合金MIG焊接接頭的拉伸斷口位于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度為205 MPa，仍符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 9956－4(歐洲標(biāo)準(zhǔn)DIN EN288－4);

(4)A6N01－T5鋁合金MIG焊接前后具有良好的彎曲性能，彎曲后均未發(fā)現(xiàn)裂紋.

［1］劉雪松，李書(shū)齊，王蘋(píng)，等.6N01－T5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，2009，30(10):25－29.

(Liu Xuesong，Li Shuqi，Wang Ping，et al.Fatigue failure analysis of 6N01 － T5 aluminum alloy welded joints［J］.Transactions of the China Welding Institution，2009，30(10):25 －29.)

［2］楊尚磊，林慶琳.A6N01鋁合金焊接接頭的微觀(guān)組織與力學(xué)性能［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22(10):2720－2725.

(Yang Shanglei，Lin Qinlin.Microstructures and mechanical properties of A6N01 aluminum alloy welding joint［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012，22(10):2720－2725.)

［3］季凱，姚廣春.高速列車(chē)6005A鋁合金厚板的焊接工藝［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31(10):1457－1461.

(Ji Kai， Yao Guangchun. Welding parameters of 6005A aluminum alloy for new high － speed train［J］.Journal of Northeastern University(Natural Science)2010，31(10):1457 －1461.)

［4］郭飛躍，尹志民，王炎金.鐵路車(chē)輛用6005A鋁合金大型材焊接性能研究［J］.輕合金加工技術(shù)，2003，31(1):41－44.

(Guo Feiyue，Yin Zhimin， Wang Yanjin.Study on the Welding Property of 6005A aluminium large－sized profile for vehicle fabrication［J］.Light Alloy Fabrication Technology，2003，31(1):41 －44.)

［5］尹志民，張愛(ài)瓊，王炎金.6005A鋁合金型材焊接接頭組織與性能［J］.輕合金加工技術(shù)，2001，29(1):32－37.

(Yin Zhimin，Zhang Aiqiong，Wang Yanjin.Microstructure and properties of welded joints of extruded 6005A aluminium alloys［J］.Light Alloy Fabrication Technology，2001，29(1):32 －37.)

［6］劉靜安，王元良，屈金山.鐵道車(chē)輛用鋁材的焊接特性［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1996，6(6):87－92.

(Liu Jingan， Wang Yuanliang， Qu Jinshan. Welding characteristics of aluminium alloys for railway wehicles［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，1996，6(6):87 －92.)

［7］劉楊，王立君，薛華.高速列車(chē)用A6N01S－T5鋁合金焊接接頭力學(xué)性能及微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析［J］.材料科學(xué)研究論文.

(Liu Yang，Wang Lijun，Xue Hua.Mechanical properties and microscopic structure analysis of welded joints on A6N01S－T5 aluminium alloy employed in express trains［J］.Http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200705 －218.)