高速列車用6005A鋁合金接頭沖擊韌性的研究

季 凱,張 靜,徐玉松

(江蘇科技大學(xué) 冶金與材料學(xué)院,張家港 215600)

近年來,各種現(xiàn)代化高速列車的出現(xiàn)推動著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)的迅猛發(fā)展．在高速列車、地鐵等現(xiàn)代化交通運(yùn)輸工具帶給人們便利的同時,也對車體材料質(zhì)量提出了更高的要求、更高的期望[1-2]．其中,6005A鋁合金是一種可熱處理方式強(qiáng)化Al-Mg-Si系變形材料,因其具有良好的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性、可焊性和擠壓成型性能,已被廣泛應(yīng)用于高速列車．然而伴隨著高鐵速度的不斷提升以及外部服役環(huán)境的日益惡化,鋁合金結(jié)構(gòu)材料在寒冷地區(qū)服役過程中易產(chǎn)生焊接區(qū)域的整體冷脆現(xiàn)象的事實制約著其在軌道交通領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[3-6]．因此,文中從車體鋁合金焊接結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量出發(fā),細(xì)致研究了低溫環(huán)境下焊接區(qū)域的理化特性與力學(xué)行為,改善鋁合金車體焊接蒙皮材料殘余應(yīng)力分布,強(qiáng)化材料鏈接區(qū)域的力學(xué)性能,促進(jìn)軌道交通材料在高緯度高海拔地區(qū)等嚴(yán)寒地區(qū)的快速發(fā)展．

1 試驗材料及方法

試驗采用上海通用汽車有限公司提供的商用6005A-T6變形鋁合金,板材形狀尺寸為200 mm×100 mm×12 mm．焊絲選用美國進(jìn)口ER5356，直徑為3.0 mm,母材與焊絲的化學(xué)成分見表1．

表1 6005A鋁合金及其焊絲的化學(xué)成分

采用MIG自動進(jìn)行系統(tǒng)焊接試驗,焊接方向垂直于厚板的軋制方向,焊接工藝參數(shù)如表2．將6005A鋁合金基材及其焊接接頭試樣分別制成尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的Charpy V型缺口沖擊樣品(缺口深度為2 mm,張角為45°)，按照GB/T 19748-2005操作進(jìn)行室溫示波沖擊試驗,使用儀器為450-J沖擊試驗機(jī)(IMP450JDynatup, Instron),在20℃～-80℃之間測量Charpy沖擊吸收功并記錄示波曲線．

表2 焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁合金焊接接頭金相組織

受焊接熱輸入影響,焊接接頭不同區(qū)域具有不同組織形貌和晶粒粗化程度,如圖1．基材區(qū)位于圖1(a)底部區(qū)域,是典型的軋制或者擠壓態(tài)的再結(jié)晶組織,其再結(jié)晶晶粒沿軋制方向伸長,仍可見熱加工后組織變化．熱影響區(qū)位于圖1(a)中部,分為淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)(過時效區(qū)),金相組織如圖1(c),熱影響區(qū)晶粒整體粗化現(xiàn)象明顯,其中靠近焊縫的淬火區(qū)是焊絲與母材金屬的高溫融合區(qū)域,其化合物大部分固溶到基體,析出強(qiáng)化相少,受焊接熱影響二次再結(jié)晶現(xiàn)象明顯,淬火區(qū)大晶粒吞食周圍的小晶粒迅速合并長大,易形成粗大的柱狀晶組織,柱狀晶長度方向約為50 μm,寬度方向為10 μm．靠近基材區(qū)的過時效區(qū),盡管也呈現(xiàn)出等軸晶體組織,但其等軸晶組織相對粗大,直徑約為20～30 μm,同時,特殊的熱輸出過程也促使粗大析出強(qiáng)化相的出現(xiàn),降低了焊接接頭整體的強(qiáng)度和塑性[2]．焊縫區(qū)則是典型的樹枝狀鑄造晶體組織,其直徑約為20～50 μm,如圖1(d)．因此,對于高速列車車體結(jié)構(gòu)材料鋁合金焊接接頭來說,即使采用合理焊接工藝，其焊后組織、強(qiáng)化相也存在明顯的析出聚集長大,致使該區(qū)域形成固溶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的效果較基材區(qū)弱的多．同時伴隨著列車不斷提速和服役條件的日益惡化,尤其是在寒冷地區(qū)服役過程中,車體材料焊接區(qū)域原有殘余應(yīng)力的“平衡狀態(tài)”被打破,殘余應(yīng)力不斷地釋放與重新分布,導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改性,形成焊接區(qū)域整體的冷脆現(xiàn)象[7]．

圖1 6005A鋁合金焊接接頭的金相組織

2.2 鋁合金焊接接頭示波沖擊試驗

利用保溫箱對試樣進(jìn)行不同溫度下保溫處理,然后迅速進(jìn)行沖擊試驗．不同溫度下試樣沖擊載荷-位移曲線和能量-位移曲線如圖2．

圖2 不同溫度下焊縫接頭沖擊載荷-位移曲線和能量位移曲線

夏比沖擊實驗所得試樣的沖擊載荷-位移-能量曲線能夠描述焊接試樣在不同階段的能量分布,并對不同組織的斷裂特征和韌脆程度進(jìn)行精確展現(xiàn)．基于夏比沖擊實驗羅列出焊接試樣的沖擊載荷和沖擊吸收功值,如表3．通過圖2沖擊載荷-位移-能量曲線以及表3不同載荷下沖擊吸收功的數(shù)據(jù)繪制出韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線,如圖3．6005A鋁合金焊接接頭隨溫度的沖擊韌性總體呈現(xiàn)先恒定不變,后逐漸減小,再穩(wěn)步提升的趨勢．鋁合金焊接試樣在常溫下沖擊吸收功為18.5 J,0℃和-20℃依舊維持在18 J左右,隨著溫度繼續(xù)下降,沖擊吸收功急劇下降至9.4 J,代表6005A鋁合金焊接材料在-20℃～20℃區(qū)間使用是安全的．隨著溫度繼續(xù)下降,6005A鋁合金焊接接頭的沖擊吸收功出現(xiàn)極小值．因此,溫度-40℃左右是高速列車車用6005A鋁合金焊接接頭使用的一個裂紋敏感區(qū)．由于6005A鋁合金焊接區(qū)域組織在焊接熔化和隨后快速凝固過程中受到相變、焊接應(yīng)力等因素共同作用下,產(chǎn)生的不平衡結(jié)晶柱狀晶組織,其抵抗裂紋能力變差,在數(shù)值上表現(xiàn)為不同溫度下裂紋形成功普遍不大．比較不同溫度下鋁合金裂紋擴(kuò)展功與裂紋形成功比值還發(fā)現(xiàn),期間鋁合金焊接組織的韌性基本不變．其原因在于較低溫度時,原子獲得能量的幾率減小,鄰近位錯源要取得足夠能量開動產(chǎn)生的滯后現(xiàn)象．因而位錯塞積群前端的彈性能就難以通過相鄰晶粒中位錯運(yùn)動的激活而松弛[8-9]．

表3 在不同溫度下沖擊載荷及其吸收功值

圖3 6005A鋁合金焊接接頭沖擊韌性隨溫度的變化趨勢

2.3 鋁合金焊接接頭沖擊斷口分析

圖4為6005A鋁合金焊接接頭的沖擊試樣斷口形貌圖．宏觀上6005A鋁合金焊接試樣沖擊斷口的缺口底部與水平的剪切力形成45°剪切面,斷口的韌窩明顯且沿著裂紋的拓展方向延伸．而不同溫度下6005A鋁合金焊接沖擊試樣受載后,試樣的變形行為與破環(huán)過程呈現(xiàn)出相同的趨勢,如圖4．

圖4 6005A鋁合金焊接接頭的沖擊斷口形貌

6005A鋁合金焊接試樣首先受應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形,微裂紋在缺口根部萌生,伴隨著裂紋萌生擴(kuò)展過程中材料吸收大量能量后快速進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段形成放射形結(jié)晶狀組織,即材料沿著裂紋的拓展方向依次呈現(xiàn)纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇等典型斷口形貌．而在不同溫度(-80℃～20℃)下,6005A鋁合金焊接接頭沖擊性能差異在于,形成斷口纖維區(qū)寬度與韌窩大小的不同,其中斷口纖維區(qū)的寬度依次為20 ℃,2.8 mm;0 ℃,3.0 mm;-20 ℃,2.7 mm;-40 ℃,1.2 mm;-60 ℃,2.5 mm;-80 ℃,2.8 mm．同時位于斷口中央纖維區(qū)、放射區(qū)交替分布著尺寸大小不一若干延性韌窩群,韌窩群大小及其韌窩內(nèi)第二相粒子斷裂方式也會影響鋁合金焊接接頭的沖擊斷口塑性,但總體來說,6005A鋁合金焊接接頭平滑的斷口和較淺的韌窩代表該材料的塑性一般．因此,要想從根本上改善6005A鋁合金焊接材料低溫下沖擊性能,探索兼具理想強(qiáng)度水平、良好焊接性能以及低溫下超長服役周期的新型高速列車用鋁合金焊接材料仍需科研工作者從常規(guī)的工藝因素、冶金因素入手．工藝方面應(yīng)通過攪拌摩擦焊、激光復(fù)合焊等先進(jìn)焊接技術(shù)及其相關(guān)的計算機(jī)軟件模擬焊接實驗等方法來優(yōu)化改性焊接材料組織與性能,冶金因素的研究則應(yīng)更多關(guān)注Sc,Zr等微量合金元素對成熟牌號鋁合金性能的優(yōu)化以及從防止焊接低溫?zé)崃鸭y產(chǎn)生的角度來改善母材結(jié)晶方式,進(jìn)而全面實現(xiàn)軌道交通用鋁合金焊接材料在嚴(yán)寒地區(qū)的使用．

3 結(jié)論

(1) 6005A鋁合金焊接接頭組織在靠近基材的過時效區(qū)呈現(xiàn)等軸晶體組織,等軸晶直徑約為20～30 μm．而靠近焊縫區(qū)域的淬火區(qū),多為柱狀晶體組織,柱狀晶長度方向約為50 μm,寬度方向為10 μm．

(2) 在不同溫度下對6005A鋁合金沖擊試樣,進(jìn)行沖擊試驗,具有不同的裂紋形成功、裂紋穩(wěn)定拓展吸收能以及裂紋失穩(wěn)拓展吸收能．常溫下6005A鋁合金焊接接頭沖擊吸收功18.5 J,隨溫度降低焊接區(qū)域的沖擊韌性呈現(xiàn)先逐漸減小后穩(wěn)步提升的趨勢,并且在-40℃時6005A鋁合金焊接接頭存在裂紋敏感區(qū)．

(3) 6005A焊接接頭沖擊試樣沿著裂紋的拓展方向依次呈現(xiàn)纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇等典型斷口形貌．?dāng)嗫诶w維區(qū)寬度與韌窩大小的差異將直接影響材料在低溫下的沖擊性能．

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