合金元素對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭斷裂韌性的影響

陳佳，張英波

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合金元素對(duì)A7N01鋁合金焊接接頭斷裂韌性的影響

陳佳1,2，張英波2*

（1. 成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 成都 611756；2. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

A7N01鋁合金是制造高速列車底架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料，其合金構(gòu)成中含有Zn、Mg等主元素，Mn、Cr、Zr,、Ti、Cu等微量元素以及雜質(zhì)元素Fe、Si等元素。以具有四種不同合金含量的鋁合金材料為研究對(duì)象，并制備了焊接接頭，測(cè)試了不同焊接接頭的斷裂韌性。研究結(jié)果表明：決定A7N01鋁合金母材斷裂韌性性能的主要因素在于元素含量及配比，而對(duì)于焊接接頭，除了元素含量及配比的影響，氣孔的分布數(shù)量及體積對(duì)于斷裂韌性起到了較大的影響。因此，在制備A7N01鋁合金焊接接頭時(shí)，除了要考慮合金元素的影響，更應(yīng)該控制接頭中氣孔的生成，提高接頭的質(zhì)量。

合金元素；A7N01鋁合金；斷裂韌性；氣孔

A7N01鋁合金是日本最先研發(fā)的一種合金，是仿照美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)7005鋁合金研制而成，故與7005合金相仿，我國(guó)的7020鋁合金的成分與7N01鋁合金的類似。7N01鋁合金具有良好的熱變形性能，可以擠壓成形狀復(fù)雜的薄壁中空型材，在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下能夠得到較高的強(qiáng)度、較好的耐蝕性以及優(yōu)良的焊接性能，因此A7N01鋁合金型材被廣泛用于高速列車車體底架、枕梁、端面梁、橫梁等高應(yīng)力部位。A7N01鋁合金中Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～5%，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%，另外還有微量合金元素Mn、Cr、Zr、Ti、Cu以及雜質(zhì)元素Fe、Si。提高合金中的Zn、Mg含量，抗拉強(qiáng)度雖會(huì)得到進(jìn)一步提高，但同時(shí)也伴隨著合金抗應(yīng)力腐蝕性能和抗剝落腐蝕能力的下降，Zr能顯著改善合金的可焊性，少量的Cr對(duì)合金的力學(xué)性能和抗蝕性有利。該合金的主要強(qiáng)化相為MgZn2(η)與Al2Mg3Zn3(T)，另外還有S(Al2CuMg)、Al3Zr、CrAl7、MnAl6等輔助強(qiáng)化相。MgZn2相強(qiáng)化效果顯著，其在合金中的溶解度隨溫度的降低急劇下降，可從共晶溫度時(shí)的28%下降到室溫時(shí)的4%～5%，因此具有很強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化效果[1-4]。

而鋁合金在制造過程中，不可避免地存在焊接氣孔，鋁合金在進(jìn)行MIG時(shí)對(duì)氫致氣孔有著很高的敏感性，氣孔中的氫氣又大部分來(lái)自空氣中水分，氫氣孔的產(chǎn)生量與焊接環(huán)境中的濕度有直接關(guān)系[5-9]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文所采用的實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)過調(diào)整成分的高速列車常用的高強(qiáng)度鋁合金型材7N01S1-T5，板厚8 mm。調(diào)整成分后分為四組：

（1）7N01S1-T4經(jīng)過固溶處理加自然時(shí)效后編號(hào)為1#；

（2）7N01S1-T6經(jīng)過固溶處理加完全人工時(shí)效后編號(hào)為2#；

（3）7N01S1-T7經(jīng)過固溶處理加過時(shí)效后編號(hào)為3#；

（4）7N01S1-T8經(jīng)過固溶處理加冷加工及人工時(shí)效后編號(hào)為4#。

本文選擇的焊接工藝為MIG焊，填充材料采用ER5356焊絲，焊絲直徑為1.6 mm，保護(hù)氣為純度99.999%的氬氣，試板尺寸為300 mm×200 mm×8 mm。

四組鋁合金母材成分如表1所示，焊絲成分如表2所示。

本文采用的MIG焊設(shè)備是德國(guó)EWM公司PHOENIX系列421 EXPERT forceArc MIG焊機(jī)，焊接坡口為V型，坡口角度取45°，留1 mm左右鈍邊，對(duì)接板間隙為1 mm。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 母材化學(xué)成分（wt%）

表2 焊絲的化學(xué)成分（wt%）

表3 鋁合金單脈沖MIG焊焊接工藝

由文獻(xiàn)[5]可知，在不同的濕度條件下獲得的焊接接頭，其氣孔數(shù)量和氣孔直徑存在很大的差別，對(duì)接頭的性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，本論文在分析文獻(xiàn)[5]結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇70%的環(huán)境濕度，在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中完成上述四種鋁合金材料的焊接。

環(huán)境實(shí)驗(yàn)室可以對(duì)溫度、濕度進(jìn)行精確控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)。其中，溫度的調(diào)節(jié)范圍為-20±0.5℃～40±0.5℃；濕度的調(diào)節(jié)范圍為20±2%～40±2%。

1.2 斷裂韌性試驗(yàn)

斷裂韌性的試樣尺寸見圖1所示。在7N01S1-T4、7N01S1-T6、7N01S1-T7、7N01S1-T8的母材及焊接接頭處取三點(diǎn)彎曲試樣。先在YK-1型音叉式疲勞開縫機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為0.5～0.6 W，即8～9.6 mm。為了防止預(yù)制的裂紋過長(zhǎng)造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，在試件上做標(biāo)記時(shí)留有余量，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度保持在8.5～9 mm。

圖1斷裂韌性試樣尺寸（單位：mm）

預(yù)制裂紋后，斷裂韌度實(shí)驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB / T 21143－2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試方法在WD-E精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載。之后對(duì)7N01鋁合金焊接接頭裂紋積分值J的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，同時(shí)結(jié)合金相分析和斷口分析。

預(yù)制裂紋后，斷裂韌度實(shí)驗(yàn)在WD-E精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載，跨距64 mm，實(shí)驗(yàn)加載速率0.5 mm/min。測(cè)量載荷與裂紋張開位移曲線以及載荷與施力點(diǎn)位移關(guān)系曲線。用體式蔡司顯微鏡觀察并測(cè)量試樣斷口裂紋長(zhǎng)度0，用JSM-6490LV掃描電鏡（SEM）觀察斷口形貌。最后由式（1）計(jì)算J，即：

式中：J和J分別為積分值的彈性和塑性分量，kJ/m2；0為裂紋長(zhǎng)度，mm；為試樣厚度，mm；為試樣高度，mm；為載荷，kN；為彈性模量；為泊松比；為跨距，mm；V為裂紋張開位移塑性分量，mm；為應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)；U為力和施力點(diǎn)位移曲線下面積的塑性分量，mm。

由文獻(xiàn)[10]可查得應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)的值。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可確定材料斷裂性能差異。

2 試驗(yàn)結(jié)果

四組鋁合金母材與焊接接頭的J值如表4所示，四種鋁合金材料的材料核心元素含量見表5所示。

根據(jù)表4的值和表5各型號(hào)材料合金元素含量可以發(fā)現(xiàn)，四種不同成分的A7N01S鋁合金試樣的斷裂韌度，把母材按平均值由高到低排列依次為M1#（38.17）、M3#（34.34）、M2#（33.15）、M4#（23.93），韌性越來(lái)越差。

而在焊接接頭中H2#平均值（104.88）和H4#平均值（105.77）相差不大。H3#平均值（89.46）和H1# 平均值（83.57）相差5.89。按平均值由高到低依次為H4#、H2#、H3#、H1#。

圖2是四組A7N01S鋁合金試樣的斷口形貌。左側(cè)由上到下依次是H1#、H2#、H3#、H4#的X500掃描照片。在這四張照片中可看到，四組試樣的斷裂方式都是韌窩型穿晶斷裂。H1#和H3#試樣的韌窩數(shù)量較多，但是尺寸比H2#和H4#的韌窩尺寸小，在韌窩中心還存在第二相粒子。H2#試樣的韌窩很大、很深，并且在大韌窩中還可以看到許多小韌窩。H4#試樣的韌窩較大，在韌窩中存在第二相粒子。

表4各型號(hào)材料J值

材料型號(hào)F/NAa0/mmUp/JJc/（kJ·m2） H1-12182.612.89 8.412264.8782.28 H1-22149.952.918.432322.2084.25 H1-32033.993.02 8.602273.9584.17 H2-12021.003.04 8.642767.46101.31 H2-22220.342.95 8.502846.76103.16 H2-32130.143.08 8.702973.72110.15 H3-11972.973.03 8.622401.7988.30 H3-22097.342.85 8.342189.4578.40 H3-32155.252.86 8.362882.00101.68 H4-12176.512.96 8.512860.60103.49 H4-22167.912.85 8.342968.35104.29 H4-31970.243.22 8.912886.31109.52 M1-13513.912.91 8.42555.5338.64 M1-24837.202.29 7.06487.6437.46 M1-33629.482.92 8.45501.6338.42 M2-12847.933.42 9.19407.0933.37 M2-23243.273.10 8.74410.3633.76 M2-33194.763.10 8.74385.4632.31 M3-12996.373.14 8.80493.0534.32 M3-23050.543.08 8.71536.1435.52 M3-32482.923.62 9.42460.6333.19 M4-13297.702.81 8.28252.0724.83 M4-22719.703.31 9.04187.9822.49 M4-32032.324.35 10.18216.3424.47

備注：M為母材；H為焊接接頭。

表5各型號(hào)材料核心元素含量

試樣號(hào)FeMnMgCrZnTi 1#0.1260.3521.4060.2744.1440.029 2#0.1410.2171.5570.1434.2920.027 3#0.1610.3591.5460.2604.5930.066 4#0.2570.3491.5610.2634.6010.072

右側(cè)由上到下依次是H1#、H2#、H3#、H4#的X30掃描照片。在這四張照片中可看到，H3#試樣斷面上存在許多氣孔，且尺寸較大。H1#試樣斷面上氣孔數(shù)量比H3#的少，且氣孔尺寸也比H3#的小。H2#和H4#試樣的斷面上氣孔最少，且氣孔尺寸也最小。

綜合上述四組試樣的韌窩形貌和氣孔數(shù)量、大小，可以得出H2#和H4#試樣的斷裂韌性最好，H1#和H3#試樣韌性較差。氣孔對(duì)材料斷裂韌度產(chǎn)生了一定的影響。

各組鋁合金試樣斷口能譜掃描顯示合金元素成分見表6所示。

圖2接頭斷裂試件斷口形貌

表6 四種焊接接頭的元素成分

由表6分析可知，4#的Mn、Cr含量最多，Mg、Zn含量最少。其他三組試樣Mn和Cr基本沒有。Zn含量2#和3#相差不大，1#略少。Mg含量1#和3#都較多，2#最少。

H4#焊縫試樣Mn和Cr的含量比其他三組都要高，Mn能阻礙鋁合金的再結(jié)晶過程，顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的細(xì)化主要是通過化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大起阻礙作用。還能溶解雜質(zhì)鐵，減小鐵的有害影響。Cr在鋁中可以形成金屬間化合物，阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過程，能夠改善鋁合金的韌性。所以H4#試樣的J值最高，斷裂韌性最好。H1#、H2#和H3#焊縫試樣Mn、Cr含量很低，在能譜圖中并沒有這兩種元素的掃描結(jié)果。導(dǎo)致這三組試樣的Jc值較小，斷裂韌性較差。而且H1#和H3#試樣Mg含量較多，過多的Mg會(huì)和Si形成Mg2Si，使試樣變脆，降低其斷裂韌性。所以H1#和H3#的斷裂韌性最差。

由于本文的試樣是在70%濕度條件下獲得的，所以最終得到的焊接接頭氣孔含量較多，氣孔的存在對(duì)材料的各種力學(xué)性能都產(chǎn)生了一定的影響。觀察斷口形貌圖可以發(fā)現(xiàn)，H1#和H3#焊縫試樣的斷口上分布有大量氣孔。H1#試樣氣孔尺寸較小，集中分布在一側(cè)。H3#試樣氣孔尺寸很大，并且散亂分布于斷口上。大量氣孔的存在嚴(yán)重降低了這兩組試樣的斷裂韌度。反觀H2#和H4#焊縫試樣，其斷口表面氣孔數(shù)量和尺寸都較小，故其斷裂韌度較高。

3結(jié)論

（1）把母材按平均值由高到低排列依次為M1#（38.17）、M3#（34.34）、M2#（33.15）、M4#（23.93），韌性越來(lái)越差。因此決定A7N01鋁合金母材斷裂韌性性能的主要因素在于元素含量及配比。

（2）在焊接接頭中H2#平均值（104.88）和H4#平均值（105.77）相差不大。H3#平均值（89.46）和H1#平均值（83.57)相差5.89。按平均值由高到低依次為H4#、H2#、H3#、H1#。

（3）H1#和H3#焊縫試樣的斷口上分布有大量氣孔。H1#試樣氣孔尺寸較小，集中分布在一側(cè)。H3#試樣氣孔尺寸很大，并且散亂分布于斷口上。大量氣孔的存在嚴(yán)重降低了這兩組試樣的斷裂韌度。因此對(duì)于焊接接頭，除了元素含量及配比的影響，氣孔的分布數(shù)量及體積對(duì)于斷裂韌性起到了較大的影響。

[1]C. Qin，G.Q. Gou，X.L. Che，H. Chen，J. Chen，P. Li，W. Gao. Effect of composition on tensile properties and fracture toughness of Al–Zn–Mg alloy (A7N01S-T5) used in high speed trains[J]. Materials and Design，2016（91）：278-285.

[2]覃超，茍國(guó)慶，車小莉，陳輝，陳佳. 合金元素對(duì)A7N01S-T5鋁合金力學(xué)性能和斷裂韌性的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào)，2015，29（7）：535-541.

[3]茍國(guó)慶，黃楠，陳輝，李達(dá)，孟立春.高速列車A7N01S-T5鋁合金焊接接頭鹽霧腐蝕行為分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2011，32（19）：17-20.

[4]趙軍靜，王曉敏，陳輝. 車體鋁合金腐蝕失效分析[J]. 電焊機(jī)，2011，41（3）：87-90.

[5]G. Gou，M. Zhang，H. Chen，J. Chen，P. Li，Y. P. Yang. Effect of Humidity on Porosity， Microstructure， and Fatigue Property of A7N01S-T5 Aluminum Alloy Welded Joints in High Speed Trains[J]. Materials and Design，2015（85）：309-317.

[6]Yali Liu，Guoqing Gou，Jia Chen，Hui Chen，Wanjng Wang，Xiaodong Li，Xiaoli Che，Yirong Wang.Effect of composition on the tensile properties and fracture toughness of A7N01S-T5 aluminum alloys welded joints[J]. International Journal of Modern Physics B，2017，31：1744401-1-7.

[7]Yali Liu，Jia Chen，Guoqing Guo，Jiangli An，Hui Chen.Effect of Element on Porosity and Residual Stress Distribution of A7N01S-T5 Aluminum Alloy Welded Joints in High-Speed Trains[J]. Materials Research Proceedings，2016（2）：503-508.

[8]金文濤，陳菲，火巧英，等. 拋丸對(duì)5083鋁合金焊接接頭殘余應(yīng)力的影響[J]. 機(jī)械，2016，43（7）：13-15.

[9]劉建. 軌道車輛車體自動(dòng)焊接視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械，2018，45（2）：66-70.

[10]GB/T21143－2007，金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[S].

Effect of Alloying Elements on the Fracture Toughness of A7N01 Aluminum Alloys Welded Joints

CHEN Jia1,2，ZHANG Yingbo2

(1.Department of Mechanical Engineering, Chengdu Industry and Trade College, Chengdu611756, China;2.School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China)

A7N01 aluminum alloy is the key material for manufacturing the underframes of the high speed trains. The components include the major elements of Zn and Mg, the minor elements of Mn, Cr, Zr, Ti, and Cu， and impurity elements of Fe and Si. This paper focus on the A7N01 aluminum alloys with four types of alloying elements and fabricated four types of welded joints. The fracture toughness of the four types of base materials and welded joints were tested. The results show that the key factor that affects the fracture toughness of the base materials arethe contents and ratios of the elements. But as for the fracture toughness of the welded joints, the key factors include not only the content and matching of the elements, but also the volume and quantity of the porosity. To improve the quality of the welded joints, not only the elements composition but also the formation of porosity should be taken into consideration..

elements；A7N01 aluminum alloy；fracture toughness；porosity

TG113.25+4

A

1006－0316 (2018) 04－0046－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.011

2017－09－14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFB1200602-16）

陳佳（1980－），女，四川成都人，碩士研究生，講師，主要從事焊接工藝的基礎(chǔ)研究及教學(xué)工作。

張英波（1978－），男，吉林省吉林市人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闇?zhǔn)晶、鎂合金及其復(fù)合材料設(shè)計(jì)、微觀組織與性能表征和加工技術(shù)。