多次補(bǔ)焊對A7N01P-T4鋁合金接頭組織和性能的影響研究

火巧英，韓如冰，王駿，楊騰，胡晉霞

1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031 2.蘇州中車軌道交通車輛有限公司 江蘇蘇州 215000

1 序言

焊接是高速列車車體生產(chǎn)的主要工藝之一，但由于鋁合金在焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、裂紋及未熔合等缺陷，具有熱影響區(qū)大、焊接變形大等特點(diǎn)，同時(shí)焊接熱循環(huán)也會(huì)對熱影響區(qū)產(chǎn)生不良影響，造成力學(xué)性能下降，因此在生產(chǎn)過程中對于焊接缺陷的處理是不可或缺的一項(xiàng)工作。而在焊接缺陷處理的過程中經(jīng)常需要補(bǔ)焊工藝，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于薄板補(bǔ)焊工藝方面的相關(guān)介紹較少[1-3]。

本文主要針對補(bǔ)焊工藝及補(bǔ)焊次數(shù)對焊接接頭組織和性能的影響進(jìn)行了一定的研究，并確定了合理的補(bǔ)焊工藝和補(bǔ)焊次數(shù)，對于提高我國軌道車輛、特別是高速列車和城軌列車的制造水平，以及降低生產(chǎn)成本均具有十分重要的意義[4-6]。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為4mm厚A7N01P-T4鋁合金，采用MIG焊，焊接試板的尺寸為300mm×300mm×4mm，采用70°的V形坡口。根據(jù)板厚采用單道焊接，焊接材料為φ1.2mm的ER5356鋁合金焊絲，保護(hù)氣體為99.999%氬氣，氣體流量為22～24L/min，焊接設(shè)備型號(hào)SAF-361-350。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

4mm厚A7N01P-T4鋁合金對接接頭多次補(bǔ)焊試件均采用V形坡口，坡口尺寸如圖1所示。對試件分別進(jìn)行未補(bǔ)焊、1次補(bǔ)焊、2次補(bǔ)焊、3次補(bǔ)焊和4次補(bǔ)焊的對接工藝試驗(yàn)，補(bǔ)焊時(shí)采用機(jī)械加工的方法將原有的焊縫剔除，距熔合線留1mm的余量。補(bǔ)焊試驗(yàn)焊接參數(shù)見表3。

圖1 試件坡口尺寸

表3 補(bǔ)焊試驗(yàn)焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 拉伸性能

室溫拉伸試驗(yàn)依據(jù)ISO 4136：2001《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)——橫向拉伸試驗(yàn)》在WDW-300KN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。依據(jù)ISO 15614-2：2005《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定-焊接工藝評試驗(yàn)-第2部分：鋁及鋁合金的弧焊》，對于A7N01P-T4鋁合金而言，抗拉強(qiáng)度需≥299.25MPa。從圖2可看出，A7N01P-T4鋁合金對接接頭中只有未補(bǔ)焊的試件抗拉強(qiáng)度＞299.25MPa，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。從未補(bǔ)焊到4次補(bǔ)焊時(shí)，對接接頭的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律相似，從1次補(bǔ)焊到4次補(bǔ)焊時(shí)對接接頭的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均略有降低，可見補(bǔ)焊降低了焊接接頭的強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果中拉伸試件均在焊縫處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致該結(jié)果的重要影響因素是由于采用了強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料所致。

圖2 不同補(bǔ)焊次數(shù)接頭抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度

圖3 不同補(bǔ)焊次數(shù)接頭伸長率和斷面收縮率

從圖3可看出，未補(bǔ)焊時(shí)試件的伸長率及斷面收縮率最高，3次補(bǔ)焊的試件為最低。從變化趨勢上看，未補(bǔ)焊到4次補(bǔ)焊時(shí)試件的伸長率與斷面收縮率的變化規(guī)律相似，一次補(bǔ)焊到3次補(bǔ)焊時(shí)試件的伸長率及斷面收縮率均略有降低，可見補(bǔ)焊降低了焊接接頭的塑性，但第4次補(bǔ)焊時(shí)試件的伸長率及斷面收縮率有所提高且接近不補(bǔ)焊時(shí)試件的伸長率及斷面收縮率，原因可能與焊縫中的氣孔有關(guān)。

3.2 彎曲性能

按照ISO 5173：2000《金屬材料焊接的破壞性測試-彎曲測試》要求，室溫彎曲試驗(yàn)在WDW-300微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，選用直徑為40mm的彎軸，進(jìn)行2個(gè)面彎、2個(gè)背彎試驗(yàn)。

彎曲試驗(yàn)后的部分彎曲斷口掃描照片如圖4所示。由圖4可知，未補(bǔ)焊、1次補(bǔ)焊和4次補(bǔ)焊在彎曲試驗(yàn)過程中均在焊縫熔合區(qū)發(fā)生斷裂，經(jīng)掃描斷口觀察發(fā)現(xiàn)有較多氣孔，且在邊緣處的氣孔尺寸較大，這主要是由于用ER5356鋁合金焊絲焊接A7N01P-T4鋁合金時(shí)熔合線兩側(cè)組織的塑性差別較大，使熔合線處在彎曲時(shí)成為較為薄弱的環(huán)節(jié)，而且斷口處氣孔缺陷較多，也是接頭彎曲性能降低的重要原因。而2次補(bǔ)焊和3次補(bǔ)焊的8個(gè)試件在試驗(yàn)過程中均未產(chǎn)生裂紋，原因在于焊接接頭的塑性有所提高。

圖4 對接接頭部分彎曲斷口掃描照片

3.3 顯微硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行硬度檢測。對接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)的硬度曲線對比如圖5所示。從圖5中可知，焊縫的硬度大大低于熱影響區(qū)和母材，這是因?yàn)锳7N01P-T4鋁合金對接時(shí)，焊縫的填充材料選用的是ER5356焊絲，強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材，焊縫中心的硬度最低，所以拉伸試件斷裂發(fā)生于此處。距離焊縫中心越遠(yuǎn)，硬度值越高，熔合線附近區(qū)域的硬度梯度最大，性能發(fā)生突變，說明在熔合線附近性能很不均勻[7]。

圖5 對接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)的硬度曲線對比

3.4 金相組織

對焊接接頭試件進(jìn)行加工、打磨、拋光、腐蝕，然后在Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡下觀察母材、熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫的顯微組織。不同補(bǔ)焊次數(shù)下對接接頭的金相宏觀形貌如圖6所示。從圖6可看出，不同補(bǔ)焊次數(shù)的焊縫成形均良好，除了有少量氣孔外，均無未焊透、未熔合等缺陷。

圖6 不同補(bǔ)焊次數(shù)金相宏觀形貌

（1）熱影響區(qū)顯微組織對比與分析 圖7所示為A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)熱影響區(qū)顯微組織。由圖7可知，熱影響區(qū)顯微組織均為沿軋制方向延長呈纖維狀的晶粒，并且在α（Al）基體上分布著時(shí)效過程中析出的MgZn2強(qiáng)化相，但由于熱影響區(qū)接近焊縫，受到焊接熱過程的影響比母材大，受熱溫度高，冷卻速度快，因此導(dǎo)致晶粒比母材處粗大些，且析出相也比母材多。

圖7 不同補(bǔ)焊次數(shù)熱影響區(qū)顯微組織

（2）焊縫區(qū)顯微組織對比與分析 圖8所示為A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)焊縫區(qū)顯微組織。由于每次補(bǔ)焊前都將之前的焊縫部分距熔合線1mm左右的部分用機(jī)械加工的方法切除后重新施焊，故補(bǔ)焊前后試件的焊縫區(qū)顯微組織大致相同。

圖8 不同補(bǔ)焊次數(shù)焊縫區(qū)顯微組織

（3）熔合區(qū)顯微組織對比與分析 圖9所示為A7N01P-T4鋁合金對接接頭不同補(bǔ)焊次數(shù)時(shí)熔合區(qū)顯微組織。由圖9可知，在靠熔合線的焊縫一邊，晶粒沿散熱方向呈十分明顯的柱狀晶，在熔合線處柱狀晶較為粗大。靠熔合線的熱影響區(qū)一邊，由于受到焊接過程中的熱作用，MgZn2析出相較多，因此在焊接冷卻后晶粒比母材粗大些。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熔合區(qū)寬度、晶粒度以及MgZn2析出相的數(shù)量變化都不是很大，這是因?yàn)?mm 厚A7N01P-T4鋁合金對接時(shí)采用的是單道焊，只有一次焊接熱輸入，熔合區(qū)在焊接高溫?zé)嶙饔孟碌臅r(shí)間很短，且每次補(bǔ)焊都是將之前的焊縫部分距熔合線1mm左右的部分用機(jī)械加工的方法切除后焊接，而且每次填充的熔敷金屬均為ER5356焊絲，因此補(bǔ)焊對4mm厚A7N01P-T4鋁合金對接時(shí)的熔合區(qū)組織影響并不大[8，9]。

圖9 不同補(bǔ)焊次數(shù)熔合區(qū)顯微組織

4 結(jié)束語

1）在本研究的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)內(nèi)容下，薄板A7N01P-T4鋁合金焊接接頭在經(jīng)過不同次數(shù)補(bǔ)焊后，抗拉強(qiáng)度存在不達(dá)標(biāo)情況，主要是因采用強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料而導(dǎo)致的；彎曲試驗(yàn)中雖然部分試件不合格，但與補(bǔ)焊關(guān)系不大，與焊接材料強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)；多次補(bǔ)焊時(shí)焊接熱影響區(qū)均沒有明顯的軟化現(xiàn)象，焊接接頭各區(qū)組織晶粒變化也不大。故提出：薄板A7N01P-T4鋁合金焊接時(shí)補(bǔ)焊不宜超過2次。

2）對用于動(dòng)載的鋁合金高速列車和城軌車輛的鋁合金薄板，如A7N01P-T4鋁合金，要求焊接接頭應(yīng)有良好的疲勞性能。故建議：在對多次補(bǔ)焊A7N01P-T4鋁合金焊接接頭的疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能等進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行最多補(bǔ)焊次數(shù)的確定。

3）A7N01P-T4鋁合金薄板焊接接頭補(bǔ)焊時(shí)務(wù)必將原有缺陷清除干凈，除嚴(yán)格按照相關(guān)工藝規(guī)程施焊外，還應(yīng)注意鋁合金焊接的環(huán)境條件，如現(xiàn)場的溫度、濕度，工件和工具的清理等，避免由于其他因素對焊接質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。