杨尚磊1 林庆琳2 张峰3
（1. 上海工程技术大学 上海市，201620
2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛市，266111 3. 青岛市锅炉压力容器检验所, 青岛市, 266071）
摘要：针对350Km/h高速列车用国产A6N01-T5铝合金型材进行了熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接试验，研究了MIG焊接接头的微观组织、性能及断口形貌，结果表明：A6N01-T5铝合金MIG焊接接头成形良好，有效控制了气孔、裂纹和焊接变形。焊缝中心的熔敷金属为铸态组织，呈等轴晶状。熔合区靠近焊缝侧的结晶形态为沿散热方向排列的柱状晶，邻近熔合区的热影响区晶粒粗化。A6N01-T5铝合金母材呈原始的轧制状态组织。A6N01-T5铝合金MIG焊接接头的抗拉强度为270MPa，屈服强度为227MPa，断后伸长率为6.0%。焊接接头的拉伸断口位于焊缝，断口呈典型的韧窝结构。 关键词:铝合金；熔化极惰性气体保护焊；微观组织；力学性能
0前言
350km/h高速列车采用国产大型超长宽幅中空铝合金挤压型材的焊接结构，因此，大型铝合金型材是高速列车制造的关键材料，铝合金材料的焊接是决定高速列车长期安全运行的基础，对于提高高速列车的运行寿命具有重要意义[1-4]。A6N01铝合金具有挤压性和耐蚀性好的特点，适于制造车体主体结构用的复杂截面多孔中空型材。欧洲高速列车制造公司和日本新干线列车制造企业均采用此类合金作为生产高速列车的关键用材。目前，这些国产铝合金挤压型材已经大量应用于高速列车生产，但其焊接材料大都由国外进口。国产大型铝合金挤压型材完全能够满足高速列车车体运行使用要求，但焊接后的焊接接头性能却大为降低。因此，研究铝合金挤压型材焊
接接头的微观组织与性能变化对推进我国高速列车制造技术的发展和实现轨道交通轻量化、高速化和国产化具有重要意义，对于研制受焊接热循环较小影响的性能优良的铝合金挤压型材及其更加先进的国产焊接材料与焊接技术同样具有现实意义。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
试验用材料为国产A6N01-T5铝合金型材，T5表示供货状态(即由高温成型过程中冷却，然后进行人工时效的状态)，型材壁厚4mm。采用ER5356铝镁合金焊丝，A6N01铝合金母材和ER5356焊丝的化学成分见表1所示。
表1 A6N01铝合金和ER5356焊丝的化学成分 /％
材料 Al Mg Si Zn Fe Cu Mn Cr Ti A6N01-T5 余量ER5356
1.2 焊接工艺
A6N01-T5铝合金型材横截面及焊接接头示意图见图1，焊接接头坡口设计为70°V形坡口的带锁边对接接头型式。焊前严格清理坡口附近30mm区域范围内的污物，并用丙酮清洁。MIG焊接方法采用的焊接工艺参数见表2所示。 1.3 测试方法
焊接接头拉伸性能测试按照GB/T228-2002进行，在AG-10KNA型材料拉伸试验机上进行，拉伸速率0.1mm/min。硬度测试采用 HV-1000 型
1
0.4-0.8 0.4-0.94.5-5.5
≤0.25
≤0.25≤0.1
≤0.35≤0.4
≤0.35≤0.1
≤0.30 0.05-0.2
≤0.30 ≤0.35
余量0.05-0.2 0.06-0.2
维氏硬度机，载荷9.8N，加载时间10s。金相试
样采用 0.5 %的氢氟酸水溶液进行腐蚀，微观组织使用Nikon EPIPHOT300型金相显微镜观察。拉伸试件的断口分析采用PLILIPS SEM515型场发射扫描电镜观察。
图1型材横截面及焊接接头示意图
焊丝直径d /mm 焊接电流 I /A 电弧电压U /V
2试验结果与分析
2.1 焊缝成形
图2为A6N01-T5铝合金型材焊接试板和车体构件焊接接头的宏观形貌，可见焊缝成形及熔
表2 A6N01铝合金的MIG焊接工艺参数
焊接速度v /mm/s氩气流量Q /L/min
15-20
1.2 140-160 18-20 8-10
和非常好，有效控制了型材的焊接变形，并且焊
缝金属呈银白色，与母材的过渡平缓，没有产生裂纹、烧穿、未焊透、气孔、咬边、焊瘤、凹陷和未熔合等焊接缺陷。
a) b)
c) d)
图2 A6N01铝合金焊接接头宏观形貌 a) 试件焊缝背面 b) 试件焊缝正面 c) 车体构件d) 构件焊缝
2.2 微观组织
图3为焊接接头不同区域的光学显微组织。图3a）焊缝中心的金相组织表明，A6N01铝合金焊接接头焊缝中心区域为铸态组织，呈等轴晶状。处于焊缝中心区域的液态熔池温度梯度较小，熔点较高的异质质点成为非自发形核的现成表面，这些晶粒生长不受边缘散热条件的影响，可以自由长大，从而促使焊缝中部形成等轴晶。
图3b）熔合区的金相组织表明，铝合金焊接接头靠近焊缝边缘有一条很窄的熔合区，靠近焊缝侧的焊缝金属结晶形态为沿散热方向排列的柱状晶。熔池边缘的过冷度较大，以未熔化的现成表面形核，并沿散热方向择优生长，从而形成柱状晶。
熔合线附近紧邻焊缝的未熔化区发生晶粒细化，比细晶区稍远的热影响区又发生晶粒的粗化。靠近焊缝的熔合线由于加热速度相当快，再结晶转变时发生晶粒细化。比熔合线稍远区域的晶粒
2
粗化是因为焊接时紧邻熔合线的热影响区温度很高，原子扩散能力提高，打破晶界迁移力和阻力的平衡关系，使晶界附近杂质偏集区破坏，促使弥散相部分溶解而使晶界迁移更容易，晶粒进一步长大或并和，从而晶粒粗化。
图3c)为A6N01铝合金母材的显微组织可见，A6N01铝合金母材为原始的轧制状态组织。
a)
由于焊缝金属抗拉强度低，母材的均匀变形没有机会完全进行，导致A6N01-T5铝合金焊接接头断后伸长率较低。
b)
a)
b)
c)
Fig.2 A6N01铝合金焊接接头的光学组织 250×
a) 焊缝中心 b) 熔合区 c) 母材
图4 A6N01-T5铝合金焊接接头的拉伸试件和拉伸曲线 a)
拉伸试件 b) 拉伸曲线
3.3 力学性能
表3为A6N01-T5铝合金焊接接头的常温拉伸的力学性能。拉伸试验结果表明，A6N01-T5铝合金MIG焊接接头的抗拉强度和屈服强度均高于A6N01-T5铝合金母材标准的要求，但断后伸长率降低。
表3 A6N01-T5铝合金焊接接头的力学性能
图5为A6N01-T5铝合金焊接接头拉伸试样的SEM断口形貌图。A6N01-T5铝合金焊接接头断口较为粗糙，断口呈暗灰色，表明裂纹扩展过程中塑性变形较大，焊接接头的塑韧性较好。
材 料
抗拉 强度
屈服 强度
断后 伸长率δ /%
a)
σb /MPa σ0.2 /MPa
A6N01-T5 ER5356
≥245
≥205
焊接接头 270 227 6.0
≥8
≥265 -- --
图4为A6N01-T5铝合金焊接接头的拉伸试件及其拉伸曲线。拉伸试样的断口位于焊缝中心，断裂沿焊缝中心扩展，由此可见，A6N01-T5铝合金MIG焊接接头采用ER5356铝镁焊丝，虽然提高了焊缝熔敷金属的塑韧性，改善了焊缝金属的抗裂性，但由于焊缝熔敷金属强度较低，从而使焊缝成为焊接接头中强度最薄弱的区域。
A6N01-T5铝合金焊接接头拉伸试样和拉伸曲线出现了较为明显的缩颈现象，表明A6N01-T5铝合金焊接接头具有较好的塑性。但
3
b)
c)
图4-5 A6N01-T5铝合金焊接接头拉伸试样的断口SEM形貌 a) 焊缝断口 25× b) 焊缝断口 500× c) 韧窝 500×
在图5a）A6N01-T5铝合金焊接接头宏观断口内没有发现焊接缺陷的存在，断裂起源于试件表面。图5b)焊缝断口呈典型的韧窝结构，表明A6N01铝合金焊缝为韧性断裂。图5c)大韧窝中分布小韧窝结构，表明焊缝的塑性较好。在大韧窝底部没有发现脆性化合物相，表明焊缝金属采用ER5356铝镁合金，强化相在焊缝中析出较少，使焊缝金属的强度降低。
4 结论
（1）A6N01-T5铝合金MIG焊接接头成形良好，有效控制了气孔、裂纹和焊接变形。
（2）A6N01-T5铝合金MIG焊接接头焊缝中心的熔敷金属为铸态组织，呈等轴晶状。熔合区靠近焊缝侧的结晶形态为沿散热方向排列的柱状晶，熔合线附近紧邻焊缝的未熔化区的晶粒细化。紧邻熔合区的热影响区产生了晶粒粗化。
A6N01-T5铝合金母材原始的轧制状态组织。
（3）A6N01-T5铝合金MIG焊接接头的抗拉强度为270MPa，屈服强度为227MPa，断后伸长率为6.0%。
（4）A6N01-T5铝合金MIG焊接接头的断口位于焊缝。断口宏观形貌较为粗糙，微观呈典型的韧窝结构，焊缝金属塑韧性较好。
致谢:
本文得到了国家自然科学基金面上项目(51075256)和上海市教育委员会科研创新重点项目的资助(11ZZ177)，在此表示感谢！
参考文献
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