軌道車輛用鋁合金自動焊搭接接頭裂紋研究

劉春寧，唐衡郴，王陸釗，尹德猛，田忠利，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責任公司 制造技術中心，河北 唐山 063035)

軌道車輛用鋁合金自動焊搭接接頭裂紋研究

劉春寧，唐衡郴，王陸釗，尹德猛，田忠利，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責任公司 制造技術中心，河北 唐山 063035)

采用CLOOS焊接專機對6005A鋁合金型材進行單絲脈沖MIG搭接焊試驗。針對焊后普遍出現的焊趾裂紋問題，從接頭組織、焊接熱輸入、焊接應力等方面進行綜合分析，并結合Sysweld軟件對焊接熱源以及焊接過程的溫度場、應力場進行數值模擬。試驗結合模擬結果表明：6005A鋁合金搭接接頭焊接時，焊接熱輸入大和焊槍角度不合理導致接頭局部熱量集中是焊接裂紋產生的根本原因，焊前裝配間隙導致應力集中是誘發焊接裂紋擴展延伸的重要因素，通過優化焊接工藝參數、調整焊槍角度、提高裝配質量可有效控制焊接裂紋的產生，保證產品質量。

焊接裂紋；熱輸入；應力；數值模擬

0 前言

鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強度高、加工與塑性好等特點，尤其是中強鋁合金在軌道車輛鋁合金車體生產中獲得了廣泛應用[1]。鋁合金具有熔點低、導熱系數大、比熱容大、線膨脹系數大等特點，焊接時有一定的裂紋敏感性，同時焊接過程中接頭區域組織變化導致工件結構強度發生改變，為裂紋擴展延伸提供了條件。在進行生產工藝試驗時，6005A鋁合金型材搭接接頭角焊縫和熱影響區普遍出現裂紋，成為影響焊接質量和制約焊接生產的重要問題。本研究結合生產實際，采用Sysweld軟件對焊接熱量和接頭應力分布進行數值模擬，分析鋁合金焊接接頭裂紋的形成機理和產生原因，并提出解決鋁合金焊接裂紋的工藝措施。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選用EN-AW 6005A鋁合金大尺寸空心型材，供貨狀態為T6狀態，即固溶處理之后進行人工時效，屬于熱處理強化鋁合金。型材厚度80 mm，壁厚8 mm，設計采用a5角焊縫的搭接接頭。焊前用D40清洗劑對待焊區域進行擦拭，然后用風動打磨工具清理氧化皮，最后用D40清洗劑對待焊區域再次進行清理，保證焊前母材清潔無氧化。試驗選用規格為φ 1.6 mm的 ER5087(AlMg4.5MnZr)盤狀焊絲，母材和焊絲化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋁合金和焊絲的化學成分 %

1.2 試驗方法

試驗采用CLOOS焊接專機進行單絲MIG焊接，純φ(Ar)99.99%作為保護氣體，氣體流量25L／min。焊接工藝參數如表2所示。

表2 自動焊搭接工藝參數

焊縫冷卻后，在垂直工件表面沿焊縫中心方向將焊接接頭剖開切取金相試樣，經過打磨、拋光后，用φ(HF)1%+φ(HCl)1.5%+φ(HNO3)2.5%的混合酸Keller溶液腐蝕微觀金相試樣，經超聲波清洗之后，采用Zeiss Mxiovert40MAT型金相顯微鏡觀察組織形貌。

采用Sysweld軟件對焊接溫度場和應力場進行數值模擬，焊接熱源采用高斯雙橢球模型。使用visual mesh軟件繪制a5搭接接頭三維網格，運用Sysweld軟件根據焊接工藝參數下焊縫的熔寬、熔深確定雙橢球熱源模型的各參數并進行多次校核。熱源校核結果如圖1所示，焊縫區溫度在670℃以上，最高溫度達到786℃，高于鋁合金的熔點溫度，符合試驗情況。

2 試驗結果與分析

為了分析裂紋分布狀態，對焊縫表面進行滲透檢測，發現在焊接接頭熱影響區及附近普遍出現了明顯的線性顯示，確定為裂紋。鋁合金焊接時，結晶裂紋和液化裂紋是最常見的裂紋形式。結晶裂紋一般出現在焊縫區，液化裂紋一般出現在熱影響區[2]。如圖2a所示，焊縫附近出現了大量裂紋，部分粗大的裂紋用肉眼清晰可見，從右側滲透檢測的線性顯示進行分析可知，焊接裂紋基本垂直于焊縫，部分焊縫與熔合線相連并平行，貫穿于母材、焊接熱影響區和局部焊縫區域，但焊接熱影響區內的裂紋最寬、數量最多，且裂紋幾乎分布于整道焊縫的下沿，用風動銑刀將右側的缺陷往深處打磨去除2.0 mm，發現接頭內部依然存在焊接裂紋的線性顯示，說明裂紋已擴展延伸至接頭內部，但根據線性顯示的跡象分析可知內部為細微裂紋。

圖1 焊縫熱源模擬

通常產生焊接裂紋的原因有母材成分、焊接熱輸入、焊接應力和約束條件等。試驗用母材經國家有色金屬質量監督檢驗中心進行檢驗，化學成分符合EN573-3標準，力學性能和宏觀金相等各項指標均滿足標準要求。因此，可以排除母材本身原因。

2.1 焊接熱輸入

通過對裂紋區域進行微觀金相試驗，進一步確定焊接裂紋的種類和形成原因，如圖2b所示。粗大的裂紋分布在熱影響區和母材上互相貫穿連接，熱影響區內的裂紋存在粗化和擴展現象，同時裂紋從熱影響區延伸到了焊縫中，并且在焊縫不同地方存在少量細小的微觀裂紋。

試驗用6005A-T6鋁合金共晶相Al-Mg2Si中的Mg2Si為主要的強化相，與其他金屬間化合物一樣，Mg2Si也是一種存在嚴重脆性問題的脆化相[3]。6005A鋁合金焊接時，由于熱輸入過大導致熱影響區過時效而發生軟化，從而為裂紋的延伸創造了條件。在晶粒粗化的焊接熱影響區，低熔點共晶相Al-Mg2Si以薄膜狀分布在晶粒界面上[4]，在焊接應力的誘導下產生裂紋，并伴隨裂紋往焊縫及附近母材上擴展，成為液化裂紋。

焊接熱輸入是影響焊接接頭組織晶粒大小、強度和韌性的重要因素，熱輸入過大會導致接頭熱影響區軟化、晶粒粗化是焊接裂紋產生和擴展延伸的根本原因。焊接過程中上下板熱輸入的分布情況對焊縫的組織性能也有重要影響。

圖2 焊接裂紋

圖3 焊槍角度影響熱量分布

采用Sysweld軟件對焊接熱量分布情況進行了數值模擬分析，發現焊接過程中焊槍角度和指向對焊縫的熱量分布有重要影響，如圖3所示。

試驗中的焊槍角度是指焊槍中心線與搭接下板水平方向所形成的夾角α，不同的焊槍角度影響焊接時電弧的指向和分散范圍，從而導致焊接熱量的分布差異。圖3b、圖3c為焊槍指向偏上(α＝50°)時焊接熱源分布和等效應力圖，可見接頭上板的熱量較大，局部模擬溫度可達750℃以上，下板熱量較少，焊縫下焊趾處溫度650℃～670℃，容易造成下沿未熔；圖3d、3e為焊槍指向偏下(α＝30°)時焊接熱源分布和等效應力圖，自動焊搭接接頭下板的熱量集中，因焊接時電弧和熔池受重力的影響，接頭焊趾處溫度偏高，表現為熱應力相對集中，如圖3e所示。

由此可知，焊接熱輸入大以及焊槍偏角度不合理使得焊接熱量分布不均勻，導致接頭局部熱量集中溫度偏高，表現為下板的焊接熱影響區及附近熱應力高度集中，成為鋁合金自動焊搭接接頭焊趾處產生裂紋的根本原因。

2.2 裝配間隙

焊接應力和分布情況對焊接質量有重要影響，不同的結構和接頭形式其應力狀態存在差別。本試驗為鋁合金自動焊搭接接頭的a5角焊縫，采用數值模擬發現裝配間隙對結構焊后應力影響較大，尤其鋁合金焊接時接頭中存在薄膜態的低熔共晶組織和脆化相，應力可能誘使裂紋發生并擴展，因此裝配間隙產生的焊接應力是裂紋形成的外在因素。

采用Sysweld軟件對不同裝配間隙的焊接應力分布情況進行了數值模擬，圖4a、圖4b分別為無間隙和1 mm裝配間隙時鋁合金自動焊搭接接頭的應力場。可見焊縫下沿的熱影響區附近是應力集中部位，這是因為焊接時電弧和熔池受重力影響使得下板熱量比上板多而導致焊縫冷卻收縮時焊縫下沿產生的拉應力大。通過圖4可以看出，裝配間隙1 mm時焊后下板焊接熱影響區的等效應力主要為150 MPa，比無間隙時等效應力120 MPa要大，并在焊前有間隙接頭的焊趾處出現了焊接應力集中且最大應力達173.99 MPa，給裂紋的產生埋下了隱患。在焊接接頭冷卻及組織結晶的過程中，集中的應力達到低熔共晶組織析出處晶界的承受能力就會誘使晶界開裂，并伴隨粗大脆化相的斷裂等，使應力集中的下板熱影響區成為裂紋源。

2.3 工藝優化

工藝試驗中，焊接裂紋主要出現在搭接接頭焊縫下沿的焊趾處，焊縫滲透檢測時大面積出現線性顯示，因此必須優化焊接工藝，以控制接頭裂紋，提高產品質量。

根據熱量對焊接裂紋形成的重要影響，對焊接工藝參數進行調整，以降低接頭焊接熱輸入，如表3所示。根據EN1011-1標準，計算表2中原參數的Q1(單位：kJ／mm)和表3中優化后的焊接熱輸入Q2(單位：kJ／mm)

優化前后焊接熱輸入差(單位：kJ／mm)為

式中 K為因焊接熱損耗而給定的焊接有效熱輸入因數，MIG焊接時取0.8。

由以上數據可以看出，優化后自動焊搭接的熱輸入量減少了1.497 kJ／mm，與原工藝相比下降了近20%，減少了接頭組織晶粒粗化的幾率。試驗發現，產生裂紋的試件有所減少，但仍不能滿足批量生產的要求。

圖4 裝配間隙影響應力分布

表3 優化后的自動焊搭接工藝參數

根據數值模擬中焊槍角度影響焊接過程中熱量分布不均勻導致下板熱影響區熱應力集中的情況，對焊槍角度進行了調整。焊接工藝試驗發現，將焊槍角度從原來的30°～50°調整到38°～45°，可充分減少鋁合金自動焊搭接裂紋的產生，并且能有效保證下板充分焊透，從而提高了接頭焊接質量。

焊前裝配間隙對焊接應力有重要影響。采用合理的裝配工藝，將搭接接頭的下板擺放平整后與上板緊貼，采用從中間向兩邊依次壓卡的次序可降低結構應力，盡量做到兩板焊前嚴絲合縫達到裝配零間隙，以降低接頭應力，從而避免下板熱影響區焊后應力高度集中。

在保證焊縫質量的前提下盡量使用較小的規范參數可降低焊接熱輸入；正確調整焊槍角度，保證下板充分焊透時焊槍略朝上板偏置可避免焊趾處熱量集中；嚴格控制焊前裝配間隙，提高裝配質量，減少焊接應力。

工藝優化后鋁合金搭接接頭焊縫和熱影響區微觀組織如圖5所示，沒有發現細微裂紋或晶界開裂現象。焊縫組織為焊縫中心區域均勻細小的等軸晶，主要由α-Al固溶體和α-Al+β-Al8Mg5共晶相組成，具有良好的強度、韌性和抗裂性能。焊接熱影響區中，熔合線附近沿散熱方向生長著柱狀樹枝晶，主要由較母材組織粗大的Mg2Si顆粒組成，由于鋁合金導熱系數大，接頭冷卻速度快組織生長較慢，熱影響區較窄且Mg2Si顆粒長大趨勢不明顯，熱影響區的抗液化裂紋性能大大提高。綜上所述，工藝優化后的鋁合金自動焊搭接接頭抗裂性能較好，可有效保證焊縫質量。

3 結論

(1)熱輸入大和焊槍角度不合理導致局部熱量集中，使得焊接熱影響區溫度過高是接頭焊趾處形成液化裂紋的根本原因。

(2)裝配間隙導致焊接熱影響區應力集中是裂紋發展延伸的誘導因素。

(3)通過優化焊接工藝參數，調整焊槍角度，提高焊前裝配質量，可有效解決搭接焊縫焊接裂紋問題，保證產品質量。

[1]姜 瀾，王炎金，王宇新，等.高速列車用6005A鋁合金焊接接頭組織與性能研究[J].材料與冶金學報，2002，1(4)： 302-306.

[2]唐秀梅，張宏偉，楊金鳳.淺析7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預防措施[J].輕合金加工技術，2003，31(7)：40-41.

[3] 熊 偉，秦曉英，王 莉.金屬間化合物Mg2Si的研究進展[J].材料導報，2005，19(6)：4-7.

[4]劉仁培，董祖玨，潘永明.6082和ZL101鋁合金低熔共晶測試與分析[J].焊接學報，2005，26(10)：27-31.

Study on welding cracks in automatic lap joint of aluminum alloy on railway vehicles

LIU Chun-ning，TANG Heng-chen，WANG Lu-zhao，YIN De-meng，TIAN Zhong-li，CHU Hong-yu
(Manufacturing Technical Center，Tangshan Railway Vehicle Co.Ltd.，Tangshan 063035，China)

Single-wire pulsed MIG welding test was used on 6005A Aluminum alloy lap joints with CLOOS special welding robot.The microstructure，welding heat inputting，stress were comprehensively analyzed for post-welding cracks universal occurred on the weld toe.Sysweld software was used to simulating welding heat，welding temperature field and stress field.Results of test and simulation showed that，welding heat inputting excessive and welding angle inconsequence，which induced part heat concentrated was the essential causes of cracks on 6005A Aluminum alloy lap joints.Assembly gap cause stress concentration was an important induced factor in welding cracks expanding and extension.Welding cracks were effectively controlled through optimizing welding parameter，adjusting welding angle and enhancing assembly effect，which assure the quality of production.

welding cracks；heat inputting；stress；numerical simulation

TG457.14

B

1001-2303(2011)11-0039-05

2011-10-18

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAG12A04-B02)

劉春寧(1973—)，女，河北南宮人，高級工程師，學士，主要從事高速動車組鋁合金制造技術研究及管理工作。

圖5 焊縫和熱影響區微觀組織