不同時效制度對A7N01S-T5鋁合金焊接性的影響

遼寧忠旺集團有限公司 （遼陽 111003） 張明銘 李鵬偉 楊志勇 齊芃芃 黃 明 趙佳龍

1.概述

在最近幾年內，由于國家大力實施鐵路提速，故高速列車的研制成為國家重點項目。其中，輕量化的鋁合金高速列車車體成為提高列車運行速度的重要方面。以此為契機，國內關于高速列車車體用鋁合金型材的研究與生產也逐步開始。中等強度的A7N01S具有熱擠壓成形性、耐腐蝕性好等特點，在車體制造過程中被廣泛應用。但在焊接過程中易產生鏈狀氣孔及密集氣孔，這兩種形式的氣孔存在于產品中，當受到外力作用時極易形成裂紋，最終導致斷裂。

本文主要研究在不同時效制度下，A7N01S鋁合金的焊接性，確定出既消除氣孔，又能保證母材和焊接件性能的時效制度和焊接工藝。

2.試驗過程

（1）試驗材料 試驗材料從圖1鋁型材4號位置取的8mm厚試板，該型材合金狀態為A7N01S－T5，試板規格300mm×150mm。采用進口ER5556鋁合金焊絲，鋁合金材料及焊絲化學成分如表1所示。在焊接試驗中，保護氣體采用99.999%的高純氬，焊接設備采用福尼斯TPS 5000MIG焊機。

圖1 鋁合金型材斷面

表1 鋁合金材料及ER5556焊絲化學成分（質量分數） （%）

（2）試驗方法 采用KWY－103 電熱鼓風烘箱對試驗板制定如表2所示的時效制度進行時效處理。本試驗分五組進行，每種時效制度為一組（見表2），每組時效制度做兩個試驗，分別采用焊接接頭為70°的V形和X形坡口進行焊接（見圖2、圖3）。焊前用較細的不銹鋼刷清除坡口區域30mm范圍內的氧化膜、油漬，然后用酒精清潔試板坡口區域以去除坡口部位的水分、油污等。清理后要及時對試板進行焊接，以免試板再次氧化。焊接工藝如表3所示。

表2 試驗板時效制度

圖2 V形坡口

圖3 X形坡口

表3 V形與X形坡口焊接參數

（3）檢測方法 采用XXG－165 X射線探傷儀對試樣焊縫進行X射線檢測并評定焊縫質量等級，然后采用日本島津AG－X100KNH倒置式電子萬能試驗機，按標準GB/T 228.1－2010分別對五組時效后的板材和焊接接頭進行拉伸試驗，觀察試樣的斷裂位置，測定抗拉強度，進而分析板材以及接頭的拉伸性能。參照標準ISO4136制備拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸如圖4所示。按ISO5173－2009進行彎曲試驗，由標準選擇壓頭直徑為68mm，支點距離93mm，彎曲角度180°。

金相試樣經研磨、拋光后采用的腐蝕劑為低濃度混合酸，內含HF、HCl、HNO3和H2O，其配比的比例為1∶1.5∶2.5∶95，腐蝕時間為20s左右，最后用乙醇清洗腐蝕后的表面，同時用熱風把表面吹干，此過程要確保腐蝕時間和用乙醇清洗后的表面無殘留水紋，本試驗采用的是ZEISS－AXIO倒置式材料顯微鏡對試樣進行觀察。

圖4 拉伸試樣尺寸

3.試驗結果及分析

（1）時效后A7N01S組織與性能分析 通過顯微鏡的觀察，不同時效制度下A7N01S鋁合金的在組織上并沒有太大區別，晶粒都是擠壓過程中形成的纖維狀晶粒，如圖5～圖9所示。材料的力學性能因金屬間化合物（即相）分布的均勻程度、該化合物在顯微鏡下大小程度不同而有區別，一般金屬間化合物分布均勻且細小，材料的力學性能則高些，反之則低些，如表4所示，但都符合A7N01S鋁合金的標準要求強度。由上述結論，可以看出在相同擠壓條件下經過不同的時效處理，型材最終的力學性能有很大的不同，這說明時效制度對型材力學性能的影響很顯著。

圖5 第一組時效處理后的顯微組織

圖6 第二組時效處理后的顯微組織

圖7 第三組時效處理后的顯微組織

圖8 第四組時效處理后的顯微組織

圖9 第五組時效處理后的顯微組織

（2）焊接接頭分析 由于鋁合金焊接對氣孔有著很大的敏感性，所以在鋁合金車體制造過程中，焊接氣孔是目前鋁合金焊接領域需要解決的首要問題。

試驗過程中第一組和第五組在焊接第一道焊縫時焊道表面出現黑灰現象，如圖10所示。這種情況下焊道內部雜質及H未完全析出，會導致出現大量氣孔及夾雜，嚴重影響焊接質量，固其他檢測分析沒繼續進行。所以說該兩組時效制度的焊接性差。

對焊接后的試樣進行X射線探傷檢測，結果如表5所示。力學性能檢測，試驗結果如表6所示。對3組試樣的焊縫中心、熔合線、熱影響區進行顯微組織觀察，均未發現顯微裂紋。

通過對焊接接頭的一系列檢測結果觀察，發現第二組、第四組試驗存在較明顯的焊接氣孔，不符合歐洲標準ISO10042 B級要求。

表4 時效制度對應母材性能

圖10 焊接過程中焊縫出現黑灰現象

表5 鋁合金焊縫X射線檢測結果

表6 A7N01－T5鋁合金焊接接頭力學性能試驗結果

4.結語

綜上所述，針對A7N01S－T5鋁合金，我們采用雙級時效制度，具體推薦制度為第一級時效溫度95℃，保溫時間8h；第二級時效溫度150℃，保溫時間8h。該時效制度為A7N01S焊接性好的時效制度。

通過試驗，A7N01S－T5鋁合金型材對接焊接工藝切實可行。對于該8mm板，從性能以及氣孔分布和氣孔多少來看，開V形坡口要比X形坡口好，能夠滿足A7N01S－T5鋁合金對接接頭的組織與性能要求。