不同焊絲對A7N01鋁合金焊接接頭力學性能的影響

段浩偉，田愛琴，馬傳平，付正鴻

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

不同焊絲對A7N01鋁合金焊接接頭力學性能的影響

段浩偉1，田愛琴1，馬傳平2，付正鴻2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

采用ER5356、ER5183和ER5087焊絲對A7N01S-T5鋁合金進行MIG焊接，分析接頭力學性能。試驗結果表明，三種焊絲的接頭焊接殘余應力大小基本相當；采用ER5183焊絲焊接的接頭抗拉強度和斷后伸長率最高，且彎曲性能良好，原因是接頭內氣孔量較少；采用ER5356焊絲焊接的接頭焊縫和熱影響區的沖擊功最高，ER5087焊絲接頭焊縫和熱影響區沖擊功則低得多。綜合來看，ER5183焊絲與A7N01S-T5鋁合金的匹配性更好。

焊絲；A7N01S-T5；MIG焊；氣孔

0 前言

A7N01鋁合金屬Al-Zn-Mg系鋁合金，因其良好的力學性能和焊接成型性能被廣泛用于高速列車底架、枕梁和端墻梁柱的制造[1]。目前高速列車用A7N01鋁合金材料大多采用MIG焊接成形，使用的焊絲牌號主要有ER5356、ER5183和ER5087等，焊絲成分之間存在一定差異[2]。

目前已有較多文獻研究焊絲成分對鋁合金焊接接頭組織及力學性能的影響。易杰等人[3]研究指出，采用ER5356焊絲雙脈沖MIG焊接的6061-T6鋁合金接頭性能和組織均優于ER4043焊絲，原因是ER5356焊絲中Mg的加入。劉文輝等人[4]指出，ER2319比ER5356對2519A和7A52異種鋁合金接頭具有更好的匹配性，主要原因是Ti和Zr的加入形成了Al3Ti和Al3Zr，促進熔池凝固過程中的非均勻形核。趙志浩等人[5]具體分析ER5356焊絲中Sc、Zr、Er對7A52鋁合金焊接性能的影響。還有一些學者認為不同焊絲接頭性能差別的原因是焊絲中微量元素對焊縫冶金過程的改變[6-8]。而關于A7N01鋁合金焊接使用較多的ER5356、ER5183和ER5087等焊絲的MIG焊接接頭組織與性能之間的差別，目前鮮有報道。

本研究針對A7N01S-T5鋁合金，比較ER5356、 ER5183和ER5087三種焊絲的MIG焊對接接頭力學性能之間的差別。

1 材料及試驗

焊接試驗母材為由高溫成型過程冷卻，然后進行人工時效的A7N01S-T5鋁合金，焊絲材料為大西洋的φ1.6 mm ER5356焊絲、φ1.6 mm ER5183焊絲和φ1.2 mm 5087焊絲。母材及焊絲的主要化學成分如表1所示。

表1 母材及焊絲主要化學成分Table 1 Main chemical composition of base metal and welding wire %

焊接試板尺寸均為400 mm×150 mm×10 mm，使用KEMPPI KempArc-450脈沖MIG焊機進行焊接。接頭采用V型坡口，單邊坡口角度35°，鈍邊1 mm，焊接間隙1.2 mm。焊接前先打磨干凈焊接坡口及附近區域，去除表層油漬和氧化膜。采用雙脈沖MIG焊進行平焊對接，ER5356焊絲和ER5183焊絲共焊兩道，一道打底，一道蓋面；而ER5087焊絲焊三道，一道打底，一道填充，一道蓋面。保護氣體使用99.999%高純氬，氣體流量30 L/min。具體焊接參數如表2所示。焊接過程中，控制焊接參數，保證三種焊絲焊接過程中總熱輸入基本相同，減小三種焊絲因直徑差別對試驗結果產生的干擾。

表2 焊接參數Table 2 Welding parameters

試板焊接完成后，對焊縫進行X射線無損探傷。對探傷合格的試板首先進行超聲波法殘余應力測定。按照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》切取矩形拉伸試樣，試樣標距100 mm，拉伸速率5 mm/s。按照GB/T 2635-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》切取彎曲試樣，試樣均以焊縫為中心，試樣尺寸240 mm×20 mm×10 mm，壓頭直徑選擇為彎曲試樣厚度的4倍，跨距略大于6倍彎曲試樣厚度。按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》切取V形缺口沖擊試樣，開口位置分別在焊縫、熱影響區和母材。

2 試驗結果

2.1 金相組織

利用倒置顯微鏡 Axio Observer A1m觀察ER5356、ER5183和ER5087的焊接接頭焊縫、熱影響區、熔合線的金相組織，分析不同焊接材料對焊接接頭組織的影響。室溫下采用混合酸（體積比H2O∶HCl∶HNO3∶HF=95∶1.5∶2.5∶1）腐蝕金相試樣。不同焊接接頭各區域金相組織如圖1所示，由于所用母材為同一批材料，所以母材組織不做比較。圖1a、1b、1c為三種接頭的焊縫微觀組織，焊縫組織屬于典型的鑄造組織，晶粒較粗大，焊縫中心處的組織為鑄態的等軸晶，而靠近熔合線附近枝晶則較為發達，呈柱狀排列[9]。圖1d、1e、1f為熔合線附近區域，是焊縫和熱影響區的明顯區分線，在靠近熔合線的半熔化區分布著大量連續或不連續的網狀共晶體，晶內有細小的彌散相。在熔合線處，母材的晶粒會發生部分熔化，形成固態表面。在熔合區中，第二強化相粒子容易沿晶粒間界呈團聚狀析出，并且分布不均，產生部分偏析，這是導致熔合區性能較差的主要原因。圖1g、1h、1i為熱影響區，熱影響區保留了母材的部分特征，由于焊接時受到熱循環作用，晶粒會比母材的粗大，由于偏析等原因，熱影響區中未溶解的強化相有聚集長大的傾向[10]。

2.2 殘余應力測試結果

利用超聲波法對試板中部沿垂直焊縫方向進行殘余應力測定，測試結果如圖2所示。

圖1 不同焊接材料的焊接接頭金相組織Fig.1 Microstructure of welded joints of different welding materials

對比分析可知，沿垂直焊縫長度方向的縱向殘余應力和橫向殘余應力相差不大，ER5356、ER5183和ER5087的焊接接頭的縱向最大殘余拉應力分別為140 MPa、165 MPa、142 MPa，最小殘余壓應力分別是-70 MPa、-71 MPa、-78 MPa；橫向最大殘余拉應力值分別為158 MPa、157 MPa、142 MPa，靠近邊緣處的值接近0。三種焊絲的焊接接頭的殘余應力在規律和大小上保持了高度的一致性。另外，可以看出在圖2中左側的殘余應力峰值均低于右側。

2.3 拉伸試驗結果

每種焊絲接頭切取3個平行試樣，以3個平行試樣拉伸試驗結果平均值作為試驗結果。拉伸試驗中，所有接頭的斷裂位置均處于焊縫，說明焊縫仍然是接頭中力學性能薄弱部位。三種焊絲焊接接頭和母材的抗拉強度平均值如圖3所示。母材的抗拉強度達到393 MPa，強度較高；焊接接頭的抗拉強度相對較低，ER5183焊絲焊接接頭抗拉強度平均值高于另外兩種焊絲所得接頭的，達到286.7 MPa，ER5356焊絲所得接頭強度平均值則略低于ER5183焊絲所得接頭，為275.2 MPa，ER5087焊絲所得接頭抗拉強度平均值最低，僅為265.5 MPa。

圖2 殘余應力測試結果Fig.2 Result of residual stress test

圖3 抗拉強度均值比較Fig.3 Compare of tensile stress

斷后伸長率的變化規律與抗拉強度基本相同，如圖4所示。三種焊絲所得接頭中，ER5183斷后伸長率最高，達到6.54%；其次為ER5356，達6.04%；ER5087最低，僅為5%。

接頭系數表征焊接接頭強度被削弱的程度，指接頭強度與母材強度之比值。ER5183焊絲所得接頭的接頭系數最高，達到0.73，ER5356和ER5087焊絲所得接頭接頭系數分別為0.70和0.68。

拉伸試驗后，三種接頭的斷口在掃描電鏡下的形貌如圖5所示。ER5356和ER5087焊絲所得接頭斷面上氣孔（圖中圓圈中為氣孔）較多，ER5087焊絲所得接頭氣孔相對較多且尺寸較大，而ER5183焊絲所得接頭斷面上氣孔則非常少。

圖4 斷后延伸率比較Fig.4 Elongation after fracture

2.4 彎曲試驗結果

彎曲成型過程中，外側壁減薄、破裂是型材達到成型極限的表現，可以作為塑性不好的型材彎曲變形能力的判據[11]。每種焊絲所得接頭選取3個平行試樣。經過彎曲試驗，ER5356和ER5087焊絲所得接頭在彎曲過程中均發生了斷裂，而ER5183焊絲所得接頭在彎曲過程中未發生斷裂，說明ER5183焊絲所得接頭具有較好的塑性和抗裂紋能力。ER5356和ER5087焊絲所得接頭與拉伸試驗斷口一樣，斷口表面有較多的氣孔，ER5356焊絲所得接頭氣孔尺寸相對較大，而ER5087焊絲所得接頭斷口上氣孔分布較多且尺寸較大。

圖5 拉伸試驗斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of tensile fracture

2.5 沖擊試驗結果

三種焊絲所得接頭的焊縫區域和熱影響區域的沖擊試驗結果如圖6所示，每種焊絲接頭取3個平行試樣。由圖6可知，三種焊絲所得接頭熱影響區均具有相對母材和焊縫更高的沖擊功，這是因為該區域在焊接過程中發生淬火和過時效等現象，使該區域具有良好的塑性；焊縫沖擊功最低，與該區域存在較多的焊接冶金缺陷和組織狀態有關。

圖6 沖擊試驗結果Fig.6 Result of impact test in deffirent area

具體來看，ER5356焊絲所得接頭的焊縫和熱影響區具有最高的沖擊功，分別為23.67J和46.67 J；ER5183焊絲所得接頭焊縫和熱影響區沖擊功值略低，分別為22.67 J和41.67 J；ER5087焊絲所得接頭焊縫和熱影響區沖擊功值最低，分別為16.67 J和34.33 J，與前兩種焊絲接頭相比，焊縫和熱影響區沖擊功值降低較為明顯。

3 分析討論

焊接殘余應力的大小主要受到焊接過程中熱輸入、夾具約束以及焊縫填充材料凝固過程的影響。試驗所選三種焊絲均屬于Al-Mg系焊絲，其化學成分差別不大。在焊接過程中，雖然三種焊絲直徑上有一定差別，但通過控制焊接參數使其熱輸入量基本相同，夾具約束條件也基本一致，因而在殘余應力上并未表現出明顯差別。對于不同系焊絲是否會導致不同的結果還需進一步的試驗探討。圖2中左側的殘余應力峰值均低于右側，可能是由于試板左右兩邊剛性拘束的差異造成的。焊接時發現，從起弧往收弧處看去，試板左側固定較好，而右側則發生變形翹起了一定的角度，右側試板正好對應圖中的左側測量點。

在拉伸斷口和彎曲斷口上，ER5356焊絲接頭斷面上可以觀察到一些尺寸較大的氣孔，ER5183焊絲接頭上氣孔量較少，ER5087焊絲接頭上的氣孔數量較前兩者多且尺寸較大。由于三種焊絲的鎂含量較高，鎂對氧的親和力較大，在焊接過程中，鎂容易與水反應生產疏松的氧化物而置換出水中的氫，導致氣孔傾向增加。由表1可知，ER5356焊絲的名義鎂含量最高，所以在同等條件下氣孔傾向更大，焊后氣孔數量較多；但又由于ER5087焊絲直徑為1.2 mm，當焊接較厚鋁板時，選用較細的焊絲氣孔的傾向增加，所以ER5087獲得的接頭氣孔比其他兩種細焊絲多[12]。當接頭中存在氣孔時，在外部載荷作用下，數量較多的氣孔可以連接成為氣孔群缺陷，并演化為微裂紋，嚴重降低接頭強度。這導致在拉伸試驗和彎曲試驗結果中，ER5183焊絲接頭具有最好的抗拉強度、斷后伸長率和抗彎性能，ER5356焊絲接頭次之，ER5087焊絲接頭最差。

4 結論

（1）ER5183、ER5356、ER5087三種焊絲所焊接頭焊接殘余應力的分布趨勢一致，峰值相近，差異不大。

（2）采用ER5183焊絲能獲得最好的強度和塑性，ER5356次之，ER5087最差；沖擊韌性則是ER5356最好，ER5183次之，ER5087最差。

（3）在掃描電鏡下，ER5087焊絲接頭斷口上的氣孔數量較多且尺寸較大；ER5356焊絲接頭斷口上氣孔數量相對較少，但氣孔直徑相對較大；ER5183焊絲接頭斷口上則只有少量的氣孔。

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Effect of different welding wire on the mechanical properties of A7N01 aluminum alloy welded joint

DUAN Haowei1，TIAN Aiqin1，MA Chuanping2，FU Zhenghong2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A7N01-T5 aluminum alloy was welded by ER5356，ER5183 and ER5087 wire，and the mechanical properties were analyzed. The results show that the residual stress of these three joints are similar；the ER5183 wire joint has the highest tensile stress and elongation after fracture and the best bending property which are resulted by the low number of welding blowholes in the joints；ER5356 wire joint has the highest impact energy in its weld seam and heat affected zone while the value of ER5087 wire joint is much lower. Taken together，ER5183 wire has a better matching with A7N01-T5 aluminum alloy.

welding wire；A7N01S-T5；MIG welding；welding blowhole

TG407

A

1001－2303（2017）05－0016-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.04

2017-01-16

段浩偉（1978—），男，工程師，學士，主要從事高速列車車體結構的開發工作。E-mail：sf-duanhaowei@ cqsf.com。

本文參考文獻引用格式：段浩偉，田愛琴，馬傳平，等.不同焊絲對A7N01鋁合金焊接接頭力學性能的影響[J].電焊機，2017，47（05）：16-21.