不同焊接工藝對5083-H111鋁合金MIG焊接接頭力學性能的影響

朱志民，董 強，許鴻吉

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028）

不同焊接工藝對5083-H111鋁合金MIG焊接接頭力學性能的影響

朱志民1，董 強2，許鴻吉2

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028）

通過拉伸、彎曲和硬度試驗，研究不同焊接線能力和預熱溫度對5083-H111鋁合金MIG焊焊接接頭力學性能的影響。結果表明，在不同線能量和預熱溫度下，5083-H111鋁合金（4mm）焊接接頭的抗拉強度良好，均滿足標準要求；在不同線能量和預熱溫度下焊接接頭的彎曲性能良好；在不同線能量和不同預熱溫度下，接頭各區域的硬度變化不大，且無明顯軟化現象。

5083-H111鋁合金；MIG焊；焊接接頭；組織與性能

0 前言

隨著高速鐵路的飛速發展，高速列車輕量化成為鐵路運輸行業現代化的重要目標[1]。最近幾年我國已成功開發出200 km/h、350 km/h的鋁合金高速列車，在高速列車上大量采用5系列、6系列、7系列鋁合金。鋁合金焊接時容易產生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，且焊接熱循環也會對熱影響區產生不良影響，導致焊接熱影響區較寬，降低力學性能[2-4]。鋁合金的焊接質量與焊接工藝參數相關，因此研究焊接工藝參數（焊接熱輸入、焊前預熱溫度）對5083-H111鋁合金焊接接頭力學性能的影響，對于提高我國鋁合金高速列車和城軌車輛的焊接質量和制造水平具有十分重要的現實意義[5-7]。在此研究了不同MIG焊接工藝對高速列車用5083-H111鋁合金焊接接頭力學性能的影響，確定合理的焊接工藝，為5083-H111鋁合金結構的生產提供依據。

1 試驗材料和方法

試驗材料為4mm厚的5083-H111鋁合金板材，采用MIG焊單層單道焊接工藝和φ1.2mm ER5356實心焊絲。保護氣體為純度99.9%的Ar。試驗材料和焊接材料的化學成分及力學性能見表1和表2。

表1 試驗材料和焊接材料的化學成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding materials %

試板尺寸300 mm×300 mm×4 mm。坡口形式為70°V型坡口，5083-H111鋁合金焊接坡口裝配如圖1所示。進行不同焊接熱輸入、不同預熱溫度的對接工藝試驗，焊接工藝參數如表3所示。

表2 試驗材料和焊接材料的力學性能Table 2 Mechanical properties of the experimental and welding materials

圖1 5083-H111鋁合金焊接坡口裝配Fig.1 Welding groove assembly drawing of 5083-H111 aluminum alloy

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding process parameters

焊后分別按照ISO17637-2003、EN1289-2002和ISO17636-2003標準對試板進行外觀檢測、滲透檢測及射線檢測等無損檢測。對焊接試板進行加工取樣，并進行拉伸試驗、彎曲試驗以及顯微硬度試驗。拉伸試驗及彎曲試驗分別參照ISO 4136：2001和ISO 5173：2000，在WDW-300KN型微機控制電子萬能試驗機上進行，以確定不同焊接工藝對5083-H111鋁合金MIG焊接接頭拉伸性能和彎曲性能的影響。顯微硬度試驗選用維氏硬度，根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》測量焊接接頭的硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，顯微硬度儀的參數設置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時間 15 s，步長為 200 μm 和 500 μm。

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸試驗

分別對不同焊接參數和預熱溫度下的5083-H111鋁合金焊接接頭進行拉伸試驗，試驗結果如表4、表5所示。

依據ISO15614-2標準，處于焊后狀態的焊接試樣抗拉強度 Rm（w）應滿足要求：Rm（w）≥Rm（pm）×T，其中Rm（w）為處于焊后狀態的焊接試樣的抗拉強度；Rm（pm）為相關標準要求的母體材料抗拉強度的最低規定值；T為焊接接頭效率系數。

5083-H111鋁合金焊接接頭的接頭效率T=1，由表2可知Rm（w）=275 MPa，故以上試件接頭的抗拉強度均達到ISO15614-2標準要求。

由表4可知，5083-H111鋁合金對接接頭在不預熱的情況下，線能量分別為2.6 kJ/cm、4.3 kJ/cm和4.7kJ/cm時所得抗拉強度的平均值分別為308.89MPa、293.05 MPa和288.79 MPa，可見在不同線能量下，5083-H111鋁合金對接試件接頭的抗拉強度均達到Rm（w）以上，滿足ISO15614-2標準要求。同時可以看出，不同線能量下5083-H111鋁合金對接接頭拉伸試驗的斷裂位置均在焊縫處，該部分采用了強度級別略低的焊接材料，其次是因氣孔和夾雜造成。不預熱時，隨著線能量的增加，抗拉強度（288.79～308.89MPa）、屈服強度（123.63～129.81 MPa）以及延伸率（14.20%～18.80%）均有不同程度的下降。

表4 不同線能量焊接接頭室溫拉伸試驗結果Table 4 Tensile test results of welded joint with different line energy

表5 不同預熱溫度焊接接頭拉伸試驗結果Table 5 Tensile test results of welded joints with different preheating temperature

由表5可知，5083-H111鋁合金對接接頭在線能量為3.7～3.8 J/cm時，預熱溫度分別為不預熱（室溫25℃）、預熱70～90℃和預熱140～160℃時的抗拉強度分別為 293.05 MPa、285.71 MPa 和 288.80 MPa。試驗標準的要求仍為焊接試樣的抗拉強度Rm（w）≥275 MPa，可見不同預熱溫度下4 mm 5083-H111鋁合金對接試件接頭的抗拉強度均大于Rm（w），滿足ISO15614-2標準要求。不同預熱溫度下5083-H111鋁的斷裂位置均在焊縫處，這部分采用了強度級別略低的焊接材料，其次是焊縫處因氣孔和夾雜造成的。5083-H111鋁合金對接接頭在線能量為3.7～3.8kJ/cm的情況下，隨著預熱溫度的升高，抗拉強度（285.71～293.05MPa）、屈服強度（123.04～125.66 MPa）、伸長率（15.3%～18%）均出現先下降后上升的變化趨勢。

由以上數據可知，不同的焊接線能量和預熱溫度對5083-H111鋁合金對接接頭拉伸性能有一定影響，而焊接線能量和預熱溫度的增加均會降低5083-H111鋁合金對接接頭的塑性。這說明在焊接4mm厚的5083-H111鋁合金對接板時，焊前無需預熱，并應注意控制焊接線能量。

2.2 彎曲試驗

分別對不同線能量和預熱溫度下的5083-H111鋁合金焊接接頭進行彎曲試驗，結果如表6、表7所示。

依據國際標準ISO15614-2《金屬材料焊接工藝規程及評定-焊接工藝評定試驗第二部分：鋁及鋁合金的弧焊》，正彎和背彎試樣在試驗過程中試樣的任何方向都不應出現大于3 mm的裂紋，在結果評估時，出現在試件角部的裂紋可忽略不計。

由表6和表7可知，在不同焊接線能量、不同預熱溫度下用ER5356焊絲焊接4 mm厚5083-H111鋁合金的焊接接頭不論是面彎試驗還是背彎試驗，都未產生裂紋，均合格，表明不同預熱溫度下焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

由以上數據可知，在試驗條件下，不同焊接線能量和預熱溫度下用ER5356焊絲焊接4 mm厚5083-H111鋁合金對接板的焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

2.3 硬度試驗

5083-H111鋁合金在不同線能量和預熱溫度下的對接接頭硬度曲線對比如圖2、圖3所示。

由圖2可知，焊縫硬度與熱影響區和母材的硬度基本一樣，這是因為5083-H111鋁合金對接時，焊縫的填充材料是ER5356焊絲，其強度與母材強度相差不大。熔合線附近硬度變化較小，說明熔合線附近性能均勻。

表6 不同線能量焊接接頭彎曲試驗結果Table 6 Bending test results of welded joint with different line energy

表7 不同預熱溫度焊接接頭彎曲試驗結果Table 7 Bending test results of welded joint with different preheating tempreture

線能量為2.6kJ/cm時，焊縫硬度為74～81HV，熔合線硬度為78HV，熱影響區至母材硬度為69～80HV，無明顯軟化現象；線能量為4.3 kJ/cm時，焊縫硬度為73～81HV，熔合線硬度為79HV，熱影響區至母材硬度為70～79HV，無明顯軟化現象；線能量為4.7 kJ/cm時，焊縫硬度為70～76 HV，熔合線硬度為75 HV，熱影響區至母材硬度為71～78 HV，無明顯軟化現象。

5083-H111鋁合金的供貨狀態為單純加工硬化，未經附加熱處理，但硬度程度較低，在最終退火后又進行了適量的加工硬化，但加工硬化程度較上一次有所降低。加工硬化是金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現象，產生的原因是金屬在塑性變形時，晶粒發生滑移，出現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內部產生了殘余應力。由此可見，5083-H111鋁合金為非熱處理強化鋁合金，其焊接接頭產生軟化現象主要是由于焊接熱影響區晶粒粗大和焊接接頭局部冷作硬化效果消失造成的。熱影響區的峰值溫度超過再結晶溫度時晶粒再結晶，由加工硬化產生的內應力等消除，產生了明顯的軟化現象，而產生軟化后，焊接接頭的硬度大大降低，甚至抵消了冷作硬化的強化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接頭的軟化程度越嚴重。

4 mm厚5083-H111鋁合金板對接焊時采用單道焊縫，而單道焊的熱輸入量較小，未達到晶粒再結晶的條件，不能消除5083-H111鋁合金的兩次加工硬化產生的內應力，而母材兩次冷作硬化的程度都很低，且每次補焊時用機械加工的方法將之前的焊縫部分距熔合線約1 mm以外的組織去除后再施焊，另外填充金屬都為ER5356焊絲，由此可見，補焊對4 mm厚5083-H111鋁合金板對接接頭軟化現象的影響不明顯。

圖2 不同線能量焊接接頭硬度曲線對比Fig.2 Comparison of hardness curves of welding joints with different line energy

圖3 不同預熱溫度焊接接頭硬度曲線對比Fig.3 Comparison of hardness curves of welding joints with different preheating tempreture

由上面的分析可見，隨著線能量的增加，焊縫、熔合線和熱影響區的硬度變化不大，不同線能量下5083-H111鋁合金對接接頭的軟化現象均不明顯，5083-H111鋁合金是經過加工硬化處理的鋁合金，因此熱影響區至母材硬度變化不大。

由圖3可知，焊縫硬度與熱影響區和母材的硬度相差不大，這是因為在5083-H111鋁合金對接時，焊縫的填充材料是ER5356焊絲，其強度與母材相差不多。熔合線附近硬度變化較小，說明熔合線附近性能均勻。

不預熱時，焊縫硬度為73～81 HV，熔合線硬度為79 HV，熱影響區至母材硬度為70～79 HV，無明顯軟化現象；預熱溫度為70～90℃時，焊縫硬度為79～84 HV，熔合線硬度為79 HV，熱影響區至母材硬度為74～80 HV，無明顯軟化現象；預熱溫度為140～160℃時，焊縫硬度為 60～70 HV，熔合線硬度為62 HV，熱影響區至母材硬度為61～69 HV，無明顯軟化現象，軟化現象均不明顯的原因與圖2相同。

由上面的分析可知，預熱溫度為140～160℃時，試件硬度最低，預熱溫度為70～90℃時，試件硬度比不預熱的高一些。不同預熱溫度下5083-H111鋁合金對接接頭的軟化現象均不明顯。

3 結論

（1）4mm厚5083-H111鋁合金對接接頭在不同線能量和預熱溫度下焊接接頭的抗拉強度良好，均滿足ISO15614-2標準要求。拉伸試驗的斷裂位置均在焊縫處。隨著線能量的增加，接頭的抗拉強度、屈服強度、延伸率均有不同程度的降低；隨著預熱溫度的增加，接頭的抗拉強度、屈服強度變化不大，但延伸率降低。

（2）4 mm厚5083-H111鋁合金對接接頭在不同線能量和預熱溫度下焊接接頭彎曲性能良好。

（3）4 mm厚5083-H111鋁合金對接接頭在不同線能量和不同預熱溫度下，接頭各區域的硬度變化不大，并且均無明顯軟化現象。

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Effects of different welding technologies on the mechanical properties of 5083-H111 aluminum alloy MIG welded joints

ZHU Zhimin1，DONG Qiang2，XU Hongji2
（1.CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.，Ltd，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The influence of different welding line energy and different preheating temperatures on the mechanical properties of 5083-H111 aluminum alloy MIG welded joints is studied respectively through tensile tests，bending tests and hardness tests.The results show that under different line energy and preheating temperatures，the tensile strength of the welded joints of 5083-H111 aluminum alloy(4 mm)are good and meet the standard requirements，the bending properties of welded joints are good，the hardness value of each region varies a little and has no significant softening phenomenon.

5083-H111 aluminum alloy；MIG welding；welded joint；mechanical property

TG457.14

A

1001-2303（2017）10-0035-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.07

本文參考文獻引用格式：朱志民，董強，許鴻吉.不同焊接工藝對5083-H111鋁合金MIG焊接接頭力學性能的影響[J].電焊機，2017，47（10）：35-39.

2017-05-22

朱志民（1980—），男，高級工程師，學士，主要從事軌道車輛制造工藝的研究和管理工作。E-mail：zhuzhimin@crrcpz.cc。