焊接熱循環(huán)對A5083P-O和A7N01P-T4鋁合金接頭組織性能的影響

云中煌，戴忠晨，金文濤

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

1 概述

隨著鋁合金材料在軌道交通裝備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其焊接質(zhì)量的要求越來越高，研究范圍也從材料的焊接性能、疲勞強度、應(yīng)力腐蝕等方面延伸到現(xiàn)場焊接技術(shù)的應(yīng)用及實際質(zhì)量問題的解決。補焊作為生產(chǎn)現(xiàn)場常用的焊接工藝，其過程及質(zhì)量越來越受到重視。但是針對補焊對母材組織性能影響的研究較少，在此主要探討多次焊接對鋁合金性能和組織的影響，為生產(chǎn)制造提供參考依據(jù)。

2 試驗準(zhǔn)備

試驗?zāi)覆臑锳5083P-O、A7N01P-T4兩種鋁合金材料，板厚4 mm，下料規(guī)格均為450 mm×150 mm×4 mm，坡口角度30°，如圖1所示，每種組合選用2組試件。填充材料選用ER5356，直徑1.2 mm，焊接保護氣選用99.999%的高純氬，焊接設(shè)備選用KEMPPI半自動焊機。

3 試件焊接及試樣制作

3.1 焊接環(huán)境

試件在溫度20℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下進行焊接，將母材夾持在專用工裝上，工裝夾持示意如圖2所示。

圖1 母材下料規(guī)格

圖2 焊接工裝夾持示意

3.2 試驗方法

焊接姿勢為平焊（PA），焊接方法采用MIG半自動焊接。采用多重溫度交換循環(huán)對比試驗法，在剛性約束條件下進行試件焊接。試驗焊接工藝參數(shù)要與實際生產(chǎn)焊接工藝參數(shù)相同，并記錄焊接條件。試件制作過程如圖3所示。根據(jù)預(yù)定焊接參數(shù)完成試板焊接（見圖3a），然后進行PT、RT檢測，合格后，切除試件焊縫余高，進行槽部加工（見圖3b），加工深度應(yīng)不超過板厚的1/2，并在PT、RT檢測合格后，截取3塊50 mm×30 mm的試樣，兩種材料分別做好標(biāo)示。

切除剩余試件焊縫余高，重復(fù)圖3b和圖3c的過程一次，進行槽部加工，完成試板的二次補焊，并在PT、RT檢測合格的區(qū)域截取50 mm×30 mm的試樣3塊，做好標(biāo)示。

截除剩余試件焊縫余高，重復(fù)圖3b和圖3c的過程一次，進行槽部加工，完成試板的3次補焊，并進行PT、RT檢測，如圖4所示。

試板焊接完成后截取試樣。試樣制作如圖5所示。試樣截取情況如表1所示。

圖3 試件焊接施工要領(lǐng)示意

圖4 溫度循環(huán)要領(lǐng)示意

圖5 試樣截取示意

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 無損檢測分析

對A5083P-O、A7N01P-T4一次循環(huán)焊接、二次循環(huán)焊接、三次循環(huán)焊接接頭及熱影響區(qū)（HAZ）進行PT探傷、RT射線探傷檢測。結(jié)果表明：兩種材質(zhì)3種焊接工藝均未出現(xiàn)氣孔及裂紋，達到ISO10042《鋁及鋁合金的弧焊接頭——缺欠質(zhì)量分級》中的B級焊縫等級要求。

表1 試樣截取情況

4.2 硬度試驗

試樣維氏硬度檢查數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，焊接次數(shù)對鋁合金A5083P-O母材區(qū)、焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的硬度影響較小。A7N01P-T4焊縫區(qū)硬度隨焊接次數(shù)的增加逐步略有降低；A7N01P-T4母材區(qū)和熱影響區(qū)隨著焊接次數(shù)的增加硬度先增加再降低。

4.3 宏觀和微觀分析

（1）宏觀金相斷面。

兩種材料3次循環(huán)焊接工藝的接頭宏觀金相照片如圖6所示。

由圖6可知，各宏觀斷面均熔合良好，隨著焊接次數(shù)的增加，熔合區(qū)逐漸增大，尤其A5083P-O材料隨著焊接次數(shù)的增加熔合區(qū)域擴大明顯，熱影響區(qū)逐步擴大。

表2 硬度試驗數(shù)據(jù) HV

圖6 6種焊接試樣接頭的宏觀金相照片

（2）焊縫區(qū)微觀組織。

兩種材料3次循環(huán)焊接工藝接頭的焊縫區(qū)400倍放大微觀組織如圖7所示。

由圖7可知，A5083P-O、A7N01P-T4兩種材料焊縫區(qū)組織在3次重復(fù)焊接的情況下，無明顯區(qū)別。每次焊接過程都是焊絲金屬及前一層焊道焊縫區(qū)金屬熔合凝固過程，每次焊接工藝相同，熱輸入相同，因此焊縫區(qū)的微觀組織基本相同，兩種材料的3次循環(huán)焊接工藝焊縫區(qū)的硬度值變化不大，因焊縫區(qū)為鑄造組織，其硬度值低于母材區(qū)，力學(xué)性能較差。

（3）熱影響區(qū)微觀組織。

兩種材料3次循環(huán)焊接工藝的熱影響區(qū)400倍放大微觀組織如圖8所示。

圖7 6種焊接試樣接頭焊縫區(qū)的微觀組織

圖8 6種焊接試樣接頭熱影響區(qū)的微觀組織

A5083P-O為Al-Mg合金，是非熱處理強化鋁合金，強化機理主要為固溶強化。從圖8微觀組織照片可以看出，A5083P-O 3種焊接工藝對熱影響區(qū)的微觀組織影響不大，非熱處理強化鋁合金隨著焊接次數(shù)的增加，金屬組織無明顯改變，因此3次循環(huán)焊接工藝A5083P-O熱影響區(qū)及母材區(qū)的硬度未發(fā)生明顯變化。

A7N01P-T4為Al-Mg-Zn鋁合金，是熱處理強化鋁合金，主要強化機理為第二相彌散強化、固溶強化等。由圖8可知，二次循環(huán)焊接后第二相粒子略有減少，合金元素固溶于基體相中，固溶強化作用加強，因此二次焊接后熱影響區(qū)硬度較一次焊接增加，三次循環(huán)焊接后第二相粒子明顯減少，第二相彌散強化減弱，故硬度比第二次又有降低。

A5083P-O和A7N01P-T4均未出現(xiàn)微觀裂紋，但隨著焊接次數(shù)的增加，A7N01P-T4在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)低熔點共晶物，數(shù)量增加，這些低熔點共晶物存在于晶界處。另外由于鋁的線膨脹系數(shù)比鋼大將近一倍，凝固時的結(jié)晶收縮又比鋼大（體積收縮率約為6.5%），鋁及鋁合金高溫時強度低、塑性很差（如純鋁在約375℃時強度不超過9.8 MPa；在約650℃的伸長率小于0.69%），因此，焊接鋁及鋁合金焊件時會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力及低熔點共晶物兩者共同作用的結(jié)果是焊縫中容易產(chǎn)生熱裂紋。A5083P-O并未隨著焊接次數(shù)的增加而出現(xiàn)低熔點共晶物。因此多次焊接A7N01P-T4的熱裂紋傾向比A5083P-O敏感很多，A7N01P-T4不建議多次焊接。

5 結(jié)論

（1）隨著焊接循環(huán)次數(shù)的增加，兩種材料的熔合區(qū)均逐漸增大；焊縫區(qū)微觀組織在3次重復(fù)焊接的情況下，無明顯區(qū)別；對于A5083P-O多次焊接熱循環(huán)對熱影響區(qū)的微觀組織影響不大，隨著熱循環(huán)次數(shù)增加，A7N01P-T4熱影響區(qū)第二相粒子逐步減少，第二相彌散強化減弱，固溶強化增強。

（2）經(jīng)過3次熱循環(huán)，兩種鋁合金均未出現(xiàn)裂紋。但隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，A5083P-O未出現(xiàn)低熔點共晶物；A7N01P-T4在焊接熱影響區(qū)晶界處出現(xiàn)低熔點共晶物并在增加，熱裂紋傾向增大，建議7系鋁合金盡量降低焊接次數(shù)。

（3）多次焊接熱循環(huán)對A5083P-O材料焊縫、母材和熱影響區(qū)及A7N01P-T4焊縫區(qū)的硬度影響不大，但隨著焊接循環(huán)次數(shù)的增加，A7N01P-T4材料母材區(qū)和熱影響區(qū)的硬度先增加后降低。