轨道车辆车体A6N01S——T5铝合金焊接接头低温性能研究

方喜风，刘拥军

（1.南车青岛四方机车车辆有限公司，山东 青岛 266111；2.西南交通大学焊接研究所，四川成都 610031）

轨道车辆车体A6N01S
——T5铝合金焊接接头低温性能研究

方喜风1，刘拥军2

（1.南车青岛四方机车车辆有限公司，山东 青岛 266111；2.西南交通大学焊接研究所，四川成都 610031）

在高寒条件下，A6N01S-T5铝合金焊接接头的性能好坏对于高速列车车体的安全运行至关重要，研究焊接接头的低温性能可以为设计高寒条件下使用的高速列车车体提供理论依据。针对A6N01S-T5铝合金对接接头，进行了不同低温环境下接头的抗拉强度、冷弯性能、疲劳强度试验研究，同时测定接头的硬度分布，观察该接头的微观组织。试验结果表明：接头各区的组织状况能够很好的分析硬度分布规律。随着温度的降低，接头强度有所提高，但由于焊缝中存在缺陷，使得温度对接头疲劳强度的影响不是很明显，气孔是引起疲劳裂纹的主要原因之一。

高寒条件；A6N01S-T5；高速列车；焊接接头；性能研究

0 前言

目前我国生产的CRH型动车组运行的环境温度要求为-25℃～+40℃，而东北地区铁路沿线近30年来气象记录最低温度为-37.3℃。针对铝合金焊接接头的性能研究，国内外主要进行了常温条件下的抗拉强度、疲劳强度和低温冲击韧性检测[1]。而对于高寒条件下的接头性能的测试研究较少，尤其是低温疲劳性能测试研究很少提及。在此主要研究铝合金A6N01S-T5在高寒环境条件下焊接接头的性能和微观组织，可为高速列车在高寒条件下的服役行为及高速列车车体焊接接头设计提供理论依据，具有重要的应用价值。

1 试验方法

1.1 试验材料

本研究所用试验材料为3.5mm的A6N01S-T5，其主要化学成分见表1，焊接材料选用直径1.2mm的ER5356，其化学成分见表2，经检测，母材A6N01S-T5铝合金抗拉强度为315 MPa。

表1 A6N01S-T5铝合金的化学成分 %

表2 ER5356焊丝化学成分 %

1.2 试验过程

焊接设备采用Kemppi FastMig350，焊接材料选用ER5356，进行试件焊接和无损检测，合格后进行接头性能标准试样的加工和试验。

在不同温度条件下（常温、-25℃、-40℃、-50℃），对焊接接头进行常规力学性能（如拉伸、弯曲及冲击）和疲劳性能测试，结合接头金相组织及硬度测试结果，综合分析不同温度条件下温度对接头拉伸、弯曲、冲击及疲劳的影响。

采用GX40金相显微镜、卡尔蔡司A1m显微镜进行接头金相组织观察；采用数显维氏硬度计测试母材及接头硬度；采用WE-30液压式万能试验机、WDW3100微机控制电子万能试验机进行母材及接头拉伸性能、弯曲性能试验；采用PLG-100微机控制高频疲劳试验机开展接头疲劳寿命测试。

2 试验结果和分析

2.1 硬度测试结果及分析

A6N01S-T5铝合金焊接接头硬度分布测试结果如图1所示。

从图1可知，A6N01S-T5铝合金焊接接头在焊缝区域硬度值约为60 HV，母材区域硬度值约为90 HV，接头焊接热影响区存在一定的软化状况，由于母材比较薄，焊缝也有一定的软化。

图1 A6N01S-T5铝合金硬度测试分布

2.2 接头微观组织观察及分析

A6N01S-T5-T5铝合金焊接接头微观组织如图2所示，从图2中可看出，6N01S-T5铝合金焊接接头具有典型熔化焊焊接接头的特点，焊缝区、熔合线、焊接热影响区、母材分区明显。焊缝有一定的柱状晶生长方向，但由于沉淀析出相均匀分布，整个焊缝晶粒较细小。而焊接热影响区区由于受到热循环的作用，晶粒粗大，母材原有的带状组织已不明显，使得形变强化的效果部分丧失[2]，产生焊接热影响区软化现象。这可以很好的分析图1中的硬度分布规律。

2.3 拉伸与弯曲试验结果及分析

A6N01S-T5铝合金焊接接头在不同温度条件下拉伸试验结果如表3所示。

表3 不同温度条件下A6N01S-T5铝合金焊接接头拉伸试验结果

A6N01S-T5铝合金焊接接头平均抗拉强度在常温、-25℃、-40℃、-50℃时依次为174MPa、177MPa、191 Pa、190 MPa。常温条件下与-25℃时接头抗拉强度变化不够明显，-40℃与-50℃时抗拉强度差异也不大，但-40℃时抗拉强度较常温提高近10%。因此，在高速列车设计允许环境温度变化范围内，环境温度对于接头抗拉强度的影响较为显著，即A6N01S-T5-T5铝合金焊接接头的抗拉强度随着环境温度的降低而有所提高。其原因是温度的降低使得材料内部原子间距变小，位错移动阻力增加，从而增加材料的抵抗变形抗力[3]，进而提高材料的抗拉强度。该接头在不同温度条件下均断裂于HAZ，这是因为采用ER5356焊丝为低匹配。

图2 A6N01S-T5铝合金接头微观组织

A6N01S-T5铝合金接头弯曲试样在常温、-25℃、-40℃、-50℃等温度条件下进行正弯、背弯试验，试验后未发现明显裂纹或缺陷，弯曲试验结果合格。

2.4 疲劳试验结果及分析

参照标准JIS Z 2273《金属材料疲劳试验方法通则》进行不同环境温度条件下A6N01S-T5铝合金焊接接头疲劳性能试验，循环应力比R＝0，加载频率f＝95 Hz，循环应力最高加载次数为107周次。经过试验，-25℃、-40℃、-50℃条件下焊接接头的疲劳极限分别为95 MPa、97.5 MPa、97.5 MPa，达到要求值89.0 MPa的设计要求。-40℃条件下A6N01ST5铝合金焊接接头疲劳试验S-N（应力-寿命）曲线如图3所示。

图3 -40℃条件下A6N01S-T5铝合金焊接接头S-N曲线

A6N01S-T5铝合金焊接接头疲劳断裂多数发生在焊缝区，因此焊缝区是A6N01S-T5-T5铝合金焊接接头疲劳性能的薄弱区域。

在-40℃条件下，加载载荷120 MPa，循环次数为7.6×106，A6N01S-T5铝合金焊接接头疲劳断口形貌如图4所示。该断口在试件表面存在微观气孔缺陷是引起疲劳断裂的主要原因。

由图4可知，由于焊接接头微观缺陷的存在，例如枝晶间的微小气孔等缺陷，使得环境温度对焊接接头疲劳性能的影响并不十分明显，环境温度的降低不能显著提高接头疲劳性能。此外，试件表面的加工状况也对其循环次数有着显著的影响。

因此，针对铝合金焊接接头疲劳试验使用的试件，首先要在焊接过程中严控导致氢气孔产生的因素，如焊接前严格清理母材表面的氧化膜，尽可能降低空气湿度，采用含水量极低的氩气。通过无损检测合格的接头在疲劳试件加工时必须保证试件表面和侧面较低的粗糙度，尽可能采用镜面抛光方式准备。

3 结论

通过对轨道车辆6N01S-T5铝合金焊接接头在低温条件下的拉伸、弯曲及疲劳性能的测试和分析，结合接头硬度分布及组织得到以下结论：

（1）随着温度的降低，焊接接头的抗拉强度有一定提高，40℃时抗拉强度较常温时提高近10%。

（2）-25℃、-40℃、-50℃条件下焊接接头的疲劳极限分别为95 MPa、97.5 MPa、97.5 MPa，达到设计要求89.0MPa。由于焊接接头存在一定的微小气孔等缺陷，温度对接头疲劳强度的影响不是很明显。（3）从接头硬度分布状况可以看出，接头HAZ存在一定的软化，由于采用低匹配焊材，焊缝硬度低于母材。

图4 SEM形貌（-40℃，加载载荷120 MPa，循环次数为7.6×106）

[1]王元良.高速列车铝合金车体的焊接技术[M].四川：西南交通大学出版社，2012.

[2]周振丰.焊接冶金学(金属焊接性)[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]赵慧杰，吕世雄.低温下LF6合金及其焊接接头的拉伸性能和断口微观形貌[J].焊接，2003（9）：9-12.

[4]李太仁，包晔峰.16MnDR焊接接头的低温力学性能[J].电焊机，2007，37（9）：69-72.

Study on the performance of the A6N01S-T5 aluminum alloy welding joint in bullet train at low temperature

FANG Xi-feng1，LIU Yong-jun2
（1.CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Welding Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

It’s important for the safe operation of the high-speed train about the performance of the A6N01A-T5 aluminum alloy welding joint at the low temperature.It can provide theoretical basis for the design of the high-speed train used at low temperature for the research of the low temperature performance of the A6N01S-T5 joints.In the paper，it studys the tensile strength,cold bending properties and fatigue strength of the butt joints under different low temperature environment.At the same time，the microstructure of the joint is observed，the hardness of joint distribution is tested.The result shows that the organization of the joint can analytical hardness distribution.With the temperature is reduced,the strength of the joint is reduced too.Because there are tiny defects in the weld,the effect of temperature on the joint fatigue strength is not very obvious.Porosity is one of the main cause.

alpine conditions；A6N01S-T5；high-speed train；welding joint；performance

TG407

A

1001-2303（2014）04-0142-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.04.31

2014-03-14

国家高科技研究发展计划资助项目（2011AA11A101）

方喜风（1 9 7 5—），男，高级工程师，学士，主要从事轨道车辆制造技术的研究工作。