补焊次数对A6N01S-T5铝合金对接接头微观组织与力学性能的影响

林鲁杰，田志骞，陈东方，马国龙

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

补焊次数对A6N01S-T5铝合金对接接头微观组织与力学性能的影响

林鲁杰1，田志骞1，陈东方1，马国龙2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）

对A6N01S-T5铝合金进行一次焊接和三次补焊试验，系统分析补焊次数对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明，焊缝区由α-Al以及（α-Al+Mg2Si）的伪共晶组织构成；随着补焊次数的增加，焊缝区组织变化不大，热影响区产生过时效现象形成软化区。焊缝区显微硬度高于热影响区，且随补焊次数的增加热影响区范围增大，显微硬度值下降；这主要与热影响区过时效现象加剧有关。补焊对焊接接头抗拉强度和弯曲性能影响较小，而对延伸率影响较大；随着补焊次数的增加，延伸率不断下降。拉伸试样均断裂于热影响区，为接头力学性能的薄弱部分。

补焊；焊接接头；微观组织；力学性能

0 前言

A6N01属于可热处理强化的Al-Mg-Si系铝合金，最早是日本在20世纪80年代为高速列车车体制造开发的材料，具有机械强度高、耐腐蚀性能好、焊接性好以及易于成型等优点[1]。由于受铝合金材料自身物理性质的影响，如易氧化、比热容和热导率大、热膨胀系数高等，焊接过程中常出现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，严重影响高速列车运行的安全和寿命[2-3]。因此，在满足车辆设计要求的前提下，为了改善焊缝质量，同时节约生产制造成本，必须对有缺陷的焊接接头进行补焊。根据EN15085《轨道车辆及其部件的焊接》铝合金焊接技术条件的要求，最多进行两次补焊，补焊会对最终焊接接头质量造成影响[4]。在此对焊接接头进行一次焊接和三次补焊，研究补焊次数对焊接接头微观组织和力学性能的影响。

1 试验材料和方法

试验材料选用8 mm厚A6N01S-T5型材，焊丝为直径φ1.6 mm的ER5356，化学成分如表1所示，保护气体为高纯氩气（纯度≥99.999%），流量25L/min。

表1 母材及焊丝化学成分 %

采用POWERPLUSTM 500焊机通过MIG焊，坡口形式如图1所示，焊接位置为平焊。焊前需进行去油和除氧化膜处理。为防止焊接变形，在刚性约束条件下进行焊接，焊接工艺参数为：焊接电压24 V，焊接电流235 A，焊接速度8.3 mm/s。

图1 焊接接头坡口形式

焊接及补焊过程如图2所示。一次焊接过程见图2a，首先焊接焊道A，清根后焊接焊道B。补焊过程为：切除焊缝B的堆高并重新加工成60°坡口，然后焊接；重复以上过程完成第二次、第三次补焊。

采用OLYMPUS GX71金相显微镜分析接头成形和微观组织；根据ISO 9501.1《金属材料焊缝破坏性试验—硬度试验—电弧焊接头硬度试验》要求，采用HXD-1000TM数字显微硬度计进行硬度测试，其中加载载荷4.9 N，加载时间10s。根据ISO 4136《金属材料焊缝破坏性试验——横向拉伸试验》规定制备拉伸试样，在Instron 5569电子万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率2 mm/min。根据ISO 5173《金属材料焊缝破坏性试验—弯曲试验》制备三点弯曲试验试样，在Instron 5569电子万能材料试验机上进行正弯和背弯试验，弯曲角度180°，试验过程中支点跨距95 mm，加载速度1 mm/s。

图2 焊接及补焊过程示意

2 试验结果和分析

2.1 微观组织

A6N01铝合金和焊丝的主要成分均为Al、Mg、Si三种元素，因此焊缝微观组织主要由初始相α-Al基体和Mg2Si第二相粒子组成。根据母材和焊丝化学成分计算可得，A6N01铝合金中w（Mg2Si）＝1.03%，焊丝中w（Mg2Si）＝0.35%，最终获得的焊缝中Mg2Si含量介于二者之间；根据图3可知[5]，Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.91%，这一数值大于焊缝中Mg2Si的最大含量。若在平衡条件下，熔池将按照相图中所示的虚线进行凝固；而实际情况下，由于熔池冷速较快，发生成分偏析，凝固曲线会向左偏移，超过Mg2Si在铝中的溶解度，会有Mg2Si相析出。所以，实际的凝固过程为：

A6N01母材经过T5热处理，主要由α-Al基体和大量沉淀析出的Mg2Si第二相粒子组成。一次焊接和三次补焊后接头的微观组织如图4、图5所示。对于焊缝区，主要为等轴晶，由α-Al基体和细小的Mg2Si第二相粒子组成；补焊对该区域微观组织影响不大。对于熔合区，熔合线靠近焊缝区的部分由柱状晶组成，该部分冷却速度较快，晶粒在半熔化的母材晶粒联生结晶并择优生长，形成柱状晶区；补焊对其微观组织影响不大。对于热影响区，相对于母材，Mg2Si数量明显增多，同时第二相尺寸稍有增大，具有过时效的特点，这是由于在焊接热循环作用下，第二相发生脱溶析出并聚集长大[6]；对比图4a和图5a可知，随着补焊次数的增加，热影响区的范围明显增大，而这将会对焊缝的力学性能产生明显影响。

图3 伪二元Al-Mg2Si平衡相图[5]

图4 一次焊接接头微观组织

2.2 显微硬度

一次焊接和三次补焊后接头的显微硬度如图6所示。焊缝不同区域的显微硬度值差别较大，热影响区硬度明显低于焊缝区。由上述微观组织的分析可知，由于焊缝区冷却速度较快，Mg2Si大部分固溶于基体中起到固溶强化作用，仅有少量析出；热影响区则因受到焊接热循环的影响，原本人工时效析出的Mg2Si相重新固溶于基体中，并随着热作用重新析出长大，造成过时效，原来的强化效果减弱。

对于一次焊接接头，约在距焊缝中心4.5 mm处进入热影响区，在10 mm处硬度开始急剧增大，因此热影响区范围约为5.5mm。三次补焊后接头因补焊坡口角度减小，焊缝区范围减小，其约在距离焊缝中心4mm处进入热影响区，在距离焊缝中心10 mm左右硬度值达到最低，在13 mm处硬度开始增大，因此热影响区范围约为9 mm。对比结果可知：一方面，随着焊接次数的增加，接头热影响区的范围增大，这是由于铝合金热导率高，在不断受到焊接热循环的条件下，热影响区的范围得到扩展；另一方面，随着补焊次数的增加，热影响区的平均显微硬度也有所降低，这与热影响区的过时效现象不断加剧有关，接头显微组织的分析也证明了这一点。

图5 三次补焊接头微观组织

图6 一次焊接与补焊接头显微硬度

2.3 拉伸性能

一次焊接与多次补焊后焊接接头的力学性能如图7所示。一次焊接后，接头抗拉强度为175.9MPa，随着补焊次数的增加，抗拉强度略有减小，经过三次补焊后抗拉强度为168.7 MPa，仅下降了4.1%；屈服强度表现出相同的规律。补焊次数对接头的延伸率影响较大。一次焊接时接头的延伸率为7.42%，随着补焊次数的增加，延伸率明显下降，三次补焊后的延伸率为5.69%，下降幅度达23.6%。分析认为，接头力学性能的下降主要与热影响区的过时效现象有关，强化相粒子从基体中析出长大，沉淀强化作用削弱，形成软化区，且这一区域随着补焊次数的增加而扩大，从而造成力学性能的不断降低。焊接接头的断裂位置如图8所示，可以发现均在热影响区断裂，且断裂前发生颈缩，说明此处是热影响区中的软化区，为接头薄弱的环节。

2.4 弯曲性能

接头弯曲试验的评判标准为：弯曲试样达到规定的弯曲角度180°后，其拉伸面上有长度大于1.5 mm的任一裂纹或缺陷为不合格。试验结果表明，一次焊接以及多次补焊后所有的试验件弯曲角度达到180°时均未出现裂纹，说明补焊后接头弯曲性能完全能够满足使用要求，弯曲试验后的试样如图9所示。

图7 一次焊接与补焊接头拉伸性能

图8 拉伸试件断裂位置

图9 弯曲试验后的试件

3 结论

（1）A6N01S-T5铝合金MIG焊接对接接头焊缝区由α-Al以及α-Al和Mg2Si的伪共晶组织构成；热影响区发生过时效现象，Mg2Si粒子尺寸增大，形成软化区，为接头力学性的薄弱部分。

（2）焊缝区显微硬度大于热影响区；随补焊次数的增加，热影响区的范围增大，且受过时效现象加剧的影响，其平均显微硬度也降低。

（3）补焊次数对焊接接头抗拉强度以及弯曲性能的影响较小，拉伸接头均断裂于热影响区；随补焊次数增加，接头延伸率明显下降。

[1]刘静安.日本大断面铝合金挤压型材生产技术[J].铝加工，1995，18（5）：17-22.

[2]刘志平，胡文浩，王广英，等.铝合金车体底架边梁焊接缺陷研究与控制[J].热加工工艺，2011，40（13）：144-147.

[3]韩晓辉.高速列车铝合金车体焊接缺陷分析及防止措施[J].焊接技术，2009，38（3）：31-33.

[4]满伯倩，胡明华，卢碧琨.2A14铝合金返修焊技术[J].上海航天，2005（3）：61-64.

[5]Zhang J，Fan Z，Wang Y Q，et al.Equlilibrium pseudobinary Al-Mg2Si phase diagram[J].Materials Science and Techology，2110（17）：494-496.

[6]于金朋，张立民，张卫华，等.多次焊补对高速列车铝合金焊接接头的影响[J].焊接学报，2012，33（11）：77-82.

Influence of repair welding times on microstructure and mechanical properties of A6N01S-T5 aluminium alloy

LIN Lujie1，TIAN Zhiqian1，CHEN Dongfang1，MA Guolong2
（1.CCRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

A original welding and three times repair welding were carried out in this paper，and the influences of repair welding time on microstructures and mechanical properties were studied systematically.The results show that the microstructure of weld zone mainly consists of primary α-Al and（α-Al+Mg2Si）pseudoeutectic；repair welding has little influence on the microstructure of weld zone，but further deteriorates the overaging in HAZ zone in which a soft zone is generated.The microhardness of weld zone is higher than that of HAZ zone;increasing repair welding times enlarges the range of HAZ zone，and decreases the microhardness meanwhile.This is mainly attributed to the overaging in HAZ zone.Repair welding time slightly affects on mechanical and bending properties of weld joints，but decreases the enlongation significantly with increasing repair welding times.The fracture occurs in the HAZ zone for all tensile samples，which is the weakest part in weld joints.

repair welding；welding joints；microstructure；mechanical property

TG455

A

1001－2303（2017）02－0093-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.18

2017-01-03

林鲁杰（1983—），男，山东青岛人，工程师，学士，主要从事铝合金焊接技术的工程和研究工作。

献

林鲁杰，田志骞，陈东方，等.补焊次数对A6N01S-T5铝合金对接接头微观组织与力学性能的影响[J].电焊机，2017，47（02）：93-97.