不同焊接工艺对5083-H111铝合金MIG焊接接头力学性能的影响

朱志民，董 强，许鸿吉

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028）

不同焊接工艺对5083-H111铝合金MIG焊接接头力学性能的影响

朱志民1，董 强2，许鸿吉2

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210031；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028）

通过拉伸、弯曲和硬度试验，研究不同焊接线能力和预热温度对5083-H111铝合金MIG焊焊接接头力学性能的影响。结果表明，在不同线能量和预热温度下，5083-H111铝合金（4mm）焊接接头的抗拉强度良好，均满足标准要求；在不同线能量和预热温度下焊接接头的弯曲性能良好；在不同线能量和不同预热温度下，接头各区域的硬度变化不大，且无明显软化现象。

5083-H111铝合金；MIG焊；焊接接头；组织与性能

0 前言

随着高速铁路的飞速发展，高速列车轻量化成为铁路运输行业现代化的重要目标[1]。最近几年我国已成功开发出200 km/h、350 km/h的铝合金高速列车，在高速列车上大量采用5系列、6系列、7系列铝合金。铝合金焊接时容易产生气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，且焊接热循环也会对热影响区产生不良影响，导致焊接热影响区较宽，降低力学性能[2-4]。铝合金的焊接质量与焊接工艺参数相关，因此研究焊接工艺参数（焊接热输入、焊前预热温度）对5083-H111铝合金焊接接头力学性能的影响，对于提高我国铝合金高速列车和城轨车辆的焊接质量和制造水平具有十分重要的现实意义[5-7]。在此研究了不同MIG焊接工艺对高速列车用5083-H111铝合金焊接接头力学性能的影响，确定合理的焊接工艺，为5083-H111铝合金结构的生产提供依据。

1 试验材料和方法

试验材料为4mm厚的5083-H111铝合金板材，采用MIG焊单层单道焊接工艺和φ1.2mm ER5356实心焊丝。保护气体为纯度99.9%的Ar。试验材料和焊接材料的化学成分及力学性能见表1和表2。

表1 试验材料和焊接材料的化学成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding materials %

试板尺寸300 mm×300 mm×4 mm。坡口形式为70°V型坡口，5083-H111铝合金焊接坡口装配如图1所示。进行不同焊接热输入、不同预热温度的对接工艺试验，焊接工艺参数如表3所示。

表2 试验材料和焊接材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of the experimental and welding materials

图1 5083-H111铝合金焊接坡口装配Fig.1 Welding groove assembly drawing of 5083-H111 aluminum alloy

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameters

焊后分别按照ISO17637-2003、EN1289-2002和ISO17636-2003标准对试板进行外观检测、渗透检测及射线检测等无损检测。对焊接试板进行加工取样，并进行拉伸试验、弯曲试验以及显微硬度试验。拉伸试验及弯曲试验分别参照ISO 4136：2001和ISO 5173：2000，在WDW-300KN型微机控制电子万能试验机上进行，以确定不同焊接工艺对5083-H111铝合金MIG焊接接头拉伸性能和弯曲性能的影响。显微硬度试验选用维氏硬度，根据GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测量焊接接头的硬度分布，并使用ORIGIN75软件绘制硬度图，显微硬度仪的参数设置为：载荷200 gf（1.96 N），保持时间 15 s，步长为 200 μm 和 500 μm。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验

分别对不同焊接参数和预热温度下的5083-H111铝合金焊接接头进行拉伸试验，试验结果如表4、表5所示。

依据ISO15614-2标准，处于焊后状态的焊接试样抗拉强度 Rm（w）应满足要求：Rm（w）≥Rm（pm）×T，其中Rm（w）为处于焊后状态的焊接试样的抗拉强度；Rm（pm）为相关标准要求的母体材料抗拉强度的最低规定值；T为焊接接头效率系数。

5083-H111铝合金焊接接头的接头效率T=1，由表2可知Rm（w）=275 MPa，故以上试件接头的抗拉强度均达到ISO15614-2标准要求。

由表4可知，5083-H111铝合金对接接头在不预热的情况下，线能量分别为2.6 kJ/cm、4.3 kJ/cm和4.7kJ/cm时所得抗拉强度的平均值分别为308.89MPa、293.05 MPa和288.79 MPa，可见在不同线能量下，5083-H111铝合金对接试件接头的抗拉强度均达到Rm（w）以上，满足ISO15614-2标准要求。同时可以看出，不同线能量下5083-H111铝合金对接接头拉伸试验的断裂位置均在焊缝处，该部分采用了强度级别略低的焊接材料，其次是因气孔和夹杂造成。不预热时，随着线能量的增加，抗拉强度（288.79～308.89MPa）、屈服强度（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 不同线能量焊接接头室温拉伸试验结果Table 4 Tensile test results of welded joint with different line energy

表5 不同预热温度焊接接头拉伸试验结果Table 5 Tensile test results of welded joints with different preheating temperature

由表5可知，5083-H111铝合金对接接头在线能量为3.7～3.8 J/cm时，预热温度分别为不预热（室温25℃）、预热70～90℃和预热140～160℃时的抗拉强度分别为 293.05 MPa、285.71 MPa 和 288.80 MPa。试验标准的要求仍为焊接试样的抗拉强度Rm（w）≥275 MPa，可见不同预热温度下4 mm 5083-H111铝合金对接试件接头的抗拉强度均大于Rm（w），满足ISO15614-2标准要求。不同预热温度下5083-H111铝的断裂位置均在焊缝处，这部分采用了强度级别略低的焊接材料，其次是焊缝处因气孔和夹杂造成的。5083-H111铝合金对接接头在线能量为3.7～3.8kJ/cm的情况下，随着预热温度的升高，抗拉强度（285.71～293.05MPa）、屈服强度（123.04～125.66 MPa）、伸长率（15.3%～18%）均出现先下降后上升的变化趋势。

由以上数据可知，不同的焊接线能量和预热温度对5083-H111铝合金对接接头拉伸性能有一定影响，而焊接线能量和预热温度的增加均会降低5083-H111铝合金对接接头的塑性。这说明在焊接4mm厚的5083-H111铝合金对接板时，焊前无需预热，并应注意控制焊接线能量。

2.2 弯曲试验

分别对不同线能量和预热温度下的5083-H111铝合金焊接接头进行弯曲试验，结果如表6、表7所示。

依据国际标准ISO15614-2《金属材料焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验第二部分：铝及铝合金的弧焊》，正弯和背弯试样在试验过程中试样的任何方向都不应出现大于3 mm的裂纹，在结果评估时，出现在试件角部的裂纹可忽略不计。

由表6和表7可知，在不同焊接线能量、不同预热温度下用ER5356焊丝焊接4 mm厚5083-H111铝合金的焊接接头不论是面弯试验还是背弯试验，都未产生裂纹，均合格，表明不同预热温度下焊接接头均具有良好的弯曲性能。

由以上数据可知，在试验条件下，不同焊接线能量和预热温度下用ER5356焊丝焊接4 mm厚5083-H111铝合金对接板的焊接接头均具有良好的弯曲性能。

2.3 硬度试验

5083-H111铝合金在不同线能量和预热温度下的对接接头硬度曲线对比如图2、图3所示。

由图2可知，焊缝硬度与热影响区和母材的硬度基本一样，这是因为5083-H111铝合金对接时，焊缝的填充材料是ER5356焊丝，其强度与母材强度相差不大。熔合线附近硬度变化较小，说明熔合线附近性能均匀。

表6 不同线能量焊接接头弯曲试验结果Table 6 Bending test results of welded joint with different line energy

表7 不同预热温度焊接接头弯曲试验结果Table 7 Bending test results of welded joint with different preheating tempreture

线能量为2.6kJ/cm时，焊缝硬度为74～81HV，熔合线硬度为78HV，热影响区至母材硬度为69～80HV，无明显软化现象；线能量为4.3 kJ/cm时，焊缝硬度为73～81HV，熔合线硬度为79HV，热影响区至母材硬度为70～79HV，无明显软化现象；线能量为4.7 kJ/cm时，焊缝硬度为70～76 HV，熔合线硬度为75 HV，热影响区至母材硬度为71～78 HV，无明显软化现象。

5083-H111铝合金的供货状态为单纯加工硬化，未经附加热处理，但硬度程度较低，在最终退火后又进行了适量的加工硬化，但加工硬化程度较上一次有所降低。加工硬化是金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，产生的原因是金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。由此可见，5083-H111铝合金为非热处理强化铝合金，其焊接接头产生软化现象主要是由于焊接热影响区晶粒粗大和焊接接头局部冷作硬化效果消失造成的。热影响区的峰值温度超过再结晶温度时晶粒再结晶，由加工硬化产生的内应力等消除，产生了明显的软化现象，而产生软化后，焊接接头的硬度大大降低，甚至抵消了冷作硬化的强化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接头的软化程度越严重。

4 mm厚5083-H111铝合金板对接焊时采用单道焊缝，而单道焊的热输入量较小，未达到晶粒再结晶的条件，不能消除5083-H111铝合金的两次加工硬化产生的内应力，而母材两次冷作硬化的程度都很低，且每次补焊时用机械加工的方法将之前的焊缝部分距熔合线约1 mm以外的组织去除后再施焊，另外填充金属都为ER5356焊丝，由此可见，补焊对4 mm厚5083-H111铝合金板对接接头软化现象的影响不明显。

图2 不同线能量焊接接头硬度曲线对比Fig.2 Comparison of hardness curves of welding joints with different line energy

图3 不同预热温度焊接接头硬度曲线对比Fig.3 Comparison of hardness curves of welding joints with different preheating tempreture

由上面的分析可见，随着线能量的增加，焊缝、熔合线和热影响区的硬度变化不大，不同线能量下5083-H111铝合金对接接头的软化现象均不明显，5083-H111铝合金是经过加工硬化处理的铝合金，因此热影响区至母材硬度变化不大。

由图3可知，焊缝硬度与热影响区和母材的硬度相差不大，这是因为在5083-H111铝合金对接时，焊缝的填充材料是ER5356焊丝，其强度与母材相差不多。熔合线附近硬度变化较小，说明熔合线附近性能均匀。

不预热时，焊缝硬度为73～81 HV，熔合线硬度为79 HV，热影响区至母材硬度为70～79 HV，无明显软化现象；预热温度为70～90℃时，焊缝硬度为79～84 HV，熔合线硬度为79 HV，热影响区至母材硬度为74～80 HV，无明显软化现象；预热温度为140～160℃时，焊缝硬度为 60～70 HV，熔合线硬度为62 HV，热影响区至母材硬度为61～69 HV，无明显软化现象，软化现象均不明显的原因与图2相同。

由上面的分析可知，预热温度为140～160℃时，试件硬度最低，预热温度为70～90℃时，试件硬度比不预热的高一些。不同预热温度下5083-H111铝合金对接接头的软化现象均不明显。

3 结论

（1）4mm厚5083-H111铝合金对接接头在不同线能量和预热温度下焊接接头的抗拉强度良好，均满足ISO15614-2标准要求。拉伸试验的断裂位置均在焊缝处。随着线能量的增加，接头的抗拉强度、屈服强度、延伸率均有不同程度的降低；随着预热温度的增加，接头的抗拉强度、屈服强度变化不大，但延伸率降低。

（2）4 mm厚5083-H111铝合金对接接头在不同线能量和预热温度下焊接接头弯曲性能良好。

（3）4 mm厚5083-H111铝合金对接接头在不同线能量和不同预热温度下，接头各区域的硬度变化不大，并且均无明显软化现象。

[1]柏延武，高红义.铝合金在铁道车辆上应用的探讨[J].铁路采购与物流，2009（3）：41-43.

[2]李革，王善哲.高速客车轻量化车体结构的选择[J].铁道车辆，1999（6）：12-14.

[3]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1988：30-32.

[4]王炎金，丁国华.铝合金车体制造技术在中国的发展现状和展望[J].焊接，2004（10）：5-7.

[5]王元良，陈辉.高速列车铝合金焊接的发展趋势[J].电焊机，2010，40（10）：9-16.

[6]黄旺福，黄金刚.铝及铝合金焊接指南[M].长沙：湖南科学出版社，2004.

[7]姚宗湘，蒋德平，孟伟光.5A06铝镁合金的焊接[J].焊工之友，2010，39（6）：61-62.

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

本文参考文献引用格式：朱志民，董强，许鸿吉.不同焊接工艺对5083-H111铝合金MIG焊接接头力学性能的影响[J].电焊机，2017，47（10）：35-39.

2017-05-22

朱志民（1980—），男，高级工程师，学士，主要从事轨道车辆制造工艺的研究和管理工作。E-mail：zhuzhimin@crrcpz.cc。