合金元素对A7N01铝合金焊接接头断裂韧性的影响

陈佳，张英波



合金元素对A7N01铝合金焊接接头断裂韧性的影响

陈佳1,2，张英波2*

（1. 成都工贸职业技术学院 机械工程系，四川 成都 611756；2. 西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

A7N01铝合金是制造高速列车底架结构的关键材料，其合金构成中含有Zn、Mg等主元素，Mn、Cr、Zr,、Ti、Cu等微量元素以及杂质元素Fe、Si等元素。以具有四种不同合金含量的铝合金材料为研究对象，并制备了焊接接头，测试了不同焊接接头的断裂韧性。研究结果表明：决定A7N01铝合金母材断裂韧性性能的主要因素在于元素含量及配比，而对于焊接接头，除了元素含量及配比的影响，气孔的分布数量及体积对于断裂韧性起到了较大的影响。因此，在制备A7N01铝合金焊接接头时，除了要考虑合金元素的影响，更应该控制接头中气孔的生成，提高接头的质量。

合金元素；A7N01铝合金；断裂韧性；气孔

A7N01铝合金是日本最先研发的一种合金，是仿照美国铝业协会7005铝合金研制而成，故与7005合金相仿，我国的7020铝合金的成分与7N01铝合金的类似。7N01铝合金具有良好的热变形性能，可以挤压成形状复杂的薄壁中空型材，在适当的热处理条件下能够得到较高的强度、较好的耐蚀性以及优良的焊接性能，因此A7N01铝合金型材被广泛用于高速列车车体底架、枕梁、端面梁、横梁等高应力部位。A7N01铝合金中Zn的质量分数为4%～5%，Mg的质量分数为1%～2%，另外还有微量合金元素Mn、Cr、Zr、Ti、Cu以及杂质元素Fe、Si。提高合金中的Zn、Mg含量，抗拉强度虽会得到进一步提高，但同时也伴随着合金抗应力腐蚀性能和抗剥落腐蚀能力的下降，Zr能显著改善合金的可焊性，少量的Cr对合金的力学性能和抗蚀性有利。该合金的主要强化相为MgZn2(η)与Al2Mg3Zn3(T)，另外还有S(Al2CuMg)、Al3Zr、CrAl7、MnAl6等辅助强化相。MgZn2相强化效果显著，其在合金中的溶解度随温度的降低急剧下降，可从共晶温度时的28%下降到室温时的4%～5%，因此具有很强的时效强化效果[1-4]。

而铝合金在制造过程中，不可避免地存在焊接气孔，铝合金在进行MIG时对氢致气孔有着很高的敏感性，气孔中的氢气又大部分来自空气中水分，氢气孔的产生量与焊接环境中的湿度有直接关系[5-9]。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本文所采用的实验材料为经过调整成分的高速列车常用的高强度铝合金型材7N01S1-T5，板厚8 mm。调整成分后分为四组：

（1）7N01S1-T4经过固溶处理加自然时效后编号为1#；

（2）7N01S1-T6经过固溶处理加完全人工时效后编号为2#；

（3）7N01S1-T7经过固溶处理加过时效后编号为3#；

（4）7N01S1-T8经过固溶处理加冷加工及人工时效后编号为4#。

本文选择的焊接工艺为MIG焊，填充材料采用ER5356焊丝，焊丝直径为1.6 mm，保护气为纯度99.999%的氩气，试板尺寸为300 mm×200 mm×8 mm。

四组铝合金母材成分如表1所示，焊丝成分如表2所示。

本文采用的MIG焊设备是德国EWM公司PHOENIX系列421 EXPERT forceArc MIG焊机，焊接坡口为V型，坡口角度取45°，留1 mm左右钝边，对接板间隙为1 mm。焊接工艺参数如表3所示。

表1 母材化学成分（wt%）

表2 焊丝的化学成分（wt%）

表3 铝合金单脉冲MIG焊焊接工艺

由文献[5]可知，在不同的湿度条件下获得的焊接接头，其气孔数量和气孔直径存在很大的差别，对接头的性能也会产生很大的影响。因此，本论文在分析文献[5]结果的基础上，选择70%的环境湿度，在环境实验室中完成上述四种铝合金材料的焊接。

环境实验室可以对温度、湿度进行精确控制和自动调节。其中，温度的调节范围为-20±0.5℃～40±0.5℃；湿度的调节范围为20±2%～40±2%。

1.2 断裂韧性试验

断裂韧性的试样尺寸见图1所示。在7N01S1-T4、7N01S1-T6、7N01S1-T7、7N01S1-T8的母材及焊接接头处取三点弯曲试样。先在YK-1型音叉式疲劳开缝机上预制疲劳裂纹，预制裂纹长度为0.5～0.6 W，即8～9.6 mm。为了防止预制的裂纹过长造成实验数据的不准确，在试件上做标记时留有余量，预制裂纹长度保持在8.5～9 mm。

图1断裂韧性试样尺寸（单位：mm）

预制裂纹后，断裂韧度实验根据国家标准 GB / T 21143－2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》，采用三点弯曲试验测试方法在WD-E精密型微控电子式万能试验机上进行三点弯曲加载。之后对7N01铝合金焊接接头裂纹积分值J的进行统计与分析，同时结合金相分析和断口分析。

预制裂纹后，断裂韧度实验在WD-E精密型微控电子式万能试验机上进行三点弯曲加载，跨距64 mm，实验加载速率0.5 mm/min。测量载荷与裂纹张开位移曲线以及载荷与施力点位移关系曲线。用体式蔡司显微镜观察并测量试样断口裂纹长度0，用JSM-6490LV扫描电镜（SEM）观察断口形貌。最后由式（1）计算J，即：

式中：J和J分别为积分值的弹性和塑性分量，kJ/m2；0为裂纹长度，mm；为试样厚度，mm；为试样高度，mm；为载荷，kN；为弹性模量；为泊松比；为跨距，mm；V为裂纹张开位移塑性分量，mm；为应力强度因子系数；U为力和施力点位移曲线下面积的塑性分量，mm。

由文献[10]可查得应力强度因子系数的值。对实验数据进行分析，可确定材料断裂性能差异。

2 试验结果

四组铝合金母材与焊接接头的J值如表4所示，四种铝合金材料的材料核心元素含量见表5所示。

根据表4的值和表5各型号材料合金元素含量可以发现，四种不同成分的A7N01S铝合金试样的断裂韧度，把母材按平均值由高到低排列依次为M1#（38.17）、M3#（34.34）、M2#（33.15）、M4#（23.93），韧性越来越差。

而在焊接接头中H2#平均值（104.88）和H4#平均值（105.77）相差不大。H3#平均值（89.46）和H1# 平均值（83.57）相差5.89。按平均值由高到低依次为H4#、H2#、H3#、H1#。

图2是四组A7N01S铝合金试样的断口形貌。左侧由上到下依次是H1#、H2#、H3#、H4#的X500扫描照片。在这四张照片中可看到，四组试样的断裂方式都是韧窝型穿晶断裂。H1#和H3#试样的韧窝数量较多，但是尺寸比H2#和H4#的韧窝尺寸小，在韧窝中心还存在第二相粒子。H2#试样的韧窝很大、很深，并且在大韧窝中还可以看到许多小韧窝。H4#试样的韧窝较大，在韧窝中存在第二相粒子。

表4各型号材料J值

材料型号F/NAa0/mmUp/JJc/（kJ·m2） H1-12182.612.89 8.412264.8782.28 H1-22149.952.918.432322.2084.25 H1-32033.993.02 8.602273.9584.17 H2-12021.003.04 8.642767.46101.31 H2-22220.342.95 8.502846.76103.16 H2-32130.143.08 8.702973.72110.15 H3-11972.973.03 8.622401.7988.30 H3-22097.342.85 8.342189.4578.40 H3-32155.252.86 8.362882.00101.68 H4-12176.512.96 8.512860.60103.49 H4-22167.912.85 8.342968.35104.29 H4-31970.243.22 8.912886.31109.52 M1-13513.912.91 8.42555.5338.64 M1-24837.202.29 7.06487.6437.46 M1-33629.482.92 8.45501.6338.42 M2-12847.933.42 9.19407.0933.37 M2-23243.273.10 8.74410.3633.76 M2-33194.763.10 8.74385.4632.31 M3-12996.373.14 8.80493.0534.32 M3-23050.543.08 8.71536.1435.52 M3-32482.923.62 9.42460.6333.19 M4-13297.702.81 8.28252.0724.83 M4-22719.703.31 9.04187.9822.49 M4-32032.324.35 10.18216.3424.47

备注：M为母材；H为焊接接头。

表5各型号材料核心元素含量

试样号FeMnMgCrZnTi 1#0.1260.3521.4060.2744.1440.029 2#0.1410.2171.5570.1434.2920.027 3#0.1610.3591.5460.2604.5930.066 4#0.2570.3491.5610.2634.6010.072

右侧由上到下依次是H1#、H2#、H3#、H4#的X30扫描照片。在这四张照片中可看到，H3#试样断面上存在许多气孔，且尺寸较大。H1#试样断面上气孔数量比H3#的少，且气孔尺寸也比H3#的小。H2#和H4#试样的断面上气孔最少，且气孔尺寸也最小。

综合上述四组试样的韧窝形貌和气孔数量、大小，可以得出H2#和H4#试样的断裂韧性最好，H1#和H3#试样韧性较差。气孔对材料断裂韧度产生了一定的影响。

各组铝合金试样断口能谱扫描显示合金元素成分见表6所示。

图2接头断裂试件断口形貌

表6 四种焊接接头的元素成分

由表6分析可知，4#的Mn、Cr含量最多，Mg、Zn含量最少。其他三组试样Mn和Cr基本没有。Zn含量2#和3#相差不大，1#略少。Mg含量1#和3#都较多，2#最少。

H4#焊缝试样Mn和Cr的含量比其他三组都要高，Mn能阻碍铝合金的再结晶过程，显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过化合物弥散质点对再结晶晶粒的长大起阻碍作用。还能溶解杂质铁，减小铁的有害影响。Cr在铝中可以形成金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，能够改善铝合金的韧性。所以H4#试样的J值最高，断裂韧性最好。H1#、H2#和H3#焊缝试样Mn、Cr含量很低，在能谱图中并没有这两种元素的扫描结果。导致这三组试样的Jc值较小，断裂韧性较差。而且H1#和H3#试样Mg含量较多，过多的Mg会和Si形成Mg2Si，使试样变脆，降低其断裂韧性。所以H1#和H3#的断裂韧性最差。

由于本文的试样是在70%湿度条件下获得的，所以最终得到的焊接接头气孔含量较多，气孔的存在对材料的各种力学性能都产生了一定的影响。观察断口形貌图可以发现，H1#和H3#焊缝试样的断口上分布有大量气孔。H1#试样气孔尺寸较小，集中分布在一侧。H3#试样气孔尺寸很大，并且散乱分布于断口上。大量气孔的存在严重降低了这两组试样的断裂韧度。反观H2#和H4#焊缝试样，其断口表面气孔数量和尺寸都较小，故其断裂韧度较高。

3结论

（1）把母材按平均值由高到低排列依次为M1#（38.17）、M3#（34.34）、M2#（33.15）、M4#（23.93），韧性越来越差。因此决定A7N01铝合金母材断裂韧性性能的主要因素在于元素含量及配比。

（2）在焊接接头中H2#平均值（104.88）和H4#平均值（105.77）相差不大。H3#平均值（89.46）和H1#平均值（83.57)相差5.89。按平均值由高到低依次为H4#、H2#、H3#、H1#。

（3）H1#和H3#焊缝试样的断口上分布有大量气孔。H1#试样气孔尺寸较小，集中分布在一侧。H3#试样气孔尺寸很大，并且散乱分布于断口上。大量气孔的存在严重降低了这两组试样的断裂韧度。因此对于焊接接头，除了元素含量及配比的影响，气孔的分布数量及体积对于断裂韧性起到了较大的影响。

[1]C. Qin，G.Q. Gou，X.L. Che，H. Chen，J. Chen，P. Li，W. Gao. Effect of composition on tensile properties and fracture toughness of Al–Zn–Mg alloy (A7N01S-T5) used in high speed trains[J]. Materials and Design，2016（91）：278-285.

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[9]刘建. 轨道车辆车体自动焊接视频监控系统应用研究[J]. 机械，2018，45（2）：66-70.

[10]GB/T21143－2007，金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法[S].

Effect of Alloying Elements on the Fracture Toughness of A7N01 Aluminum Alloys Welded Joints

CHEN Jia1,2，ZHANG Yingbo2

(1.Department of Mechanical Engineering, Chengdu Industry and Trade College, Chengdu611756, China;2.School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China)

A7N01 aluminum alloy is the key material for manufacturing the underframes of the high speed trains. The components include the major elements of Zn and Mg, the minor elements of Mn, Cr, Zr, Ti, and Cu， and impurity elements of Fe and Si. This paper focus on the A7N01 aluminum alloys with four types of alloying elements and fabricated four types of welded joints. The fracture toughness of the four types of base materials and welded joints were tested. The results show that the key factor that affects the fracture toughness of the base materials arethe contents and ratios of the elements. But as for the fracture toughness of the welded joints, the key factors include not only the content and matching of the elements, but also the volume and quantity of the porosity. To improve the quality of the welded joints, not only the elements composition but also the formation of porosity should be taken into consideration..

elements；A7N01 aluminum alloy；fracture toughness；porosity

TG113.25+4

A

1006－0316 (2018) 04－0046－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.011

2017－09－14

国家重点研发计划资助项目（2016YFB1200602-16）

陈佳（1980－），女，四川成都人，硕士研究生，讲师，主要从事焊接工艺的基础研究及教学工作。

张英波（1978－），男，吉林省吉林市人，博士，副教授，主要研究方向为准晶、镁合金及其复合材料设计、微观组织与性能表征和加工技术。