多次补焊对A7N01P-T4铝合金焊接接头力学性能与组织的影响

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)

近些年来，随着高铁的飞速发展，高速列车的轻量化已经成为现代化的重要发展方向[1]。为此，最近几年我国已成功开发出了200 km/h、350 km/h的铝合金高速列车，在高速列车上大量采用了5系列、6系列、7系列铝合金。但是由于铝合金焊接时容易产生气孔、夹渣、裂纹、未熔合等焊接缺陷，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，从而造成力学性能降低[2-4]。当焊缝中出现超出标准的焊接缺陷时，需要去除焊缝金属，然后对焊缝进行补焊，因此研究补焊次数对A7N01P-T4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车体焊接接头的焊接质量和制造水平具有十分重要的现实意义[5-7]。

本文深入研究了不同MIG焊接工艺对高速列车用A7N01P-T4铝合金焊接接头力学性能的影响，以确定A7N01P-T4铝合金焊接接头的合理焊接工艺，为A7N01P-T4铝合金结构的实际生产提供依据。

1 试验材料及试验方法

试验材料为A7N01P-T4铝合金，焊接试板的尺寸为300 mm×300 mm×4 mm。采用MIG焊单道焊接工艺，焊接材料为φ1.2 mm的ER5356焊丝，采用保护气体为99.9%氩气。试验材料和焊接材料的化学成分及力学性能分别见表1和表2，焊接工艺参数见表3。

表1 试验材料的化学成分(质量成分%)

牌号SiFeCuMnMgCrZnTiAlA7N01P-T4≤0.3≤0.350.20.2～0.71.0～2.0≤0.34.0～5.0≤0.2余量ER53560.250.40.10.5～0.20.05～0.20.05～0.20.10.06～0.2余量

表2 试验材料的力学性能

牌号屈服强度Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa伸长率A5/(%)A7N01P-T4≥195≥315≥10ER535611024017

对4 mm厚A7N01P-T4铝合金板对接接头进行焊接，采用70°V型坡口，坡口尺寸如图1所示；然后分别进行不补焊、1次补焊、2次补焊、3次补焊和4次补焊的对接工艺试验，补焊时采用机械加工的方法将原有的焊缝剔除，距熔合线留1 mm的余量，坡口形式同图1所示。4 mm对接焊工艺参数见表3。

焊后试件均进行外观检测、射线探伤，然后对检验合格的试板进行机械加工取样(拉伸试样、弯曲试样以及显微硬度试样)。拉伸试验和弯曲试验分别按照ISO 4136-2001标准和ISO 5173标准均在型号为WDW-300kN微机控制电子万能试验机上进行，弯曲试验采用2个面弯和2个背弯试样，压头直径为40 mm；本

次研究选用维氏硬度。根据GB/T 4342-1991《金属显微维氏硬度标准》，利用FM-700型显微硬度仪测量焊接接头表面(包括母材和热影响区)的维氏硬度分布，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 无损检测试验

未补焊、一次补焊至四次补焊试板表面无裂纹等外观缺陷。射线检测结果表明：不同补焊次数下的4 mm A7N01P-T4铝合金对接试件焊缝中均有不同程度的气孔缺陷，但根据ISO 10042-2005B《铝及其可焊合金电弧焊缝—质量缺陷等级指南》标准，不同补焊次数4 mm A7N01P-T4铝合金焊对接接头焊缝的气孔等级为B级和C级，无超标气孔，满足标准要求。

表3 焊接工艺参数

试件号焊补次数焊道数焊接规范电流/A电压/V时间/s气体流量/(L/min)线能量/(kJ/cm)B-00113021.345244.15B-11113120.944244.02B-32113621.743244.03B-43113320.644244.02B-5411342144244.13

2.2 拉伸试验

分别对未补焊、一次补焊至四次补焊的焊接接头进行拉伸试验，焊接接头的拉伸试验结果见表4。

表4 拉伸试验结果

试件号补焊次数Rm/MPa平均值/MPaR p0.2/MPa平均值/MPaA/(﹪)平均值/(﹪)Z/(﹪)平均值/(﹪)断裂位置B0-1B0-20320.93318.25319.59210.39212.79211.595.084.965.0228.3110.8519.58焊缝焊缝B1-1B1-21296.93295.96296.45189.67216.09202.885.282.964.1223.6415.1619.40焊缝焊缝B2-1B2-22287.71300.11293.91191.31214.11202.713.64.363.9819.215.4717.34焊缝焊缝B3-1B3-23292.65292.56292.61189.1195.72192.412.683.963.328.0611.9810.02焊缝焊缝B4-1B4-24305.37288.69297.03200.77194.25197.505.044.684.8614.7816.3815.58焊缝焊缝

依据标准ISO15614-2，处于焊接后状态的焊接试样的抗拉强度Rm(w)应满足要求：Rm(w)≥Rm(pm)×T；其中，Rm(w)为处于焊接后状态的焊接试样的抗拉强度；Rm(pm)为有关标准中所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。对于A7N01P-T4铝合金来说，T=0.95，依据表2，Rm(pm)=315 MPa。故Rm(w)≥315MPa×0.95=299.25 MPa。由表4可知，A7N01P-T4铝合金对接(4 mm)接头的不补焊、一次补焊、二次补焊、三次补焊和四次补焊焊接接头的抗拉强度分别为319.59 MPa、296.45 MPa、293.91 MPa、292.61 MPa、297.03 MPa，只有不补焊的抗拉强度大于299.25 MPa，满足试验标准的要求。

A7N01P-T4铝合金对接接头拉伸试件断口扫描照片如图2所示，由于各区域扫描图片相类似，所以只以未补焊断口扫面图片为例。

A7N01P-T4铝合金对接接头部分拉伸试件的断裂位置均在焊缝处，分别对部分不补焊及一次补焊至四次补焊时拉伸试件的断口进行全貌、边缘以及中心的扫描。从图2的扫描照片结果可以看出，所有断口的全貌均呈纤维状，并伴随有气孔分布在断口处。无论是断口的边缘还是中心，断口由许多大小不一的浅韧窝组成，而且断口中心处的韧窝尺寸较大。拉伸试件的断口扫描分析也表明：4 mm A7N01P-T4铝合金对接接头拉伸试件断裂位置均在焊缝，除了焊接材料强度级别较低外，也与焊缝中存在气孔有关。

拉伸试验结果表明：4 mm的不同补焊次数的A7N01P-T4铝合金对接接头的抗拉强度，除不补焊时强度系数能达到相关标准大于0.95的要求，而一次补焊、二次补焊、三次补焊和四次补焊的强度系数均小于0.95，但均大于0.92，随补焊次数的增加，接头抗拉强度的变化不大；随补焊次数的增加，接头的屈服强度有所降低；伸长率均未超过6%，且随补焊次数的增加，伸长率的变化不大。另外，所有拉伸试件均断于焊缝，而没有从受多次补焊影响的焊接热影响区(尤其是软化区)破坏，主要是由于采用了强度级别较低的焊接材料所致，焊缝中存在少量气孔也是拉伸试件均断于焊缝的一个原因。

2.3 硬度试验

图3为A7N01P-T4铝合金对接接头不同补焊次数的硬度曲线对比图。

从图3中可以看到，焊缝的硬度大大低于热影响区和母材，这是因为A7N01P-T4铝合金对接时，焊缝的填充材料选用的是ER5356焊丝，强度远低于母材，焊缝中心的硬度最低，所以拉伸试件断裂发生于此处。距离焊缝中心越远，硬度值越高，熔合线附近区域的硬度梯度最大，性能发生突变，说明在熔合线附近性能很不均匀。

从图3中还可以看出，不补焊时，焊缝硬度为83～87 HV，熔合线硬度为114 HV，热影响区至母材区的硬度为112～124 HV，无明显软化现象；一次补焊时，焊缝硬度为72～83 HV，熔合线硬度为109 HV，热影响区至母材区硬度为118～131 HV，无明显软化现象；二次补焊时，焊缝硬度为83～86 HV，熔合线硬度为114 HV，热影响区至母材区硬度为120～132 HV，无明显软化现象；三次补焊时，焊缝硬度为72～77 HV，熔合线硬度为108 HV，热影响区至母材区硬度为111～121 HV，无明显软化现象；四次补焊时，焊缝硬度为77～82 HV,熔合线硬度为113 HV，热影响区至母材区硬度为112～125 HV，无明显软化现象。由此可见，A7N01P-T4铝合金4 mm对接时，不补焊和一次补焊至四次补焊时的软化现象并不明显。

A7N01P-T4铝合金为热处理强化铝合金，在焊接时产生软化现象主要原因是热影响区在焊接的高温作用下强化相脱溶析出并聚集长大，使强化效果减弱，产生“过时效”现象，并形成软化区，在该域内的硬度会有所下降。

A7N01P-T4铝合金4 mm对接时采用的是单道焊，只有一次热输入，热影响区在焊接高温作用下的时间很短，热输入量不足，强化相还来不及析出长大，因此在不补焊时的软化现象不明显，在进行补焊时，每次补焊都是将之前的焊缝部分距熔合线以外1 mm的部分用机械加工的方法切除，然后再次焊接，每次补焊时填充的熔敷金属均为ER5356焊丝，因此一次补焊至四次补焊时A7N01P-T4铝合金4 mm对接接头热影响区承受的焊接热输入量与不补焊时相似，前一次补焊对后一次补焊时热影响区的影响也不大，因此一次补焊至四次补焊时A7N01P-T4铝合金4 mm对接接头的软化现象也不明显。

综上可知，随着补焊次数的增加，焊缝处硬度无明显变化，均在70～90 HV范围内波动。一次补焊和二次补焊时热影响区至母材区的硬度较高，均在115～135 HV范围内波动，而不补焊、三次补焊和四次补焊时热影响区至母材区的硬度较低，均在110～125 HV范围内波动，可见不补焊和多次补焊时A7N01P-T4铝合金对接接头的硬度值较低，而不补焊和一次补焊至四次补焊时A7N01P-T4铝合金对接接头的软化现象均不明显。

2.4 显微金相试验

图4为A7N01P-T4铝合金不同补焊次数下对接母材的显微组织，放大倍数分别为200倍和500倍。从图4中可以看出母材组织为晶粒沿轧制方向延长呈纤维状，α(Al)基体上分布着时效过程中析出的MgZn2强化相。

图5为A7N01P-T4铝合金对接不同补焊次数焊缝区显微组织(放大倍数为200倍)。由于每次补焊前都将之前的焊缝部分距熔合线1 mm左右的部分用机械加工的方法切除后重新施焊，填充材料均为ER5356焊丝，故补焊前后试件的焊缝区显微组织大致相同。从图5中可以看出，焊缝区显微组织主要为α(Al)相基体和其上分布着的部分析出的β(MgZn2)相，由于焊缝各部分的冷却速度不一，焊缝中心最后冷却，焊缝中心处冷却速度较慢为等轴晶粒，晶粒均匀细小。

图6为A7N01P-T4铝合金对接接头不同补焊次数时熔合区显微组织(放大倍数为200倍)。图中左侧为焊缝区，右侧为热影响区。从图中可以看出焊缝靠近熔合线一侧，晶粒沿散热方向呈十分明显的柱状晶，在熔合线处柱状晶较为粗大，这是因为铝合金焊接过程中，由于铝的热导率很大且结晶温度区间较宽，热量传导快，使得热影响区晶粒生长过程中产生很大的过冷度，导致柱状晶组织的出现，过冷度越大，柱状晶生长越粗大，从熔合线向焊缝的方向生长。热影响区靠熔合线的一侧，由于受到焊接过程中的热作用，MgZn2析出相较多，且在焊接冷却后晶粒较母材粗大些。随着补焊次数的增加，熔合区宽度、晶粒度以及MgZn2析出相的数量变化均不明显，这是因为A7N01P-T4铝合金4 mm对接时采用的是单道焊，只有一次焊接热输入，熔合区在焊接高温热作用下的时间很短，且每次补焊都是将之前的焊缝部分距熔合线1 mm左右的部分用机械加工的方法切除后焊接，而且每次填充的熔敷金属均为ER5356焊丝，因此补焊对4 mmA7N01P-T4铝合金对接时的熔合区组织影响并不明显。

3 结语

(1)不同补焊次数的A7N01P-T4铝合金对接接头的抗拉强度，除不补焊时强度系数能达到相关标准大于0.95的要求，而1～4次补焊的强度系数均小于0.95，但均大于0.92，随补焊次数的增加，接头抗拉强度的变化不大；随补焊次数的增加，接头的屈服强度有所降低，伸长率均不大，均未超过6%，且随补焊次数的增加，伸长率的变化不大。

(2)拉伸试件均断于焊缝，而没有从受多次补焊影响的焊接热影响区(尤其是软化区)破坏，主要是由于采用了强度级别较低的焊接材料所致，焊缝中存在少量气孔也是拉伸试件均断于焊缝的一个原因。

(3)A7N01P-T4铝合金对接接头在不同补焊次数下的焊缝处硬度(72～86 HV之间)无明显变化且最低，不补焊和一次补焊至四次补焊时A7N01P-T4铝合金对接接头热影响区至母材的硬度值(均在112～132 HV之间)变化不大，且软化现象均不明显。

(4)A7N01P-T4铝合金对接接头不同补焊次数焊缝区显微组织主要为：α(Al)相基体和其上分布着的部分析出的β(MgZn2)相，焊缝中心处为等轴晶粒，晶粒均匀细小；焊缝靠熔合线一侧组织为，晶粒沿散热方向呈粗大的柱状晶。热影响区靠熔合线一侧，MgZn2析出相较多，晶粒较母材粗大些。

(5)随着补焊次数的增加，焊缝各区域组织、熔合区宽度、晶粒度以及MgZn2析出相的数量均无明显变化。

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