7N01铝合金板材对接MIG焊接位置适应性研究

范军　韩光旭　戴晓超　王泽飞

摘要：7N01铝合金是高速列车车体关键材料，生产中往往需要在各种不同焊接位置条件下进行焊接，接头对不同位置的适应性是决定实际生产工艺设计的关键。采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）方法，利用高速列车现行焊接工艺，制备了高速列车结构材料7N01的平焊接头、仰焊接头及立向上焊接头，观察接头宏观形貌，研究不同位置条件下焊接接头的组织与性能，分析不同焊接位置对接头性能的影响。结果表明：不同焊接位置的焊接工艺均能保证得到优质的焊接接头，在PA位置条件下接头抗拉强度最高。

关键词：7N01铝合金;高速列车;焊接位置;组织性能

中图分类号：TG457.14 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0079-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.14

0 前言

随着现代高速轨道交通运输业的不断发展，轻量化是解决速度、质量、环保的关键。高强铝合金具有較高的比强度、比刚度，良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能，已成为汽车、航空航天、舰船等载运领域结构轻量化制造不可或缺的金属材料[1]。7N01铝合金最早发明于日本，由于其质量轻、强度高、耐腐蚀性好、焊接性能好等优点，在高速列车制造中得到了广泛应用[2-4]。采用铝合金代替钢材，结构质量可减轻50%以上[1]。目前在关于铝合金焊接技术的研究中，往往集中于如何选择更好的焊接方法以及焊接参数来进行焊接，对于不同焊接位置对铝合金焊接接头的影响缺少系统的研究。在实际应用中，由于结构的需要，往往需要在各种不同焊接位置（平位PA、仰位PE、立向上位PF）进行焊接，不同焊接位置条件下接头组织、性能有何差别，对结构整体寿命有何影响，这些实际问题都应该加以重视。本文在各种不同焊接位置条件下，采用MIG焊接方法制备焊接接头，对比研究不同焊接位置对接头组织、性能的影响。

1 试验材料及方法

试验选用高速列车生产用铝合金材7N01，热处理状态为T4，其金相组织如图1所示。7N01铝合金是典型的轧制组织，呈等轴状排列，合金化合物被碾碎在母材中均匀排布，7N01主要的强化相MgZn2化合物也分布其中[5-6]。

材料厚度11 mm，开双边V型坡口，焊接材料采用φ1.2 mm ER5356焊丝，7N01及焊材化学成分如表1所示。选用Kemppi FastMig350焊机，采用现行工艺制备平焊接头、仰焊接头及立向上焊接头。经外观及无损检验合格后，按照相应标准采用线切割方法制备拉伸试样、弯曲试验、金相及硬度试样，采用卡尔蔡司A1m显微镜观察金相组织;使用数显维氏硬度计测试硬度;使用WE-30液压式万能试验机对母材及接头的拉伸性能进行试验。

2 试验结果及分析

2.1 宏观结果及分析

7N01铝合金在PA、PE、PF位置下接头宏观形貌如图2所示。由图2可知，不同焊接位置条件下所制备的接头形貌良好，与母材过渡平缓，未产生气孔、夹渣、未熔合及未焊透等缺陷。PA位置接头为三层四道焊，PE、PF位置三层五道焊。PA位置焊接时的热输入较大，PE、PF位置焊接时所采用的焊接规范较小。其他条件相同时，采用PA位置进行焊接，焊接速度更快，效率更高，其热输入更大。采用PE、PF进行焊接时所产生的热输入比PA小的原因是熔滴的重力阻碍了熔滴过渡。

2.2 微观组织观察及分析

采用卡尔蔡司A1m显微镜观察母材及接头金相组织，7N01各位置对接接头的金相组织如图3所示。

观察接头三个典型区域，即焊缝区（WM）、热影响区（HAZ）以及熔合区（FZ）。PA位置的焊缝区组织分布较为均匀且无可见气孔，热影响区内的组织多为多边形排列方式，这是由于焊接热循环的影响，母材组织内的第二相脱溶析出，并聚集长大，形成规则的多边形排列，熔合区为焊缝与母材交界处的一条很窄的线，其左侧为沿着结晶方向排列的规则柱状晶，右侧为因受热而发生长大的不均匀粗大组织。PE位置的焊接接头在熔合区附近有较大且较多的气孔出现，而PF位置的焊接接头中的气孔比PE中的数量更少、孔径更小。

对比发现，PE焊接位置难度较大，极易产生气孔等缺欠，这主要是因为在PE位置条件下，熔滴自身重力阻碍了熔滴向熔池过渡，熔滴到达熔池温度较其他位置低，因而极易引发气孔。此外，热输入相对较低也是产生气孔的一个重要原因。

2.3 硬度测试结果及分析

采用数显维氏硬度计测得7N01铝合金母材硬度平均值为123 HV，7N01铝合金在PA、PE、PF位置下接头硬度测试结果如图4所示。焊接接头硬度以焊缝中心线为对称轴近似呈对称分布，焊缝区域硬度值较高，在距离焊缝中心9～11 mm处，会出现一个较低的硬度值，该区域称之为软化区。铝合金焊接接头硬度曲线呈“W”形分布规律：这是由于在焊接热作用下，母材处于过热状态，时效析出强化相中的镁、锌元素重新溶入到母材基体中，在快速冷却过程中，镁、锌原子过饱和固溶于铝基体中，并在铝基固溶体的某一结晶面上偏聚形成GP区，随后镁、锌原子进一步偏聚并有序化，形成淬火区[7]，因此硬度较高。而在软化区内，温度较淬火区低，强化相溶解不充分，冷却时强化相析出数量较少，未溶解的强化相受焊接热影响作用而聚集长大。

对比各个位置下的接头硬度曲线，其差别并不明显，说明硬度的分布规律大致相同，这表明在合适的工艺参数条件下，焊接位置对接头硬度的影响不明显。

2.4 拉伸测试结果及分析

采用WE-30液压式万能试验机测得7N01铝合金的抗拉强度为345 MPa，延伸率为12.0%，满足材料使用的基本要求。不同位置条件下接头拉伸试验结果如表2所示。

由表2可知，在PA位置条件下，接头平均抗拉强度为282 MPa，达到母材平均抗拉强度345 MPa的82%，且各个接头抗拉强度波动在±5%以内;其平均延伸率为15.0%，较母材平均延伸率12.0%更高，这表明接头塑性储备较好。而在PE、PF位置条件下，接头平均抗拉强度分别为260 MPa、271 MPa，达到母材平均抗拉强度345 MPa的79%和75%，且各个接头抗拉强度波动在±5%以内;其平均延伸率为12.0%和13.5%，与母材平均延伸率12.0%相当。

對比发现，7N01铝合金在PA位置下接头的抗拉强度最高，分析认为在PA位置下，焊接速度快，热输入量大，熔滴自身重力有助于熔滴向熔池过渡，使得熔滴过渡到焊缝时间比PE、PF位置更短，进而使得PA位置接头的气孔大小及数量远远低于PE、PF位置，故PA位置接头的抗拉强度最高。

3 结论

通过对7N01铝合金母材以及PA、PE、PF三种不同焊接位置焊接接头的形貌、金相组织、硬度以及拉伸试验结果进行分析，得出以下结论：

（1）在本试验中，在不同焊接位置焊接时，均可获得外观及质量合格的接头，其中PA的热输入最大，PE、PF的热输入相当，且比PA小。

（2）本试验条件下不同焊接位置的接头硬度相差不大，呈现“W”形分布规律，在距离焊缝中心9～11 mm处存在软化区。

（3）7N01铝合金在PA位置条件下接头抗拉强度最高，其余各个位置条件下抗拉强度相当，不同焊接位置的焊接工艺均能保证得到优质的接头。

参考文献：

[1] 肖永清. 浅探铝合金的焊接特点及其施工要点[J]. 轻型汽车技术，2019（7）：68-72.

[2] S D Liu，C B Li，S Q Han，et al. Effect of natural aging onquench-induced inhomogeneity of microstructure and ha-rdness in high strength 7055 aluminum alloy[J]. Alloy Co-mpd，2015（625）：34-43.

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