论文部分内容阅读
摘要：以国产A7N01P-T4铝合金板材为研究对象，利用单脉冲MIG焊制备试样，通过对组织形态、力学性能及耐应力腐蚀性能等测试分析来表征材料的可焊性。结果表明：国产A7N01P-T4铝合金板材可焊性优良，焊接及补焊后接头无明显缺陷，无热裂纹产生，抗拉强度、屈服强度、弯曲性能及硬度等力学性能指标良好，且具有优良的耐应力腐蚀性能。
关键词：铝合金；A7N01P-T4；可焊性
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.13.085
随着世界轨道交通行业的快速发展，列车提速和节能减排之间的矛盾成为行业重点关注的问题。列车的轻量化是实现列车高速化，并满足节能减排要求的关键技术。采用轻质高强的材料，是轻量化最主要和最有效的途径。
铝合金材料由于具有高的比强度、比刚度、良好的耐蚀性等优点，广泛应用于高速列车各部件，轻量化效果显著。其中，7N01铝合金属于Al-Zn-Mg系铝合金，在铝合金中强度较高，温成形性能良好，淬火温度较宽，焊接性良好，常用于制造高速列车重要的承载结构件。A7N01S-T5型材和A7N01P-T4板材是列车上最主要的两种7N01铝合金供货状态。
目前，A7N01S-T5铝合金型材的研究较为系统，对A7N01P-T4板材的研究多集中在母材或单一方面的研究，尤其在国产铝板的可焊性方面尚未有系统性研究，而可焊性又是材料装车使用的关键指标，并直接影响列车的服役寿命和运营安全。因此，本文主要从各方面对高速列车用国产A7N01P-T4铝板的可焊性进行系统分析研究，以期获得焊接接头的各性能数據，为该国产铝合金板材在复杂环境下的应用提供基础数据支撑，对于打破国外垄断、实现工程化应用具有重要意义。
1试验材料及方法
试验材料选取4mm厚的国产A7N01P-T4板材和1.6mm的ER5356焊丝。采用单脉冲MIG焊，并选择纯度为99.99%的氩气为保护气体进行焊接，具体焊接工艺见表1。
利用TY-9900 ICP光谱仪对焊接接头的不同位置进行化学成分分析，采用HV5维氏显微硬度仪进行硬度测试，利用DDL100万能试验机测试室温拉伸性能和弯曲性能，采用FEI-Sirion200场发射扫描电子显微镜来观察和分析试样的各类断口，采用DXS-500型金相显微镜进行金相组织观察。
2试验结果与分析
2.1化学成分分析
铝合金A7N01P-T4板材的焊接接头材料的成分如表2所示，由表2可知，三个取样点的焊接接头材料的母材、热影响区及焊缝处的化学成分稳定，母材为典型7N01铝合金化学成分，热影响区化学成分变化不大，保持了与母材的一致性，焊缝区表现为典型5系焊丝化学成分，与母材差异明显。
2.2宏观和微观组织观察
A7N01P-T4板材焊接接头的宏观组织观察结果如图1所示。可见焊缝成形良好，无明显焊接缺陷。
焊接接头不同区域光学显微组织如图2所示，焊接接头的焊缝区是典型的铸态组织，焊缝中心晶粒较粗大，呈等轴晶状。靠近熔合线的焊缝组织为柱状晶组织。焊接接头靠近焊缝边缘有一条很窄的熔合区，在熔合区，焊缝一侧为沿散热方向排列的柱状晶，基材一侧为细小的等轴晶组织，与母材显微状的变形组织相比，热影响区内的组织明显发生了再结晶。热影响区内随着距焊缝中心的距离增加依次为完全再结晶组织及不完全再结晶组织。
2.3力学性能分析
表3为按GB/T 228-2010测得A7N01P-T4板材焊接接头室温拉伸性能结果，由4个平行试样的拉伸性能平均值作为拉伸试验结果。由表可知，ANNP4焊接接头的平均抗拉强度为299.96Mpa，平均屈服强度为271.52MPa，平均伸长率为9.03%，且断裂部位均在焊缝区（如图3所示），说明焊接接头结合良好，在拉伸过程中，断裂发生在强度较薄弱的焊缝区，而非熔合区和热影响区。
弯曲性能是表征A7N01P-T4板材的焊接接头韧性的重要指标，表4为A7N01P-T4板材的焊接接头弯曲性能测试数据。试验结果表明，板材焊接接头试样进行180°面弯曲和背弯曲后，弯曲面完好，未见裂纹，满足使用性能要求，弯曲实物图见图4。
从焊缝中心开始向母材区域，每隔1mm，取点测试硬度，表5和图5为试样焊接接头的显微硬度测试结果和硬度分布图。显微硬度分布结果表明：对于A7N01P-T4焊接接头，焊缝区硬度较低，硬度在75～85HV，距离焊缝2mm处的熔合区硬度迅速升高到117.62HV，之后硬度继续升高，直到距离焊缝中心12～15mm的热影响区硬度略有下降，出现软化区，距离焊缝中心13mm处，硬度降低为118.33HV，但仍保持了较高的整体硬度值。
2.4热裂纹试验
试样编号1-R1、1-R2和1-R3分别代表一次施焊、二次补焊、三次补焊的试样。焊接接头的宏观组织观察结果如图6所示。结果表明焊缝成形较好，与母材的熔和也较好，并且过渡平缓，没有未焊透、焊接裂纹、咬边、烧穿、焊瘤、气孔、凹陷和未熔合等缺陷。
2.5应力腐蚀性能分析
表6详细记录了不同介质条件下，慢应变速率拉伸的抗拉强度、延伸率以及拉断时间。从表6可以看出，板材焊接接头在腐蚀环境下的平均拉伸强度、平均延伸率及平均拉断时间均低于空气中慢应变速率拉伸结果。通过计算得到，在室温3.5%NaCl溶液中慢应变速率拉伸时，焊接接头的ISSRT值为0.052。结合图7所示的空气和3.5%NaCl环境下试样的断口形貌。在空气中和3.5%NaCl盐水中进行拉伸时，断口形貌均以韧性断裂为主要特征。因此，可以判断焊接接头具有良好的耐应力腐蚀性能。
3结论
本文针对4mm的A7N01P-T4板材的焊接接头的可焊性进行了全面系统的分析检测，主要结论如下：
（1）A7N01P-T4铝合金板材焊接及补焊后，均未观察到明显焊接缺陷和热裂纹缺陷。
（2）A7N01P-T4焊接接头材料的力学性能优异，抗拉强度达到299.71MPa、屈服强度为271.52MPa、伸长率为9.03%；180°背弯和面弯均未发生开裂；硬度呈现典型MIG焊分布特征，保持较高的水平，焊接接头的力学性能满足使用性能要求。
（3）焊接接头的耐应力腐蚀性良好，在室温应力腐蚀敏感性分别为0.052，断口形貌以韧性断裂为主要特征。
参考文献
[1]何长忠，刘长青.动车组铝合金车体材料的发展与选型分析[J].中国高铁焊接，2015，（1）.
[2]牛得田.铝合金车体在轨道车辆上的应用及展望[J].机车车辆工艺，2003，6（3）.
[3]李平，孙振宇，王祝堂.铝合金轨道车辆结构及合金性能（2）[J].轻合金加工技术，2012，40（8）.
[4]高宝杰，吉华，樊云杰等.脉冲MIG焊对7N01铝合金焊接接头组织及力学性能的影响[J].金属铸锻焊技术，2012，41（15）.
[5]綦秀玲，杨昌秀，赵旭.焊接电流对7N01铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].兵器材料科学与工程，2013，（2）.
[6]汪认.7N01铝合金焊接接头力学性能及静/动态失效分析[J].焊接，2015，（3）.
[7]闫忠杰，刘雪松，方洪渊.TIG熔修对7N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响[J].焊接学报，2013，34（4）.
[8]梁志敏，李亚博，汪殿龙等.7N01铝合金脉冲MIG焊接头组织与力学性能分析[J].电焊机，2015，45（2）.
[9]张占领，邱然锋，杜宜乐等.铝合金在日本轨道车辆的应用及相应焊接技术[J].电焊机，2011，41（11）.
[10]杨昌秀，赵旭.焊接电流对7N0l铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].兵器材料科学与工程，2013，36（2）.
关键词：铝合金；A7N01P-T4；可焊性
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.13.085
随着世界轨道交通行业的快速发展，列车提速和节能减排之间的矛盾成为行业重点关注的问题。列车的轻量化是实现列车高速化，并满足节能减排要求的关键技术。采用轻质高强的材料，是轻量化最主要和最有效的途径。
铝合金材料由于具有高的比强度、比刚度、良好的耐蚀性等优点，广泛应用于高速列车各部件，轻量化效果显著。其中，7N01铝合金属于Al-Zn-Mg系铝合金，在铝合金中强度较高，温成形性能良好，淬火温度较宽，焊接性良好，常用于制造高速列车重要的承载结构件。A7N01S-T5型材和A7N01P-T4板材是列车上最主要的两种7N01铝合金供货状态。
目前，A7N01S-T5铝合金型材的研究较为系统，对A7N01P-T4板材的研究多集中在母材或单一方面的研究，尤其在国产铝板的可焊性方面尚未有系统性研究，而可焊性又是材料装车使用的关键指标，并直接影响列车的服役寿命和运营安全。因此，本文主要从各方面对高速列车用国产A7N01P-T4铝板的可焊性进行系统分析研究，以期获得焊接接头的各性能数據，为该国产铝合金板材在复杂环境下的应用提供基础数据支撑，对于打破国外垄断、实现工程化应用具有重要意义。
1试验材料及方法
试验材料选取4mm厚的国产A7N01P-T4板材和1.6mm的ER5356焊丝。采用单脉冲MIG焊，并选择纯度为99.99%的氩气为保护气体进行焊接，具体焊接工艺见表1。
利用TY-9900 ICP光谱仪对焊接接头的不同位置进行化学成分分析，采用HV5维氏显微硬度仪进行硬度测试，利用DDL100万能试验机测试室温拉伸性能和弯曲性能，采用FEI-Sirion200场发射扫描电子显微镜来观察和分析试样的各类断口，采用DXS-500型金相显微镜进行金相组织观察。
2试验结果与分析
2.1化学成分分析
铝合金A7N01P-T4板材的焊接接头材料的成分如表2所示，由表2可知，三个取样点的焊接接头材料的母材、热影响区及焊缝处的化学成分稳定，母材为典型7N01铝合金化学成分，热影响区化学成分变化不大，保持了与母材的一致性，焊缝区表现为典型5系焊丝化学成分，与母材差异明显。
2.2宏观和微观组织观察
A7N01P-T4板材焊接接头的宏观组织观察结果如图1所示。可见焊缝成形良好，无明显焊接缺陷。
焊接接头不同区域光学显微组织如图2所示，焊接接头的焊缝区是典型的铸态组织，焊缝中心晶粒较粗大，呈等轴晶状。靠近熔合线的焊缝组织为柱状晶组织。焊接接头靠近焊缝边缘有一条很窄的熔合区，在熔合区，焊缝一侧为沿散热方向排列的柱状晶，基材一侧为细小的等轴晶组织，与母材显微状的变形组织相比，热影响区内的组织明显发生了再结晶。热影响区内随着距焊缝中心的距离增加依次为完全再结晶组织及不完全再结晶组织。
2.3力学性能分析
表3为按GB/T 228-2010测得A7N01P-T4板材焊接接头室温拉伸性能结果，由4个平行试样的拉伸性能平均值作为拉伸试验结果。由表可知，ANNP4焊接接头的平均抗拉强度为299.96Mpa，平均屈服强度为271.52MPa，平均伸长率为9.03%，且断裂部位均在焊缝区（如图3所示），说明焊接接头结合良好，在拉伸过程中，断裂发生在强度较薄弱的焊缝区，而非熔合区和热影响区。
弯曲性能是表征A7N01P-T4板材的焊接接头韧性的重要指标，表4为A7N01P-T4板材的焊接接头弯曲性能测试数据。试验结果表明，板材焊接接头试样进行180°面弯曲和背弯曲后，弯曲面完好，未见裂纹，满足使用性能要求，弯曲实物图见图4。
从焊缝中心开始向母材区域，每隔1mm，取点测试硬度，表5和图5为试样焊接接头的显微硬度测试结果和硬度分布图。显微硬度分布结果表明：对于A7N01P-T4焊接接头，焊缝区硬度较低，硬度在75～85HV，距离焊缝2mm处的熔合区硬度迅速升高到117.62HV，之后硬度继续升高，直到距离焊缝中心12～15mm的热影响区硬度略有下降，出现软化区，距离焊缝中心13mm处，硬度降低为118.33HV，但仍保持了较高的整体硬度值。
2.4热裂纹试验
试样编号1-R1、1-R2和1-R3分别代表一次施焊、二次补焊、三次补焊的试样。焊接接头的宏观组织观察结果如图6所示。结果表明焊缝成形较好，与母材的熔和也较好，并且过渡平缓，没有未焊透、焊接裂纹、咬边、烧穿、焊瘤、气孔、凹陷和未熔合等缺陷。
2.5应力腐蚀性能分析
表6详细记录了不同介质条件下，慢应变速率拉伸的抗拉强度、延伸率以及拉断时间。从表6可以看出，板材焊接接头在腐蚀环境下的平均拉伸强度、平均延伸率及平均拉断时间均低于空气中慢应变速率拉伸结果。通过计算得到，在室温3.5%NaCl溶液中慢应变速率拉伸时，焊接接头的ISSRT值为0.052。结合图7所示的空气和3.5%NaCl环境下试样的断口形貌。在空气中和3.5%NaCl盐水中进行拉伸时，断口形貌均以韧性断裂为主要特征。因此，可以判断焊接接头具有良好的耐应力腐蚀性能。
3结论
本文针对4mm的A7N01P-T4板材的焊接接头的可焊性进行了全面系统的分析检测，主要结论如下：
（1）A7N01P-T4铝合金板材焊接及补焊后，均未观察到明显焊接缺陷和热裂纹缺陷。
（2）A7N01P-T4焊接接头材料的力学性能优异，抗拉强度达到299.71MPa、屈服强度为271.52MPa、伸长率为9.03%；180°背弯和面弯均未发生开裂；硬度呈现典型MIG焊分布特征，保持较高的水平，焊接接头的力学性能满足使用性能要求。
（3）焊接接头的耐应力腐蚀性良好，在室温应力腐蚀敏感性分别为0.052，断口形貌以韧性断裂为主要特征。
参考文献
[1]何长忠，刘长青.动车组铝合金车体材料的发展与选型分析[J].中国高铁焊接，2015，（1）.
[2]牛得田.铝合金车体在轨道车辆上的应用及展望[J].机车车辆工艺，2003，6（3）.
[3]李平，孙振宇，王祝堂.铝合金轨道车辆结构及合金性能（2）[J].轻合金加工技术，2012，40（8）.
[4]高宝杰，吉华，樊云杰等.脉冲MIG焊对7N01铝合金焊接接头组织及力学性能的影响[J].金属铸锻焊技术，2012，41（15）.
[5]綦秀玲，杨昌秀，赵旭.焊接电流对7N01铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].兵器材料科学与工程，2013，（2）.
[6]汪认.7N01铝合金焊接接头力学性能及静/动态失效分析[J].焊接，2015，（3）.
[7]闫忠杰，刘雪松，方洪渊.TIG熔修对7N01铝合金焊接接头疲劳性能的影响[J].焊接学报，2013，34（4）.
[8]梁志敏，李亚博，汪殿龙等.7N01铝合金脉冲MIG焊接头组织与力学性能分析[J].电焊机，2015，45（2）.
[9]张占领，邱然锋，杜宜乐等.铝合金在日本轨道车辆的应用及相应焊接技术[J].电焊机，2011，41（11）.
[10]杨昌秀，赵旭.焊接电流对7N0l铝合金焊接接头组织和性能的影响[J].兵器材料科学与工程，2013，36（2）.