高速列车用A7N01S铝合金焊接接头组织与性能研究

高速列车用A7N01S铝合金焊接接头组织与性能研究
薛华，王立君，刘杨
1天津大学材料学院，天津(300072)
E-mail : xuehua19831007@
摘要：研究了国产高速列车用A7N01S铝合金熔化极气体保护焊（MIG）焊接接头的力学性 能，并利用光学显微镜研究了其焊接接头的显微组织。

结果表明：焊接接头的硬度以焊缝中 心线为对称轴呈近似对称分布，且焊缝中心为焊接接头的最薄弱环节。

焊缝中心为典型的树 枝状铸态组织；在熔合区，焊缝一侧为沿散热方向生长的柱状晶，另一侧为细小均匀的等轴 晶；在热影响区仍可见纤维加工痕迹。

国产A7N01S铝合金配用ER5356焊丝的焊接接头强度 达到欧洲标准。

关键词：A7N01S铝合金；焊接接头：显微组织；力学性能
1.引言
随着铝合金焊接性能的改善和焊接材料的发展，铝合金由于密度小、无磁性、热导率 和强度高，以及良好的成型性、低温性能、高耐腐蚀性能，可实现其型材的大型宽体化等被广泛应用于高速列车车体结构中。

A7N01S铝合金为热处理强化铝合金，热处理后具有良好的综合性能，有资料显示这种铝合金在高速列车车体材料的使用中占有很大的比重【1】，但这并不意味着其焊接接头也有如此好的综合性能。

经过焊接之后,铝合金焊接接头强度一方面取决于合金成分配比及时效处理等关键因素,另一方面,在焊接过程中,由于焊接热输入的影响,从坡口边缘往基材方向依次会发生局部熔化、固溶处理、过时效处理等过程,之后过渡到基材区。

其焊接接头的组织与性能会发生很大变化,导致合金时效强化的效果减小【2】，从而严重影响焊接构件的总体强度。

根据欧洲标准DIN EN288-4【3】 , A7N01S铝合金接头强度高于240 Mpa，才允许被使用在高速列车上。

因此,我国生产的A7N01S铝合金,经过焊接之后的焊接接头强度能否达到欧洲标准,以及焊接过程对材料微观组织和力学性能的影响等问题的研究是非常必要的。

2.材料及实验方法
2.1 实验材料
焊接用铝合金基材为A7N01S型材，选用的型材编号为3T311677-8091Z，供货状态为T5态，厚度为10㎜；焊接采用的焊丝符合JIS Z3232【4】规定，牌号为ER5356，直径为1.2㎜。

考察国产化A7N01S铝合金型材焊接接头的力学性能及显微组织。

焊接型材及焊丝的化学成分见表1。

2.2 焊接工艺
将铝合金型材接口处加工成60°V型坡口，进行焊前处理，用细钢丝刷彻底清理坡口30㎜范围内的油污、氧化膜，用丙酮清洗坡口周边位置，进行自动MIG焊；保护气体采用
100％的高纯氩气；焊接顺序：正面一道焊；背部清根，反面一道焊。

焊接工艺参数见表2。

表1 焊接型材及焊丝的化学成分（质量分数 ％）
基材及焊丝Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al
A7N01S 0.35 0.40 0.200.15 1.200.20 4.60- 余量
ER5356 0.18 0.25 0.100.05 5.100.070.100.10 余量
表2 焊接工艺参数
焊接方法/位置 焊接电压V焊接电流A焊接速度㎝/min保护气体 MIG/平焊 22 200 45 100％氩气
2.3 实验方法
焊接接头经打磨后根据标准GB/T228-2002【5】在WDS-100电子万能试验机上进行拉伸力学性能测试，拉伸试样见图1；根据标准GB/T231.2-2002【6】,采用HBE-3000硬度计测量其焊接接头各区域的布氏硬度，测量位置见图2；试样进行抛光，并采用Keller试剂腐蚀后，在Nephot-Ⅱ金相显微镜上对焊接接头各区域组织进行金相观察。

图 1 焊接接头横向拉伸试样
图2 A7N01S铝合金焊接接头硬度测试位置
3.实验结果及讨论
3.1 焊接接头硬度分布
A7N01S铝合金型材焊接接头各区域的硬度分布见图3。

B
H
Distance to weld center /mm
图3 A7N01S铝合金焊接接头的硬度分布
A7N01S焊接接头的硬度以焊缝中心线为对称轴呈近似对称分布。

焊缝中心处硬度最低，硬度值大约为65HB，在焊缝中心两侧各4mm区域的硬度值随距离焊缝中心的距离的增大其硬度值增长较快，但距离焊缝中心5-15mm处的接头硬度反而呈下降趋势，说明在这一区域有一个软化区。

从上图的左半部分可以看到：在距离焊缝中心4mm的位置有一个硬度的较高点，硬度值大约为110HB。

在距离焊缝中心约12mm处存在一个软化区，但软化区各部分的硬度均高于焊缝中心。

因此在A7N01S铝合金焊接接头中，焊缝中心处的硬度最低。

3.2 焊接接头拉伸力学性能
表3 为A7N01S铝合金焊接接头的拉伸力学性能。

由拉伸实验断裂试样及表3可以看出，焊接接头断于焊缝中心，说明焊缝的强度最差；焊接接头的强度高于欧洲标准DIN EN288-4所要求的240Mpa，满足高速列车用铝合金的使用条件。

表3 A7N01S铝合金焊接接头的拉伸力学性能
铝合金型材试样截面尺寸（㎜2）断裂载荷（KN）断裂位置拉伸强度(MPa)
A7N01S 25. 8×9.0 63.7 焊缝274.3
3.3 焊接街头光学显微组织
A7N01S铝合金焊接接头不同区域的光学显微组织见图4。

图中表明，A7N01S铝合金焊接接头焊缝区（a）为典型的铸态组织，焊缝中心为晶粒较粗大的等轴晶，靠近熔合线（b）的焊缝组织为柱状晶组织。

在A7N01S焊接接头靠近焊缝边缘很窄的熔合区（b）内，焊缝一侧为沿散热方向排列的柱状晶，而基材一侧为细小的等轴晶组织，紧挨着为完全再结晶组织及不完全再结晶组织。

焊接接头的热影响区位于离焊缝中心7-20mm的范围内（d），这一区域内的光学显微组织与基材区（e）光学显微组织没有明显区别，仍可见纤维状加工痕迹。

(a)焊缝区 （ b）熔合区
（d）热影响区 （e）基材
图 4 A7N01S铝合金焊接接头不同区域的光学显微组织
4.结论
（1）A7N01S铝合金焊接接头的硬度以焊缝中心线为轴呈近似对称分布，焊缝中心硬度最低，拉伸断裂部位也位于焊缝区，因此该区为A7N01S铝合金焊接接头的最薄弱环节。

（2）A7N01S铝合金焊接接头的焊缝区为典型的树枝状铸态组织，中心为等轴晶；在熔合区焊缝一侧为沿散热方向生长的柱状晶，另一侧为细小的等轴晶。

在热影响区内，仍可见和基材有相同的纤维状加工痕迹。

（3）国产A7N01S铝合金配用ER5356焊丝的焊接接头符合欧洲标准DIN EN288-4满足高速列车用铝合金的使用条件。

参考文献
[1] Olaf Elsner.Welded structures of the railway vehicles, Railway Technology International [M],New
York:Pergamon Press,1 992,111-120.
[2] 王元良,屈金山,邓江.铝合金焊接性能及焊接接头性能[J ] .中国有色金属学报, 1997 ,7 (1) :69–74.
[3] Kuo H C ,Wu L J .Prediction of heat-afected zone using grey theory[J],Journal of Materials Processing
Technology,2002,120:151-168.
[4] JIS Z3232，铝与铝合金填充焊丝以及焊丝.
[5] GB/T228-2002，金属材料室温拉伸实验方法.
[6] GB/T231.2-2002，金属布氏硬度试验.
Microstructure and Properties of Welded Joints on A7N01S Al-Alloy Sheets for High-Speed Train Carriges
Xuehua，Wang Lijun，Liuyang
1 Department of Material Science and Technology，Tianjin University，Tianjin (300072)
E-mail : xuehua19831007@
Abstract
The microstructure and mechanical properties of the joints welding domestic A7N01S Al-alloy sheets for high-speed train carriges ,together by use of metal insert gas（MIG）were investigated. It was founded that the hardness distribution is approximately symmetrical to the center line of welded joint, where is just the weakest zone of the whole joint to which the welded zone presents a typical dendritic casting structure. In the fusion zone ,the columnar grains range in the direction of heat dissipation on one side of the joint and fine equiaxed grains on the other side. Fibrous processing marks remain in the heat-affected zone（HAZ）. The results solved that the tensile strength of the joints welding A7N01S Al-alloy sheets together by use of ER5356 exceeds the standard DIN EN288-4.
Keywords:A7N01S Al-alloy ; welded joint ; microstructure ; mechanical property。