遼寧忠旺集團有限公司 （遼陽 111003） 張明銘 李鵬偉 楊志勇 齊芃芃 黃 明 趙佳龍

1.概述

在最近幾年內，由于國家大力實施鐵路提速，故高速列車的研制成為國家重點項目。其中，輕量化的鋁合金高速列車車體成為提高列車運行速度的重要方面。以此為契機，國內關于高速列車車體用鋁合金型材的研究與生產也逐步開始。中等強度的A7N01S具有熱擠壓成形性、耐腐蝕性好等特點，在車體制造過程中被廣泛應用。但在焊接過程中易產生鏈狀氣孔及密集氣孔，這兩種形式的氣孔存在于產品中，當受到外力作用時極易形成裂紋，最終導致斷裂。

本文主要研究在不同時效制度下，A7N01S鋁合金的焊接性，確定出既消除氣孔，又能保證母材和焊接件性能的時效制度和焊接工藝。

2.試驗過程

（1）試驗材料 試驗材料從圖1鋁型材4號位置取的8mm厚試板，該型材合金狀態(tài)為A7N01S－T5，試板規(guī)格300mm×150mm。采用進口ER5556鋁合金焊絲，鋁合金材料及焊絲化學成分如表1所示。在焊接試驗中，保護氣體采用99.999%的高純氬，焊接設備采用福尼斯TPS 5000MIG焊機。

圖1 鋁合金型材斷面

表1 鋁合金材料及ER5556焊絲化學成分（質量分數(shù)） （%）

（2）試驗方法 采用KWY－103 電熱鼓風烘箱對試驗板制定如表2所示的時效制度進行時效處理。本試驗分五組進行，每種時效制度為一組（見表2），每組時效制度做兩個試驗，分別采用焊接接頭為70°的V形和X形坡口進行焊接（見圖2、圖3）。焊前用較細的不銹鋼刷清除坡口區(qū)域30mm范圍內的氧化膜、油漬，然后用酒精清潔試板坡口區(qū)域以去除坡口部位的水分、油污等。清理后要及時對試板進行焊接，以免試板再次氧化。焊接工藝如表3所示。

表2 試驗板時效制度

圖2 V形坡口

圖3 X形坡口

表3 V形與X形坡口焊接參數(shù)

（3）檢測方法 采用XXG－165 X射線探傷儀對試樣焊縫進行X射線檢測并評定焊縫質量等級，然后采用日本島津AG－X100KNH倒置式電子萬能試驗機，按標準GB/T 228.1－2010分別對五組時效后的板材和焊接接頭進行拉伸試驗，觀察試樣的斷裂位置，測定抗拉強度，進而分析板材以及接頭的拉伸性能。參照標準ISO4136制備拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸如圖4所示。按ISO5173－2009進行彎曲試驗，由標準選擇壓頭直徑為68mm，支點距離93mm，彎曲角度180°。

金相試樣經研磨、拋光后采用的腐蝕劑為低濃度混合酸，內含HF、HCl、HNO3和H2O，其配比的比例為1∶1.5∶2.5∶95，腐蝕時間為20s左右，最后用乙醇清洗腐蝕后的表面，同時用熱風把表面吹干，此過程要確保腐蝕時間和用乙醇清洗后的表面無殘留水紋，本試驗采用的是ZEISS－AXIO倒置式材料顯微鏡對試樣進行觀察。

圖4 拉伸試樣尺寸

3.試驗結果及分析

（1）時效后A7N01S組織與性能分析 通過顯微鏡的觀察，不同時效制度下A7N01S鋁合金的在組織上并沒有太大區(qū)別，晶粒都是擠壓過程中形成的纖維狀晶粒，如圖5～圖9所示。材料的力學性能因金屬間化合物（即相）分布的均勻程度、該化合物在顯微鏡下大小程度不同而有區(qū)別，一般金屬間化合物分布均勻且細小，材料的力學性能則高些，反之則低些，如表4所示，但都符合A7N01S鋁合金的標準要求強度。由上述結論，可以看出在相同擠壓條件下經過不同的時效處理，型材最終的力學性能有很大的不同，這說明時效制度對型材力學性能的影響很顯著。

圖5 第一組時效處理后的顯微組織

圖6 第二組時效處理后的顯微組織

圖7 第三組時效處理后的顯微組織

圖8 第四組時效處理后的顯微組織

圖9 第五組時效處理后的顯微組織

（2）焊接接頭分析 由于鋁合金焊接對氣孔有著很大的敏感性，所以在鋁合金車體制造過程中，焊接氣孔是目前鋁合金焊接領域需要解決的首要問題。

試驗過程中第一組和第五組在焊接第一道焊縫時焊道表面出現(xiàn)黑灰現(xiàn)象，如圖10所示。這種情況下焊道內部雜質及H未完全析出，會導致出現(xiàn)大量氣孔及夾雜，嚴重影響焊接質量，固其他檢測分析沒繼續(xù)進行。所以說該兩組時效制度的焊接性差。

對焊接后的試樣進行X射線探傷檢測，結果如表5所示。力學性能檢測，試驗結果如表6所示。對3組試樣的焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)進行顯微組織觀察，均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋。

通過對焊接接頭的一系列檢測結果觀察，發(fā)現(xiàn)第二組、第四組試驗存在較明顯的焊接氣孔，不符合歐洲標準ISO10042 B級要求。

表4 時效制度對應母材性能

圖10 焊接過程中焊縫出現(xiàn)黑灰現(xiàn)象

表5 鋁合金焊縫X射線檢測結果

表6 A7N01－T5鋁合金焊接接頭力學性能試驗結果

4.結語

綜上所述，針對A7N01S－T5鋁合金，我們采用雙級時效制度，具體推薦制度為第一級時效溫度95℃，保溫時間8h；第二級時效溫度150℃，保溫時間8h。該時效制度為A7N01S焊接性好的時效制度。

通過試驗，A7N01S－T5鋁合金型材對接焊接工藝切實可行。對于該8mm板，從性能以及氣孔分布和氣孔多少來看，開V形坡口要比X形坡口好，能夠滿足A7N01S－T5鋁合金對接接頭的組織與性能要求。