朱志民，董 強(qiáng)，許鴻吉

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京 210031；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

不同焊接工藝對(duì)5083-H111鋁合金MIG焊接接頭力學(xué)性能的影響

朱志民1，董 強(qiáng)2，許鴻吉2

（1.中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京 210031；2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

通過(guò)拉伸、彎曲和硬度試驗(yàn)，研究不同焊接線能力和預(yù)熱溫度對(duì)5083-H111鋁合金MIG焊焊接接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在不同線能量和預(yù)熱溫度下，5083-H111鋁合金（4mm）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度良好，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在不同線能量和預(yù)熱溫度下焊接接頭的彎曲性能良好；在不同線能量和不同預(yù)熱溫度下，接頭各區(qū)域的硬度變化不大，且無(wú)明顯軟化現(xiàn)象。

5083-H111鋁合金；MIG焊；焊接接頭；組織與性能

0 前言

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，高速列車(chē)輕量化成為鐵路運(yùn)輸行業(yè)現(xiàn)代化的重要目標(biāo)[1]。最近幾年我國(guó)已成功開(kāi)發(fā)出200 km/h、350 km/h的鋁合金高速列車(chē)，在高速列車(chē)上大量采用5系列、6系列、7系列鋁合金。鋁合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，且焊接熱循環(huán)也會(huì)對(duì)熱影響區(qū)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)較寬，降低力學(xué)性能[2-4]。鋁合金的焊接質(zhì)量與焊接工藝參數(shù)相關(guān)，因此研究焊接工藝參數(shù)（焊接熱輸入、焊前預(yù)熱溫度）對(duì)5083-H111鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，對(duì)于提高我國(guó)鋁合金高速列車(chē)和城軌車(chē)輛的焊接質(zhì)量和制造水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。在此研究了不同MIG焊接工藝對(duì)高速列車(chē)用5083-H111鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，確定合理的焊接工藝，為5083-H111鋁合金結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為4mm厚的5083-H111鋁合金板材，采用MIG焊單層單道焊接工藝和φ1.2mm ER5356實(shí)心焊絲。保護(hù)氣體為純度99.9%的Ar。試驗(yàn)材料和焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)材料和焊接材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the experimental and welding materials %

試板尺寸300 mm×300 mm×4 mm。坡口形式為70°V型坡口，5083-H111鋁合金焊接坡口裝配如圖1所示。進(jìn)行不同焊接熱輸入、不同預(yù)熱溫度的對(duì)接工藝試驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表2 試驗(yàn)材料和焊接材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the experimental and welding materials

圖1 5083-H111鋁合金焊接坡口裝配Fig.1 Welding groove assembly drawing of 5083-H111 aluminum alloy

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

焊后分別按照ISO17637-2003、EN1289-2002和ISO17636-2003標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試板進(jìn)行外觀檢測(cè)、滲透檢測(cè)及射線檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)。對(duì)焊接試板進(jìn)行加工取樣，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)以及顯微硬度試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)分別參照ISO 4136：2001和ISO 5173：2000，在WDW-300KN型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以確定不同焊接工藝對(duì)5083-H111鋁合金MIG焊接接頭拉伸性能和彎曲性能的影響。顯微硬度試驗(yàn)選用維氏硬度，根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》測(cè)量焊接接頭的硬度分布，并使用ORIGIN75軟件繪制硬度圖，顯微硬度儀的參數(shù)設(shè)置為：載荷200 gf（1.96 N），保持時(shí)間 15 s，步長(zhǎng)為 200 μm 和 500 μm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

分別對(duì)不同焊接參數(shù)和預(yù)熱溫度下的5083-H111鋁合金焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。

依據(jù)ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)，處于焊后狀態(tài)的焊接試樣抗拉強(qiáng)度 Rm（w）應(yīng)滿足要求：Rm（w）≥Rm（pm）×T，其中Rm（w）為處于焊后狀態(tài)的焊接試樣的抗拉強(qiáng)度；Rm（pm）為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的母體材料抗拉強(qiáng)度的最低規(guī)定值；T為焊接接頭效率系數(shù)。

5083-H111鋁合金焊接接頭的接頭效率T=1，由表2可知Rm（w）=275 MPa，故以上試件接頭的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表4可知，5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在不預(yù)熱的情況下，線能量分別為2.6 kJ/cm、4.3 kJ/cm和4.7kJ/cm時(shí)所得抗拉強(qiáng)度的平均值分別為308.89MPa、293.05 MPa和288.79 MPa，可見(jiàn)在不同線能量下，5083-H111鋁合金對(duì)接試件接頭的抗拉強(qiáng)度均達(dá)到Rm（w）以上，滿足ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)可以看出，不同線能量下5083-H111鋁合金對(duì)接接頭拉伸試驗(yàn)的斷裂位置均在焊縫處，該部分采用了強(qiáng)度級(jí)別略低的焊接材料，其次是因氣孔和夾雜造成。不預(yù)熱時(shí)，隨著線能量的增加，抗拉強(qiáng)度（288.79～308.89MPa）、屈服強(qiáng)度（123.63～129.81 MPa）以及延伸率（14.20%～18.80%）均有不同程度的下降。

表4 不同線能量焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results of welded joint with different line energy

表5 不同預(yù)熱溫度焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results of welded joints with different preheating temperature

由表5可知，5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在線能量為3.7～3.8 J/cm時(shí)，預(yù)熱溫度分別為不預(yù)熱（室溫25℃）、預(yù)熱70～90℃和預(yù)熱140～160℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度分別為 293.05 MPa、285.71 MPa 和 288.80 MPa。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求仍為焊接試樣的抗拉強(qiáng)度Rm（w）≥275 MPa，可見(jiàn)不同預(yù)熱溫度下4 mm 5083-H111鋁合金對(duì)接試件接頭的抗拉強(qiáng)度均大于Rm（w），滿足ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)要求。不同預(yù)熱溫度下5083-H111鋁的斷裂位置均在焊縫處，這部分采用了強(qiáng)度級(jí)別略低的焊接材料，其次是焊縫處因氣孔和夾雜造成的。5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在線能量為3.7～3.8kJ/cm的情況下，隨著預(yù)熱溫度的升高，抗拉強(qiáng)度（285.71～293.05MPa）、屈服強(qiáng)度（123.04～125.66 MPa）、伸長(zhǎng)率（15.3%～18%）均出現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。

由以上數(shù)據(jù)可知，不同的焊接線能量和預(yù)熱溫度對(duì)5083-H111鋁合金對(duì)接接頭拉伸性能有一定影響，而焊接線能量和預(yù)熱溫度的增加均會(huì)降低5083-H111鋁合金對(duì)接接頭的塑性。這說(shuō)明在焊接4mm厚的5083-H111鋁合金對(duì)接板時(shí)，焊前無(wú)需預(yù)熱，并應(yīng)注意控制焊接線能量。

2.2 彎曲試驗(yàn)

分別對(duì)不同線能量和預(yù)熱溫度下的5083-H111鋁合金焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表6、表7所示。

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO15614-2《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定-焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)第二部分：鋁及鋁合金的弧焊》，正彎和背彎試樣在試驗(yàn)過(guò)程中試樣的任何方向都不應(yīng)出現(xiàn)大于3 mm的裂紋，在結(jié)果評(píng)估時(shí)，出現(xiàn)在試件角部的裂紋可忽略不計(jì)。

由表6和表7可知，在不同焊接線能量、不同預(yù)熱溫度下用ER5356焊絲焊接4 mm厚5083-H111鋁合金的焊接接頭不論是面彎試驗(yàn)還是背彎試驗(yàn)，都未產(chǎn)生裂紋，均合格，表明不同預(yù)熱溫度下焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

由以上數(shù)據(jù)可知，在試驗(yàn)條件下，不同焊接線能量和預(yù)熱溫度下用ER5356焊絲焊接4 mm厚5083-H111鋁合金對(duì)接板的焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

2.3 硬度試驗(yàn)

5083-H111鋁合金在不同線能量和預(yù)熱溫度下的對(duì)接接頭硬度曲線對(duì)比如圖2、圖3所示。

由圖2可知，焊縫硬度與熱影響區(qū)和母材的硬度基本一樣，這是因?yàn)?083-H111鋁合金對(duì)接時(shí)，焊縫的填充材料是ER5356焊絲，其強(qiáng)度與母材強(qiáng)度相差不大。熔合線附近硬度變化較小，說(shuō)明熔合線附近性能均勻。

表6 不同線能量焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Bending test results of welded joint with different line energy

表7 不同預(yù)熱溫度焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Bending test results of welded joint with different preheating tempreture

線能量為2.6kJ/cm時(shí)，焊縫硬度為74～81HV，熔合線硬度為78HV，熱影響區(qū)至母材硬度為69～80HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象；線能量為4.3 kJ/cm時(shí)，焊縫硬度為73～81HV，熔合線硬度為79HV，熱影響區(qū)至母材硬度為70～79HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象；線能量為4.7 kJ/cm時(shí)，焊縫硬度為70～76 HV，熔合線硬度為75 HV，熱影響區(qū)至母材硬度為71～78 HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象。

5083-H111鋁合金的供貨狀態(tài)為單純加工硬化，未經(jīng)附加熱處理，但硬度程度較低，在最終退火后又進(jìn)行了適量的加工硬化，但加工硬化程度較上一次有所降低。加工硬化是金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因是金屬在塑性變形時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。由此可見(jiàn)，5083-H111鋁合金為非熱處理強(qiáng)化鋁合金，其焊接接頭產(chǎn)生軟化現(xiàn)象主要是由于焊接熱影響區(qū)晶粒粗大和焊接接頭局部冷作硬化效果消失造成的。熱影響區(qū)的峰值溫度超過(guò)再結(jié)晶溫度時(shí)晶粒再結(jié)晶，由加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等消除，產(chǎn)生了明顯的軟化現(xiàn)象，而產(chǎn)生軟化后，焊接接頭的硬度大大降低，甚至抵消了冷作硬化的強(qiáng)化效果。因此，焊前母材冷作硬化的程度越高，焊后接頭的軟化程度越嚴(yán)重。

4 mm厚5083-H111鋁合金板對(duì)接焊時(shí)采用單道焊縫，而單道焊的熱輸入量較小，未達(dá)到晶粒再結(jié)晶的條件，不能消除5083-H111鋁合金的兩次加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而母材兩次冷作硬化的程度都很低，且每次補(bǔ)焊時(shí)用機(jī)械加工的方法將之前的焊縫部分距熔合線約1 mm以外的組織去除后再施焊，另外填充金屬都為ER5356焊絲，由此可見(jiàn)，補(bǔ)焊對(duì)4 mm厚5083-H111鋁合金板對(duì)接接頭軟化現(xiàn)象的影響不明顯。

圖2 不同線能量焊接接頭硬度曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of hardness curves of welding joints with different line energy

圖3 不同預(yù)熱溫度焊接接頭硬度曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of hardness curves of welding joints with different preheating tempreture

由上面的分析可見(jiàn)，隨著線能量的增加，焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的硬度變化不大，不同線能量下5083-H111鋁合金對(duì)接接頭的軟化現(xiàn)象均不明顯，5083-H111鋁合金是經(jīng)過(guò)加工硬化處理的鋁合金，因此熱影響區(qū)至母材硬度變化不大。

由圖3可知，焊縫硬度與熱影響區(qū)和母材的硬度相差不大，這是因?yàn)樵?083-H111鋁合金對(duì)接時(shí)，焊縫的填充材料是ER5356焊絲，其強(qiáng)度與母材相差不多。熔合線附近硬度變化較小，說(shuō)明熔合線附近性能均勻。

不預(yù)熱時(shí)，焊縫硬度為73～81 HV，熔合線硬度為79 HV，熱影響區(qū)至母材硬度為70～79 HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象；預(yù)熱溫度為70～90℃時(shí)，焊縫硬度為79～84 HV，熔合線硬度為79 HV，熱影響區(qū)至母材硬度為74～80 HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象；預(yù)熱溫度為140～160℃時(shí)，焊縫硬度為 60～70 HV，熔合線硬度為62 HV，熱影響區(qū)至母材硬度為61～69 HV，無(wú)明顯軟化現(xiàn)象，軟化現(xiàn)象均不明顯的原因與圖2相同。

由上面的分析可知，預(yù)熱溫度為140～160℃時(shí)，試件硬度最低，預(yù)熱溫度為70～90℃時(shí)，試件硬度比不預(yù)熱的高一些。不同預(yù)熱溫度下5083-H111鋁合金對(duì)接接頭的軟化現(xiàn)象均不明顯。

3 結(jié)論

（1）4mm厚5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在不同線能量和預(yù)熱溫度下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度良好，均滿足ISO15614-2標(biāo)準(zhǔn)要求。拉伸試驗(yàn)的斷裂位置均在焊縫處。隨著線能量的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均有不同程度的降低；隨著預(yù)熱溫度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度變化不大，但延伸率降低。

（2）4 mm厚5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在不同線能量和預(yù)熱溫度下焊接接頭彎曲性能良好。

（3）4 mm厚5083-H111鋁合金對(duì)接接頭在不同線能量和不同預(yù)熱溫度下，接頭各區(qū)域的硬度變化不大，并且均無(wú)明顯軟化現(xiàn)象。

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Effects of different welding technologies on the mechanical properties of 5083-H111 aluminum alloy MIG welded joints

ZHU Zhimin1，DONG Qiang2，XU Hongji2
（1.CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.，Ltd，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

The influence of different welding line energy and different preheating temperatures on the mechanical properties of 5083-H111 aluminum alloy MIG welded joints is studied respectively through tensile tests，bending tests and hardness tests.The results show that under different line energy and preheating temperatures，the tensile strength of the welded joints of 5083-H111 aluminum alloy(4 mm)are good and meet the standard requirements，the bending properties of welded joints are good，the hardness value of each region varies a little and has no significant softening phenomenon.

5083-H111 aluminum alloy；MIG welding；welded joint；mechanical property

TG457.14

A

1001-2303（2017）10-0035-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.07

本文參考文獻(xiàn)引用格式：朱志民，董強(qiáng)，許鴻吉.不同焊接工藝對(duì)5083-H111鋁合金MIG焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：35-39.

2017-05-22

朱志民（1980—），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事軌道車(chē)輛制造工藝的研究和管理工作。E-mail：zhuzhimin@crrcpz.cc。