葛佳棋，李帥貞，湯旭祥，鐘奎，萬升云，盧永建

1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 序言

隨著我國軌道交通的飛速發(fā)展，軌道車輛輕量化和高速化要求的不斷提高，鋁合金材料以其密度小、比強度高等優(yōu)點，正越來越多地應(yīng)用于高速動車組、城軌車輛的生產(chǎn)制造[1-3]。在鋁合金車體的焊接生產(chǎn)中，熔化極氣體保護焊（MIG）工藝占總焊接量的85%以上[4]，鋁合金焊絲作為主要焊材，其質(zhì)量高低直接影響到接頭性能。SAFRA、ESAB、日輕金等廠家在鋁合金焊絲的生產(chǎn)中，主要采用連鑄連軋工藝，熔體處理配置電磁攪拌器、在線除氣過濾裝置等，在熔體潔凈度、組織成分均勻性等方面控制較好[5]。受限于裝備和工藝等方面因素，國內(nèi)采用連鑄連軋工藝大規(guī)模生產(chǎn)鋁焊絲的廠家較少，目前絕大部分主要采用水平連鑄連拉工藝，熔體處理只在爐內(nèi)熔劑精煉，導(dǎo)致國產(chǎn)鋁焊絲在質(zhì)量穩(wěn)定性方面與進口焊絲存在差距。國內(nèi)軌道車輛用鋁焊絲主要依賴進口，進口焊絲年消耗量近1500t，金額達1.5億元人民幣[6]。

近幾年，隨著國內(nèi)焊絲廠家加大技術(shù)研發(fā)和設(shè)備投入，國內(nèi)焊材市場逐漸出現(xiàn)了較高品質(zhì)的鋁合金焊絲。不少學(xué)者已經(jīng)對國內(nèi)高品質(zhì)焊絲與進口焊絲進行了對比研究。王東等[7]針對國產(chǎn)和進口ER5183焊絲的接頭組織與性能進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)ER5183焊絲與進口焊絲焊接的接頭焊縫組織基本相同，接頭力學(xué)性能也在同一水平；張力[8]對進口和國產(chǎn)ER5087焊絲進行化學(xué)成分、工藝穩(wěn)定性、接頭力學(xué)性能檢測等試驗。研究結(jié)果表明，國產(chǎn)焊絲焊接接頭力學(xué)性能與進口焊絲一致，但焊接工藝穩(wěn)定性仍略低于進口焊絲。

ER5356鋁合金焊絲是一種具有較強競爭力且廣泛應(yīng)用于軌道車輛鋁合金車體焊接生產(chǎn)的新型焊絲。本文選用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的ER5356焊絲與同型號進口焊絲進行對比研究，從焊絲外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、送絲穩(wěn)定性、焊縫組織和焊接接頭力學(xué)性能等方面對兩種焊絲進行質(zhì)量評價，為國產(chǎn)鋁合金焊絲質(zhì)量的提升以及在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供一定的參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用母材選用軌道車輛常用的6系國產(chǎn)鋁合金材料，采用6005A-T6開展接頭力學(xué)性能試驗，針對可熱處理強化的鋁合金焊接接頭耐蝕性較低的情況，采用A6082-T651開展接頭抗應(yīng)力腐蝕試驗。焊材采用φ1.2mm的國產(chǎn)和進口ER5356焊絲，保護氣體為99.999%純度的Ar。母材與焊材的主要化學(xué)成分見表1。

表1 母材和焊材的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 焊前準(zhǔn)備與焊接工藝

在接頭力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能試驗中，針對300mm×150mm×12mm板材進行平焊（PA），對板材待焊位置開X形坡口，坡口角度60°，如圖1所示。焊前用丙酮擦拭待焊板材以去除油污，并使用打磨工具將待焊部位的氧化膜進行清除。焊機采用MIG/MAG弧焊機，主要參數(shù)為：焊接電流200～240A，電弧電壓21～25V，焊接速度8～11mm/s，保護氣流量21～25L/min。

圖1 焊接試驗接頭坡口形式

2.3 檢測方法

利用JSM 6501掃描電鏡對焊絲表面進行放大觀察，檢查表面質(zhì)量及劃痕情況，對焊絲進行橫截面和縱截面微觀金相試樣的制備，利用ZEISS金相顯微鏡觀察焊絲橫斷面和縱斷面形貌以及接頭各區(qū)域的微觀組織。采用iCAP6300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對焊絲的合金元素含量進行測定，并依據(jù)ISO 18273：2015標(biāo)準(zhǔn)進行對比。采用德國送絲阻力檢測儀對氣體保護焊過程中送絲穩(wěn)定性進行測試。按照ISO 4136：2012和ISO 5173：2009分別加工接頭的拉伸和彎曲試樣，在微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸和彎曲力學(xué)性能對比。按照GB/T 15970.7—2017加工慢應(yīng)變速率拉伸試樣，在慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機上進行應(yīng)力腐蝕測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 焊絲外觀質(zhì)量及顯微組織

經(jīng)過掃描電鏡的放大觀察，國產(chǎn)和進口ER5356焊絲的表面質(zhì)量均較好，未發(fā)現(xiàn)明顯劃痕、毛刺及其他不良缺欠，觀察結(jié)果如圖2所示。

圖2 焊絲表面

圖3所示為國產(chǎn)和進口ER5356焊絲的橫縱截面顯微組織形貌。由圖3可知，顯微組織均為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）組成。由于5系鋁合金為非熱處理強化合金，橫截面顯微組織的晶界顯示不明顯，縱截面可觀察到平行于軋制方向的組織形態(tài)。

圖3 焊絲截面微觀組織

3.2 化學(xué)成分

國產(chǎn)和進口ER5356焊絲的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。從檢測結(jié)果來看，國產(chǎn)和進口ER5356焊絲的化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)含量范圍內(nèi)，符合ISO 18273：2015標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 國產(chǎn)和進口ER5356焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.3 送絲穩(wěn)定性

送絲穩(wěn)定性測試過程中送絲速度為14.6m/min，焊槍橫向移動速度13mm/min，焊接速度62cm/min，焊接時間10min。對進口與國產(chǎn)ER5356焊絲送絲阻力測試結(jié)果進行記錄，見表3。

表3 焊絲送絲阻力 （N）

由測試結(jié)果的數(shù)據(jù)分析可知，國產(chǎn)焊絲的送絲阻力略小于進口焊絲，但送絲阻力的差值和標(biāo)準(zhǔn)差略大于進口焊絲，表明國產(chǎn)焊絲在送絲過程中穩(wěn)定性稍低于進口焊絲，焊絲表面不光滑或焊絲線徑存在一定程度波動是導(dǎo)致送絲阻力發(fā)生起伏的主要原因。

3.4 接頭顯微組織及力學(xué)性能

使用國產(chǎn)和進口ER5356焊絲對6005A板材進行焊接，焊縫成形如圖4所示。經(jīng)目視檢測，焊縫外觀成形良好，無氣孔、咬邊、裂紋、未熔合及夾雜等缺欠。

圖4 6005A板材焊縫外觀

接頭主要由焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。國產(chǎn)和進口ER5356焊絲焊接接頭各區(qū)域顯微組織如圖5、圖6所示。由圖可知，國產(chǎn)和進口ER5356焊絲焊接接頭各區(qū)域組織差異不大。焊縫中心為呈樹枝晶狀的典型鑄造組織，主要為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）。熔合區(qū)可觀察到沿散熱方向排列的柱狀晶，熱影響區(qū)有少量Mg2Si析出相，過時效區(qū)出現(xiàn)晶粒較大的析出相導(dǎo)致該區(qū)軟化，該現(xiàn)象在國產(chǎn)和進口焊絲的焊接接頭組織中均可觀察到。

圖5 國產(chǎn)ER5356焊絲焊接接頭顯微組織

圖6 進口ER5356焊絲焊接接頭顯微組織

接頭的拉伸試驗結(jié)果見表4。依據(jù)ISO 15614-2：2005中規(guī)定，6005A-T6的接頭效率為0.6，而6005A-T6的抗拉強度為250MPa，則可計算出接頭的抗拉強度應(yīng)達到150MPa以上。從測試的結(jié)果來看，國產(chǎn)和進口ER5356焊絲焊接接頭的抗拉強度均滿足要求，且國產(chǎn)焊絲焊接接頭的抗拉強度平均值略高于進口焊絲，但接頭的斷后伸長率略低于進口焊絲。

表4 焊接接頭抗拉強度

采用直徑為100mm的壓頭對接頭進行側(cè)彎試驗，測試結(jié)果表明，國產(chǎn)和進口焊絲焊接接頭的彎曲試樣經(jīng)過180°側(cè)彎后，試樣均未出現(xiàn)裂紋。

3.5 接頭抗應(yīng)力腐蝕性能

依據(jù)GB/T 15970.7—2017規(guī)定，將6082鋁合金板材焊接接頭分別在介質(zhì)硅油和氯化鈉溶液中進行慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗，應(yīng)變速率為1×10-6/s，國產(chǎn)和進口ER5356焊絲焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能測試結(jié)果見表5。由此可知，兩種焊絲焊接接頭的應(yīng)力腐蝕指數(shù)差異不大，均具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

表5 接頭慢應(yīng)變速率拉伸力學(xué)性能及ISSRT指數(shù)

各焊絲焊接接頭慢應(yīng)變速率拉伸斷口微觀形貌如圖7所示?？梢钥闯?，在惰性介質(zhì)環(huán)境中慢拉伸斷口呈韌窩特征，而在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中其斷口仍主要為韌窩，但覆蓋著部分細小的腐蝕產(chǎn)物。

圖7 接頭慢應(yīng)變速率拉伸斷口形貌

4 結(jié)束語

1）國產(chǎn)與進口ER5356焊絲表面無明顯劃痕、毛刺及其他不良缺欠，均具有較好的表面質(zhì)量，焊絲橫縱截面顯微組織基本一致。相比于進口ER5356焊絲，國產(chǎn)焊絲的送絲穩(wěn)定性略低。

2）國產(chǎn)與進口ER5356焊絲焊接接頭的微觀組織基本相同，焊縫中心為呈樹枝晶狀的典型鑄造組織，主要為α（Al）基體和彌散分布的β相（Al3Mg2）。

3）采用國產(chǎn)與進口ER5356焊絲對6005A焊接接頭的抗拉強度均超過母材抗拉強度的60%，滿足ISO 15614-2—2005的要求，兩種焊絲的應(yīng)力腐蝕指數(shù)差異不大，均具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。