張洪逵，林皓，杜濤，劉凱，王路，王軍，魏澤鵬，彭如星

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

鋁合金材料在軌道交通行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，高速動(dòng)車組、城軌車輛車體均使用了具有輕量化特征的鋁合金材料[1]。目前鋁合金材料已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外高速列車中，主要采用5系（Al-Mg）、6系（Al-Mg-Si）、7系（Al-Zn-Mg）鋁合金[2]。根據(jù)城軌車輛不同部件對材料性能要求的不同，所選用的鋁合金牌號也不同。一般從耐蝕性和焊接性方面考慮，對于不涂裝的鋁合金車體外板、骨架、車頂板及地板等零件可采用耐蝕性和加工性能好的5系鋁合金。大型擠壓型材結(jié)構(gòu)的車體，國內(nèi)外多采用擠壓性好又兼有適當(dāng)焊接性和較高強(qiáng)度的6系鋁合金。對于5系鋁合金，在城軌車輛鋁合金車體上一般采用5083鋁合金。5083鋁合金屬非熱處理強(qiáng)化鋁合金，一般采用固溶處理以及加工硬化的方式進(jìn)行強(qiáng)化，具有良好的耐蝕性和焊接性，同時(shí)具有中等強(qiáng)度的力學(xué)性能；對于6系鋁合金，在城軌車輛鋁合金車體上主要采用的是6005A-T6鋁合金、6082鋁合金。6005A-T6鋁合金是經(jīng)過固溶處理、人工時(shí)效的擠壓型材，具有強(qiáng)度高的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于城軌車輛鋁合金車體大部件上，例如地板、底架邊梁、側(cè)墻邊梁等。6082鋁合金的主要合金元素為Mg和Si，具有良好的加工性、焊接性、耐蝕性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城軌車輛鋁合金車體中各類板材零部件中[3-5]。

本文以5083與6082鋁合金為出發(fā)點(diǎn)，從焊接性、微觀組織、焊后力學(xué)性能3個(gè)方面分析兩種鋁合金在軌道交通鋁合金車體上應(yīng)用的特性。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)分別選用規(guī)格為300mm×150mm×10mm的5083與6082鋁合金試板，其化學(xué)成分見表1。由表1可知，5083鋁合金Mg、Mn含量要高于6082鋁合金，6082鋁合金Si含量要高于5083鋁合金，其余合金元素含量相當(dāng)。

表1 5083和6082鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

選用焊絲為某進(jìn)口品牌E R5356[A l M g5C r（A）]鋁合金焊絲，規(guī)格為φ1.2mm，其化學(xué)成分見表2。保護(hù)氣體選用99.999%高純氬氣。

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

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用MIG焊接方法，分別進(jìn)行5083與6082鋁合金的平板堆焊試驗(yàn)，探究其焊縫表面成形和焊接性的相同性與差異性，焊接參數(shù)見表3。

表3 堆焊焊接參數(shù)

分別進(jìn)行5083與6082鋁合金10mm平板對接焊接試驗(yàn)。對焊后的兩種鋁合金試板分別進(jìn)行表面成形、截面宏觀形貌及微觀組織觀察及分析，探究其焊后焊縫成形、微觀組織的差異性和相關(guān)性。分別對焊后鋁合金試板進(jìn)行力學(xué)性能檢測，探究其焊后在力學(xué)性能上的相關(guān)性和差異性。平板對接焊接試驗(yàn)的焊接參數(shù)見表4。分別對焊后的鋁合金試板進(jìn)行滲透檢測，探究不同鋁合金材料焊縫的氣孔缺欠分布情況。

表4 平板對接焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 5083與6082鋁合金的焊接性分析

對5083與6082鋁合金堆焊后焊縫表面黑灰情況進(jìn)行對比，如圖1所示。從圖1可看出，5083與6082鋁合金焊縫金屬上黑灰均分布較少，呈現(xiàn)出較亮的金屬光澤。黑灰主要集中在未能得到保護(hù)氣體保護(hù)的母材上。選用99.999%Ar保護(hù)氣在焊接時(shí)電弧穩(wěn)定，能夠保證最小飛濺，保護(hù)效果較好。將焊后黑灰進(jìn)行打磨清除，5083與6082鋁合金表面堆焊表面成形情況如圖2所示。由圖2可看出，5083與6082鋁合金堆焊表面成形均較差，焊接熔池凝固時(shí)產(chǎn)生的魚鱗紋路不明顯、不規(guī)則。分析原因?yàn)殇X的熱導(dǎo)率非常高，導(dǎo)致熔池凝固非?？欤瑫r(shí)，鋁材在熔化時(shí)無顏色變化，焊接操作者對溫度的控制較為困難，不易形成美觀的焊縫外觀。

圖1 5083與6082鋁合金表面堆焊黑灰情況

圖2 5083與6082鋁合金表面堆焊表面成形情況

3.2 5083與6082鋁合金對接焊縫的表面形貌及微觀組織分析

對5083與6082鋁合金對接試板進(jìn)行表面成形觀察，如圖3所示。由圖3可知，5083鋁合金對接接頭焊縫平直，表面魚鱗紋路均勻，光澤度較好，焊趾處與母材過渡平順，減小了應(yīng)力集中。6082鋁合金對接接頭焊縫較為平直，表面魚鱗紋路不均勻，焊趾與母材過渡區(qū)域不夠平滑，此處應(yīng)力較為集中，存在產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，焊后需修磨焊趾處，使其平滑過渡。對兩種材料的對接焊縫接頭截面宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖4所示。由圖4可知，兩種材料的焊接接頭均已熔透，5083鋁合金對接接頭熔化的更為均勻?qū)ΨQ，6082鋁合金對接接頭在焊接時(shí)有少許偏弧現(xiàn)象?？傮w來說，兩種材料的對接接頭表面成形、截面宏觀形貌均較好，達(dá)到實(shí)際使用要求。

圖4 5083與6082鋁合金截面宏觀形貌

對焊后的兩種鋁合金試板分別進(jìn)行放大100倍的微觀組織觀察。兩種鋁合金的熱影響區(qū)微觀組織如圖5所示。由圖5可知，5083鋁合金熱影響區(qū)組織比6082鋁合金熱影響區(qū)組織晶粒粗大，同時(shí)5083鋁合金熱影響區(qū)內(nèi)晶界較長且寬大，形成析出相脆化，導(dǎo)致此區(qū)域強(qiáng)度和塑韌性降低。6082鋁合金熱影響區(qū)內(nèi)組織較為均勻，晶粒較細(xì)，對強(qiáng)度、塑韌性的影響較小。

圖5 5083與6082鋁合金熱影響區(qū)顯微組織

5083與6082鋁合金對接焊縫顯微組織如圖6所示。從圖6可看出，5083鋁合金焊縫晶粒尺寸比6082鋁合金焊縫晶粒尺寸更加細(xì)小，組織成分更加均勻。分析原因?yàn)?083鋁合金中含有更多的Mg元素，與Mn、Ti、Cr等元素形成更多的金屬間化合物，形核質(zhì)點(diǎn)較多，從而生成的晶粒越多，同體積下晶粒就越細(xì)小，同時(shí)有利于提高焊縫的強(qiáng)度。6082鋁合金中的Si元素較5083鋁合金多，焊接熔池內(nèi)形成的低熔點(diǎn)Mg2Si隨之增多，熔池內(nèi)形核質(zhì)點(diǎn)減少，α-Al基體不斷增長，形成較為粗大的晶粒組織，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低。

圖6 5083與6082鋁合金對接焊縫顯微組織

3.3 5083與6082鋁合金對接焊縫的滲透檢測分析

對5083與6082鋁合金對接焊縫進(jìn)行滲透檢測，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，5083與6082鋁合金對接焊縫在焊縫表面均出現(xiàn)了1～2個(gè)氣孔，在收弧處的弧坑里存在較多密集氣孔，同時(shí)產(chǎn)生了弧坑裂紋。鋁合金具有氧化性強(qiáng)，固、液兩相氫溶解度相差大等特點(diǎn)，因此鋁合金熔化焊生產(chǎn)中形成氣孔缺陷的概率很高，鋁合金熔化焊中產(chǎn)生的氣孔絕大多數(shù)為氫氣孔[6，7]。另外，焊接材料有油污、熔池保護(hù)不良、焊前打磨清理不徹底等因素均會導(dǎo)致氫氣孔產(chǎn)生。對于弧坑處產(chǎn)生的裂紋，為凝固裂紋?？烧{(diào)節(jié)焊機(jī)的收弧電流，減小弧坑內(nèi)凝固裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)弧坑裂紋時(shí)，需及時(shí)修磨弧坑處，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。

圖7 5083與6082鋁合金對接焊縫滲透檢測結(jié)果

3.4 5083與6082鋁合金的力學(xué)性能分析

分別對焊后的5083與6082鋁合金焊接試板進(jìn)行力學(xué)性能檢測。對其分別進(jìn)行2個(gè)表面彎曲試驗(yàn)和2個(gè)根部彎曲試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)得出，5083與6082鋁合金焊接接頭均未出現(xiàn)裂紋及斷裂，結(jié)果均為合格。其中，5083鋁合金焊后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在180°彎曲后，發(fā)現(xiàn)根部彎曲試樣和表面彎曲試樣均在熱影響區(qū)出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象，如圖8a所示。而6082鋁合金焊后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，在180°彎曲后，根部彎曲試樣和表面彎曲試樣均未出現(xiàn)彎曲部位縮頸的現(xiàn)象。分析原因?yàn)?083鋁合金熱影響區(qū)組織晶粒粗大，此區(qū)域脆化相較多，導(dǎo)致其強(qiáng)度、硬度較低，從而產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)象。

圖8 5083與6082鋁合金彎曲試樣

焊后5083與6082鋁合金焊接試板拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5，拉伸試樣如圖9所示。由表5可知，5083鋁合金兩組焊后拉伸試樣均斷在熱影響區(qū)。6082鋁合金兩組焊后拉伸試樣均斷在母材上。分析得知，5083鋁合金熱影響區(qū)組織晶粒粗大，此區(qū)域脆化相、低熔點(diǎn)共晶體較多，導(dǎo)致其強(qiáng)度低，從而發(fā)生了斷裂。

圖9 5083與6082鋁合金拉伸試樣

表5 5083與6082鋁合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

1）5083與6082鋁合金焊縫金屬上黑灰均分布較少，呈現(xiàn)出較亮的金屬光澤。5083與6082鋁合金焊縫表面成形均較差，焊接熔池凝固時(shí)產(chǎn)生的魚鱗紋路不明顯、不規(guī)則。5083與6082鋁合金對接焊縫表面均產(chǎn)生了1～2個(gè)單個(gè)氣孔，同時(shí)弧坑處產(chǎn)生了密集氣孔和凝固裂紋。

2）5083鋁合金焊縫區(qū)域晶粒較細(xì)小，強(qiáng)度較高，熱影響區(qū)組織晶粒較粗大，此區(qū)域強(qiáng)度較低；6082鋁合金焊縫區(qū)域晶粒較細(xì)小，強(qiáng)度相對較高，組織較為均勻，晶粒較細(xì)，對強(qiáng)度、塑韌性的影響較小。

3）5083鋁合金彎曲試驗(yàn)后熱影響區(qū)有縮頸現(xiàn)象，拉伸試驗(yàn)斷在了熱影響區(qū)；6082鋁合金彎曲、拉伸試驗(yàn)均合格。在實(shí)際生產(chǎn)中，小尺寸、較薄的零件可選用5083鋁合金，在焊接過程中降低熱輸入，減少組織軟化。較大、較厚零部件可選用以6082鋁合金為代表的6系鋁合金，焊接接頭的各項(xiàng)性能均較優(yōu)良。