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
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。
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)) (%)
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)
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
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
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
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
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。