A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接頭低溫韌性研究

佘鵬　孫維光　馬傳平

摘要：針對高速列車用A7N01S-T5鋁合金的激光-MIG電弧復合焊接接頭的焊縫（W）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）分別在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃及-60 ℃條件下進行沖擊韌性和斷裂韌性試驗研究。結(jié)果表明：在相同溫度下，熱影響區(qū)的沖擊韌性和斷裂韌性最好，母材次之，焊縫最差。隨著溫度的降低，激光-MIG復合焊接頭三個區(qū)的沖擊韌性和斷裂韌性都有一定程度的提高，但是變化幅度小。熱影響區(qū)和母材的斷口韌窩尺寸大于焊縫，在斷裂過程中能產(chǎn)生較大變形來抵抗裂紋的擴展，吸收更多的能量，表現(xiàn)出良好的斷裂韌性。

關(guān)鍵詞：A7N01S-T5鋁合金;激光-MIG復合焊;低溫韌性;抗裂紋擴展;韌窩

中圖分類號：TG457.14文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0111-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.20

0 前言

截止2018年末，我國鐵路營業(yè)里程達13.2萬公里，其中高速鐵路3萬公里，分別位居世界第二和世界第一，“八橫八縱”通道為主干的高速鐵路網(wǎng)遍布我國除西藏以外的省、自治區(qū)和直轄市。由于我國地域遼闊，不同地域的氣候環(huán)境相差很大，而一些較長的高鐵干線貫穿了不同的溫度帶，例如“八縱”通道之一的京哈-京港澳通道，跨越了中溫帶、暖溫帶、亞熱帶和熱帶四個溫度帶，尤其冬季南北溫差特別大，這對高速列車車體用材料及其焊接接頭提出了更高的要求，在復雜的服役環(huán)境（如高、低溫環(huán)境等）下要求有良好的環(huán)境適應(yīng)性[1-3]。

A7N01S-T5鋁合金屬于Al-Zn-Mg系鋁合金，具有中等強度、擠壓性好、焊接性好等特點，廣泛用于制造高速列車重要的承載結(jié)構(gòu)件[3-4]。隨著對高速列車安全可靠性要求的提高，尤其是對車體關(guān)鍵承載部件焊接接頭質(zhì)量要求的提高，激光-MIG電弧復合焊接方法[4-5]被用于高速列車關(guān)鍵車體結(jié)構(gòu)的焊接，該方法結(jié)合激光焊和傳統(tǒng)MIG焊的優(yōu)點，具有能量集中、焊接效率高、熱輸入小、焊接變形小等優(yōu)點，可以獲得高質(zhì)量的鋁合金焊接接頭[5-6]。目前國內(nèi)對鋁合金激光-MIG電弧復合焊接頭性能的研究主要是常溫條件下的，對于其低溫條件下的力學性能尤其是低溫韌性研究很少[4-6]。本文針對高速列車用A7N01S-T5鋁合金激光-MIG電弧復合焊接頭的低溫沖擊和低溫斷裂韌性進行研究，評判焊接接頭低溫環(huán)境下抵抗材料裂紋失穩(wěn)擴展的能力，提高鋁合金焊接接頭質(zhì)量和服役安全可靠性，具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及焊接工藝

試驗材料為方形中空不同壁厚的A7N01S-T5鋁合金型材，焊接試驗件由選取中空型材15 mm壁厚面加工成350 mm×150 mm×15 mm鋁板對焊而成。采用40°的V型坡口，鈍邊3 mm，焊接間隙1.6 mm（見圖1）。焊接方法采用激光-MIG電弧復合焊（焊接時激光在前、電弧在后），焊接設(shè)備為IPG YLS-4000型光纖激光器，光纖芯徑400 μm，額定功率為4.2 kW。MIG焊機為Kemp Arc-450脈沖焊機，機械臂為IRB2600機器人。焊接填充材料為ER5356鋁鎂焊絲，直徑1.6 mm。焊接保護氣為99.999%的高純氬，氣體流量25 L/min。鋁材及焊絲化學成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示，接頭坡口及實際焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。

1.2 試驗方法

A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭采用混合酸進行腐蝕，混合酸體積比為HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95，采用AX10 ZEISS蔡司光學顯微鏡觀察金相組織。根據(jù)標準GB/T 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法加工夏比V型缺口沖擊試樣，在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃條件下，采用型號為JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗機測試激光-MIG復合焊接接頭各區(qū)（缺口分別開在焊縫、熱影響區(qū)和母材）的沖擊功，冷卻介質(zhì)為干冰。

根據(jù)國標GB/T 21143-2014 金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法，采用三點彎曲試樣測試A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接頭焊縫（W）、熱影響區(qū)（HAZ）以及母材（BM）的J0。三點彎曲試樣尺寸如圖2所示，取樣方向為y-x方向。三點彎試樣先在音叉式疲勞開縫機上預制有效長度的疲勞裂紋，然后在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和

-60 ℃條件下（采用干冰+酒精作為試樣浸泡介質(zhì)以保證試驗溫度的恒定），用帶自制低溫環(huán)境箱型號為CMT4304的電子萬能試驗機進行三點彎曲加載試驗，測量載荷與施力點位移關(guān)系曲線，其中位移采用電子引伸計測量。壓斷試樣后，參照GB/T 21143-2014標準用蔡司體視顯微鏡測量試樣斷口的裂紋長度a0。通過式（1）計算試驗試樣的J0：

為三點彎曲試樣的應(yīng)力強度因子。根據(jù)標準，由于試驗記錄在斷裂前沒有突進而顯示了最大力平臺，所以試驗所測得的J0即為Jm（15）。

最后將測完裂紋長度a0的斷口放在酒精中用超聲清洗15 min，清洗完畢后用電吹風吹干試樣表面，然后在型號為QUANTA FEG250的場發(fā)射掃描電子顯微鏡下進行斷口形貌觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

不同溫度條件下，A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材的沖擊功和J積分試驗結(jié)果如表3所示。每個溫度條件下，每個區(qū)域均取3個平行樣。由于試驗數(shù)據(jù)較多，表3中只呈現(xiàn)每種溫度條件下每個區(qū)域3個平行樣測試結(jié)果的平均值。

2.1 沖擊試驗結(jié)果及分析

A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭各區(qū)在不同溫度條件下的沖擊試驗結(jié)果對比如圖3所示。由圖3和表3可以看出，在相同溫度條件下，A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭各區(qū)的沖擊功均值為：HAZ>BM>W。W的沖擊功均值為26.22～27.52 J，各個溫度下沖擊功值變化基本不大;HAZ的沖擊功均值為37.92～40.13 J，BM的沖擊功均值則為31.24～33.15 J，HAZ和BM區(qū)隨溫度的降低，沖擊功均值均呈現(xiàn)一定程度的提高趨勢，但提高幅度不大。這表明A7N01S-T5鋁合金焊接接頭低溫下的缺口敏感性較低，其沖擊韌性隨溫度的降低基本保持不變[7]。

2.2 斷裂韌性試驗結(jié)果及分析

J積分作為一個表征材料斷裂韌性的參數(shù)，無論裂紋附近的材料處于彈性狀態(tài)還是發(fā)生大范圍塑性變形，都能準確地表征材料裂紋的擴展行為。積分表征了材料對裂紋萌生過程的阻力，是材料在裂紋開始擴展時吸收的臨界能量[8]。A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭各區(qū)在不同溫度條件下的J積分試驗結(jié)果對比如圖4所示。由圖4和表3可知，在相同溫度條件下，A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭各區(qū)的Jm（15）均值為：HAZ>BM>W，這與接頭各區(qū)的沖擊韌性規(guī)律一致，說明激光-MIG復合焊接頭焊縫抵抗裂紋擴展的能力最差，母材次之，而熱影響區(qū)的抗裂紋擴展能力最優(yōu)，這與文獻[4]的試驗結(jié)果一致。沖擊功和斷裂韌性都是材料的韌性指標，沖擊功高的材料，其斷裂韌性值也越大[9-10]。W的Jm（15）均值為81.93～98.15 kJ/mm2，HAZ的Jm（15）均值為138.45～152.33 kJ/mm2，BM的Jm（15）均值為101.34～113.65 kJ/mm2。隨著溫度的降低，W、HAZ和BM區(qū)Jm（15）均值都呈現(xiàn)一定程度升高的趨勢，但幅度不大。鋁合金的韌性和塑性的改善可用加工硬化指數(shù)和溫度關(guān)系來解釋，溫度的降低使得鋁合金材料位錯的交滑移愈不易發(fā)生，加工硬化能增大，從而使得加工硬化指數(shù)n增大，變形均勻性增強，低溫下鋁合金的韌、塑性增加[9，11]。

2.3 金相組織分析

A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭W、HAZ和BM三個區(qū)域的微觀金相組織如圖5所示。焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)等軸晶組織，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀枝晶組織形態(tài)，網(wǎng)狀枝晶的存在使得焊縫抵抗裂紋擴展能力下降，降低了焊縫的斷裂韌性。熱影響區(qū)還保留著部分母材軋制態(tài)形貌，但部分晶粒比母材晶粒粗大，這是由于焊接接頭的熱影響區(qū)緊靠熔合區(qū)，受到較強的熱循環(huán)作用，晶粒獲得足夠能量而變粗大，因此熱影響區(qū)的晶粒會有一定程度的粗化。母材晶粒沿著軋制方向伸長，晶粒呈纖維狀，且與軋制方向相同，組織為 α-Al 和少量的析出強化相。A7N01S-T5為自然時效強化鋁合金，其主要強化相為η（MgZn2）相，彌散分布于α（Al）基體中，第二相顆粒越細小、分布越均勻，材料的力學性能越好[12]，因此母材和熱影響區(qū)都具有較好的斷裂韌性。由于熱影響區(qū)晶粒尺寸較母材的粗大，裂紋擴展過程中大晶粒對裂紋的阻礙作用大于尺寸較小的晶粒，因此熱影響區(qū)的斷裂韌性優(yōu)于母材。

2.4 斷口分析

A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接接頭W、HAZ和BM三個區(qū)域斷裂韌性試樣在掃描電鏡（SEM）下的典型斷口形貌如圖6所示。由圖6a可知，焊縫韌窩尺寸大小不一，局部有許多小韌窩，一些韌窩中還存在第二相粒子，說明焊縫組織不均勻，韌性較差。主要原因是焊縫為典型的鑄態(tài)組織，裂紋容易通過枝晶間的低熔共晶物擴展，從而降低焊縫抵抗裂紋擴展的能力。相比于焊縫，HAZ和BM斷口的韌窩尺寸明顯更大，而小尺寸韌窩數(shù)量較少，大尺寸的韌窩表明材料在斷裂過程中產(chǎn)生了較大變形來抵御裂紋的擴展，吸收了更多的能量，表現(xiàn)出良好的韌性[4，13]，因此HAZ和BM的斷裂韌性優(yōu)于W。HAZ斷口的韌窩尺寸總體上大于BM，這是因為HAZ的晶粒尺寸總體上大于BM，因此HAZ的斷裂韌性高于BM。

3 結(jié)論

（1）A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材在相同溫度下的沖擊吸收功由大到小依次為：熱影響區(qū)>母材>焊縫。隨著溫度的降低，焊縫的沖擊吸收功變化基本不大，而熱影響區(qū)和母材的沖擊吸收功有一定程度的提高，但幅度很小。

（2）A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材在不同溫度條件下的J積分試驗結(jié)果表明，熱影響區(qū)抵抗裂紋擴展的能力最強，母材次之，焊縫的斷裂韌性值最低。隨著溫度的降低，焊縫、熱影響區(qū)和母材的Jm（15）均值都呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，但變化幅度不大。

（3）在低溫環(huán)境下，A7N01S-T5鋁合金激光-MIG復合焊接頭各區(qū)均能保持與常溫條件下相當水平甚至更好的沖擊韌性和斷裂韌性，這表明鋁合金焊接接頭各區(qū)在低溫下有較高的阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

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