1. 引言
我国国土面积辽阔,气候环境多样,高速列车无论是在生产过程还是在运行过程中均要经受复杂气候变化的考验。在铝合金车体MIG焊接过程中,环境温度、温度、风速等均对焊接接头的微观组织、常规力学性能以及疲劳性能等产生不可低估的影响。工厂采用控制环境条件,采用进口焊接装备与焊接材料,优化熔化焊接工艺等措施控制车体铝合金的焊接质量。但是还是存在焊接变形和应力严重,气孔较多,接头强度系数低等问题,制约了铝合金车体向更高速度的设计及运用。生产实践表明,车体铝合金焊接质量与焊接生产环境条件密切相关 [1] [2] [3] [4] [5] 。
本文对动车组常用车体铝合金材料A6N01焊接接头在不同的环境温度条件下进行焊接,研究在不同的环境温度条件下,焊接接头力学性能以及微观组织的变化,从而研究环境温度对焊接接头性能的影响。
2. 试验材料与方法
实验采用4 mm厚A6N01铝合金板材进行焊接,采用ER5356铝镁合金焊丝,焊丝的直径为φ1.2 mm,选用氩气保护,纯度为99.99%。焊接后试件的尺寸为350 mm × 220 mm × 4 mm,焊缝宽度为20 mm,焊接工艺参数见表1所示。根据工厂的现场环境条件进行设计,设计焊接环境温度为−20℃、−10℃、0℃、20℃。
采用HV-10B维氏硬度计测量焊接接头各区域的硬度值,测量载荷为10 kg,载荷持续时间为15秒。采用WDW3100微机控制电子万能试验拉伸机上进行拉伸实验,拉伸速率为1 mm/min,试验机自动记录载荷位移曲线,测量接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率。采用JBN-300摆锤式冲击试验机进行冲击试验。采用1%氢氟酸(HF) + 1.5%盐酸(HCl) + 2.5%硝酸(HNO3)的混合酸溶液进行腐蚀,腐蚀时间为20~30秒,室温。然后在Zeiss A1M光学显微镜下观察母材、HAZ和焊缝的组织。
3. 试验结果与讨论
3.1. 不同温度条件下的焊接接头的拉伸强度
表2是不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头的拉伸强度。
表1. 焊接工艺参数
Table 2. Tensile strengths of A6N01 Aluminum alloys at different temperatures
表2. 不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头拉伸强度
由表2分析可知,当焊接环境温度 ≤ 0℃时,以0℃为参考,−10℃时的抗拉强度下降了4.78%,−20℃时抗拉强度升高了1.97%。当焊接环境温度 ≥ 0℃时,以0℃为参考,20℃时抗拉强度升高了0.99%。因此,总体分析,温度对A6N01铝合金对接接头的抗拉强度的数值影响不大,但是接头断裂的位置发生了变化,这可能需要引起重视。
3.2. 不同温度条件下的焊接接头的冲击韧性
表3是不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头的冲击性能。
由表3分析可知,当焊接环境温度 ≤ 0℃时,以0℃为参考,−10℃时的冲击韧性下降了9.77%,−20℃时冲击韧性下降了20.56%。当焊接环境温度 ≥ 0℃时,以0℃为参考,20℃时冲击韧性升高了14.61%。。因此,总体分析,温度对A6N01铝合金对接接头的冲击韧性的数值影响较大。
3.3. 不同温度条件下的焊接接头的硬度
图1是不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头的硬度分布曲线。
由图1可以看出,焊缝部位的硬度较低,随着远离焊缝中心的距离的增加,硬度上升。到最大值以后硬度开始下降,由于拉伸实验试件的断裂都在热影响区,所以推断软化区的硬度值会略低于焊缝。这是由于焊接热影响区是由于受到焊接热输入的影响而产生的,A6N01铝合金焊接接头的热影响区分为淬火区和软化区。在淬火区,化合物大部分固溶到基体中,析出相较少;而在过时效区,出现了很多粗大的析出相,降低了接头的强度和塑性。
Table 3. Tensile strengths of A6N01 Aluminum alloys at different temperatures
表3. 不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头的冲击性能
Figure 1. Curve: hardness distribution of A6N01 Aluminum alloys at different temperatures
图1. 不同温度条件下A6N01铝合金焊接接头的硬度分布曲线
总体来说,当温度高于0℃,即20℃时,硬度的分布比较均匀。而当温度低于0℃,硬度的变化起伏比较大,尤其是0℃和−10℃的起伏比较大。
3.4. 不同温度条件下的焊接显微组织
图2是不同温度条件下焊接接头熔合区和焊缝的显微组织。
从图2中可以看出,焊缝区为铸态等轴晶组织。热影响区的晶粒粗大,晶界不清晰,有Mg2Si强化相和少量杂质相析出,随着温度的下降焊缝晶粒越细小。这与之前硬度实验得出的结论:随着温度的降低焊缝区的硬度越低相符合。在常温情况下的焊缝中可以观察到较多的析出相,而随着温度下降,析出相逐渐减少,气孔和夹渣也较少。
4. 结论
1) 温度对A6N01铝合金对接接头的抗拉强度的数值影响不大,但是接头断裂的位置发生了变化,这可能需要引起重视。
2) 温度对A6N01铝合金对接接头的冲击韧性的数值影响较大。
3) 在常温情况下的焊缝中可以观察到较多的析出相,而随着温度下降,析出相逐渐减少,气孔和夹渣也较少。