A6N01铝合金焊接接头的微观组织与力学性能

第22卷第10期中国有色金属学报2012年10月Vol.22No.10TheChineseJournalofNonferrousMetalsOct.2012文章编号：1004-0609(2012)10-2720-06A6N01铝合金焊接接头的微观组织与力学性能杨尚磊1，林庆琳2(1.上海工程技术大学材料工程学院，上海201620；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，青岛266111)摘要：对高速列车车体用新型A6N01铝合金进行MIG焊接，使用光学金相(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度计和拉伸试验机对焊接接头的显微组织与力学性能进行观察与分析。结果表明：焊缝金属为等轴晶状的铸态组织，焊缝边缘的熔合区形成柱状晶组织。在热影响区(HAZ)，过时效区的晶粒比淬火区的更为粗大，形成HAZ软化区。A6N01铝合金母材析出短棒状β′(Mg2Si)过渡强化相。HAZ析出粗大的短棒状稳定强化相β(Mg2Si)。焊缝显微硬度最低，约为65HV。焊接接头的抗拉强度为270MPa，断后伸长率为6.0%。关键词：铝合金；焊接接头；微观组织；力学性能中图分类号：TG146.2文献标志码：AMicrostructuresandmechanicalpropertiesofA6N01aluminumalloyweldingjointYANGShang-lei1,LINQin-lin2(1.SchoolofMaterialsEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;2.TechnologyCenter,SifangLocomotiveandRollingStockCo.,Ltd.,Qingdao266111,China)Abstract:ThenewtypeA6N01aluminumalloyusedinthehigh-speedvehicleswasweldedbyMIGwelding.ThemicrostructuresandmechanicalpropertiesoftheweldingjointswereobservedandanalyzedbyOM,SEM,TEM,microhardnessandtensiletesters.Theresultsshowthatequiaxialas-castmicrostructuresexistintheweldingmetal.Thecolumnargrainsareformedinthefusionzonenexttotheweldingseam.Intheheat-affectedzone(HAZ),thegrainsofover-agingzonearecoarserthanthoseofquenchingzone.ThesofteningregionexistsintheoveragingzoneofHAZ.Theβ′(Mg2Si)transitionalstrengtheningphasesprecipitateinA6N01aluminumalloybasemetal.Theβ′phasepresentsclavalshape.Theβ(Mg2Si)stablestrengtheningphasesprecipitateinHAZ,whichpresentcoarseclavalshape.Themicrohardnessofweldingseamisthelowestinthejoint,whichisabout65HV.Thetensilestrengthofthejointis270MPa,andtheelongationafterfractureis6.0%.Keywords:aluminumalloy;weldingjoint;microstructure;mechanicalproperty大型铝合金型材是高速列车和城市轨道交通车辆制造的关键材料，德国和法国等欧洲高速列车制造公司、日本新干线的列车制造企业和我国南方车辆公司与北方车辆公司均采用此类合金作为生产高速列车的关键用材[1−3]。6000系铝合金挤压性好，耐蚀性好，适于制造复杂截面的多孔中空型材，用作侧墙、车顶等车体主体结构[4−6]。目前，此类挤压型材及焊接材料大多由国外进口，国内型材虽然能够满足使用要求，但焊接后的接头性能发生很大变化。可用于铝合金焊接的方法很多，如钨极氩弧焊、基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075256)；上海市科学技术委员会基础研究重点项目(10JC1406100)收稿日期：2011-09-19；修订日期：2012-03-19通信作者：杨尚磊，教授,博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第22卷第10期杨尚磊，等：A6N01铝合金焊接接头的微观组织与力学性能2721熔化极氩弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光电弧复合焊等[7−14]，但目前在高速列车车体制造中应用最广的仍然是MIG，这种焊接方法由于热输入较大、焊接速度较低等缺点导致焊缝和热影响区都很宽、晶粒粗大、焊接残余应力大、变形严重等，强度一般只有可热处理强化铝合金母材的60%~90%，铝合金强度越高，焊接接头强度下降越大。更由于A6N01铝合金挤压型材为我国新开发生产的高速列车等轨道交通专用材料，亟需深入开展该类铝合金型材制造及使用、在线挤压淬火工艺、时效制度、焊接技术、力学性能、微观强化机制等方面的研究[15−16]。因此，研究A6N01大型超长宽幅中空铝合金挤压型材的焊接技术、微观组织与性能对推进我国高速列车制造技术的发展和长周期安全运行具有重要意义。1实验1.1实验材料实验材料为厚度4mm的A6N01-T5铝合金，T5表示合金在高温成型过程中冷却，然后进行人工时效的状态。采用ER5356焊丝进行MIG焊接，A6N01铝合金母材和ER5356焊丝的化学成分如表1所列。1.2实验方法MIG焊接工艺参数如表2所列。试样采用70°V形坡口的对接接头，焊前严格清理坡口周边50mm范围内的油及污染物等。拉伸测试在AG−10KNA型材料拉伸试验机上进行，拉伸速率为0.1mm/min。显微硬度测试在HV−1000型维氏硬度计上进行，载荷为9.8N，加载时间为10s。使用XJL−03型显微镜(OM)进行金相组织观察，试样采用0.5%HF水溶液腐蚀。使用JSM−6700F型场发射扫描电镜(SEM)进行拉伸断口观察。使用JEM−100CX型透射电镜(TEM)观察焊接接头的微观组织等，透射试样采用离子减薄仪制备。2结果与分析2.1铝合金的显微组织图1所示为A6N01铝合金焊接接头焊缝(WM)、熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)等不同区域的光学显微组织。图1(a)表明，焊缝金属为铸态组织，呈等轴晶状。图1(b)所示的熔合区(熔合线)金相组织表明，焊缝边缘的熔合区很窄，熔合区靠近焊缝的区域基本为母材熔化后尚未来得及与焊缝填充材料相混熔的未混合区，熔合区靠近母材的区域是晶粒发生部分熔化的半熔化区。熔合区形成了柱状晶组织。在热影响区，图1(c)所示的淬火区和图1(d)所示的过时效区金相组织表明，过时效区晶粒比淬火区的更为粗大，同时析出相也相应聚集长大，降低了母材原始状态的强化效果，HAZ的过时效导致软化区的形成。由图1(e)所示的A6N01铝合金母材的金相组织可见，母材为原始轧制状态组织。图2所示为A6N01铝合金母材、热影响区和焊缝的TEM像。由图2(a)母材的TEM明场相可见，在晶内析出的β′(Mg2Si)过渡强化相呈短棒状，其长轴约为90nm，直径约为40nm。由于Mg、Si原子扩散进入到沉淀相中以化合物形式析出，从而使β′强化相附近较宽范围内形成了无沉淀析出区。由图2(b)所示的热影响区的TEM明场相可见，晶内同样析出短棒状的强化相，但短棒的长轴约为1200nm，直径约为550nm，比A6N01铝合金母材的析出相明显粗化，这是表1A6N01铝合金和ER5356焊丝的化学成分Table1ChemicalcompositionsofA6N01aluminumalloyandER5356fillermetalMassfraction/%MaterialAlMgSiZnFeCuMnCrTiA6N01aluminumalloyBal.0.4−0.80.4−0.9≤0.25≤0.35≤0.35≤0.30≤0.30≤0.35ER5356fillermetalBal.4.5−5.5≤0.25≤0.10≤0.40≤0.100.05−0.200.05−0.200.06−0.20表2A6N01铝合金的MIG焊接工艺参数Table2MIGparametersofA6N01aluminumalloyDiameterofweldingwire/mmWeldingcurrent/AWeldingvoltage/VWeldingspeed/(mm·s−1)Argongasflow/(L·min−1)1.2160−18018−206.0−6.514−16中国有色金属学报2012年10月2722在焊接热循环作用下，β′(Mg2Si)过渡强化相长大转变为稳定相β(Mg2Si)所致。β相集聚粗化使弥散分布的强化相数量减少，降低了对HAZα(Al)基体组织的沉淀强化效果。同样由于α(Al)中大量固溶的Mg、Si原子通过扩散进入β相中以化合物形式析出，还降低了基体组织的固溶强化效果。沉淀强化和固溶强化效果的降低引起HAZ的软化。由图2(c)所示的焊缝中心区域的TEM明场相可见，焊缝熔敷金属没有第二相析出。按Al-Mg二元合金平衡相图[17]，焊缝熔敷金属可能析出Al8Mg5金属间化合物，但当Mg含量低于7%时，Al-Mg二元合金在室温时相当稳定，一般不会析出Al8Mg5化合物，特别是ER5356焊丝的Mg含量约在5%左右，焊接时在电弧高温作用下尚有部分Mg元素烧损，并且其他合金元素的含量较低，因此，α(Al)固溶体的过饱和程度不是很高，Al8Mg5析出的倾向较小，在焊缝金属中没有观察到明显的沉淀相析出。由于没有强化相析出，焊缝金属强度不高，成为A6N01铝合金焊接接头的薄弱环节。如果采用小坡口、小间隙的接头设计或采用高能量密度的焊接方法，可以减小焊缝宽度和热影响区宽度，形成硬−软−硬的焊接接头连接形式，既减小了焊缝及热影响区的横截面积，又减少了焊接缺陷产生的几率，提高了生产效率，还使焊缝金属处于三向应力状态，从而提高接头的抗拉强度，因此，研究激光焊接、激光−电弧复合焊接和搅拌摩擦焊接等新型焊接方法对提高高速列车车体焊接结构的质量和制造技术具有重要意义。2.2铝合金的显微硬度A6N01铝合金焊接接头的显微硬度如图3所示。可见，A6N01铝合金焊接接头焊缝的显微硬度远低于母材的，焊缝中心的显微硬度最低，约为65HV。距离焊缝中心10mm区域，显微硬度随距离焊缝中心的图1A6N01铝合金焊接接头中焊缝、熔合区、热影响区的淬火区和过时效区、母材的显微组织Fig.1Microstructuresofweldingmetal(a),fusionzone(b),quenchingzone(c)andover-agingzone(d)ofheat-affectedzone,andbasemetal(e)inA6N01aluminumalloyjoint第22卷第10期杨尚磊，等：A6N01铝合金焊接接头的微观组织与力学性能2723图2A6N01铝合金焊接接头中母材、热影响区和焊缝的TEM像Fig.2TEMimagesofbasemetal(a),heat-affectedzone(b)andweldingmetal(c)inA6N01aluminumalloyjoint增大而快速上升。距离焊缝中心12~18mm热影响区的硬度比焊缝的显著提高。距离焊缝20mm左右，热影响区的显微硬度又有所下降，表明距离焊缝中心2