張秀云，吳廣輝，張志堅(jiān)，唐春林

(1湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南株洲412001;2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001)

0 前言

隨著國內(nèi)外軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，為進(jìn)一步高速化、節(jié)能化，對軌道交通用材提出越來越高的要求，鋁合金由于其良好的力學(xué)性能及較小的密度等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用軌道交通行業(yè)［1－2］。6082鋁合金有良好的耐蝕性和加工性能，是目前交通運(yùn)輸車輛的主要焊接結(jié)構(gòu)材料［1－3］。國內(nèi)外對6082鋁合金的研究主要集中在加工工藝、熱處理制度和焊接工藝上［4］。不同焊絲對6082鋁合金焊接接頭組織性能影響的研究鮮少報(bào)道。目前國內(nèi)軌道交通車輛廠家在選擇車體焊接用鋁合金焊絲方面有兩種不同的方案，部分車輛廠家選擇使用ER5356鋁合金焊絲，而另一部分車輛廠家則選擇ER5087鋁合金焊絲。文中以6082鋁合金板材為研究對象，用ER5356和ER5087兩種鋁合金焊絲對其進(jìn)行焊接，采用硬度測試、拉伸性能和顯微組織分析對比方法研究兩種焊接接頭的組織和性能，旨在為6082合金的焊接提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基材采用6082-T6鋁合金板材，厚度為12 mm，采用的焊絲牌號分別為ER5356和ER5087，直徑為 1．6 mm，基材和焊絲主要化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將試樣加工成60o的坡口并進(jìn)行焊前處理，用專用打磨工具清除坡口附近的氧化皮，然后采用機(jī)器人進(jìn)行MIG焊，三層三道焊，焊接工藝參數(shù)見表2。采用數(shù)顯硬度計(jì)測量焊接接頭上的硬度分布，焊接接頭在MTS－810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。采用金相顯微鏡和透射電鏡對焊接接頭不同部位的微觀組織進(jìn)行觀察和分析。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭硬度分布

沿著焊接接頭橫截面中心線按照ISO 9015－1－2001《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn)硬度試驗(yàn)第1部分:弧焊接頭的硬度試驗(yàn)》取樣并進(jìn)行硬度測試，焊接接頭硬度分布如圖1所示。結(jié)果表明，兩種焊絲焊接的接頭硬度沿焊縫中心對稱分布，焊接接頭的硬度低于母材的硬度，焊接接頭硬度的最低點(diǎn)位于離焊縫中心14 mm左右的熱影響區(qū)內(nèi)。不同的是焊接接頭上ER5087焊絲焊縫區(qū)的硬度略高于ER5356焊絲焊縫區(qū)的硬度。

圖1 兩種焊絲焊接接頭的硬度分布

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

按照ISO 4136－2001《金屬材料焊接的破壞試驗(yàn)橫向抗拉試驗(yàn)》進(jìn)行拉伸測試。拉伸試樣沿垂直于焊縫方向的焊件上切取3組試樣，取其平均值，試樣尺寸為300 mm×37 mm×12 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，兩種焊接接頭均斷于熱影響區(qū)，ER5087焊絲焊接的接頭強(qiáng)度高于ER5356焊絲焊接的接頭，其抗拉強(qiáng)度比ER5356焊絲接頭高8 MPa，其屈服強(qiáng)度比ER5356焊絲接頭高13 MPa，而斷后伸長率則基本持平。

2.3 焊接接頭微觀組織

兩種焊絲焊接的接頭微觀組織，如圖2所示。結(jié)果表明，兩種焊絲焊接的焊縫區(qū)和母材區(qū)結(jié)合良好，熱影響區(qū)晶粒組織均呈粗大的柱狀結(jié)晶組織，但ER5087焊絲接頭比 ER5356焊絲接頭晶粒較細(xì)(圖2c)。ER5356焊接的焊縫區(qū)中心呈現(xiàn)部分枝晶狀組織，而ER5087焊接接頭焊縫區(qū)中心呈近似等軸狀晶粒組織，且ER5087焊絲焊縫區(qū)晶粒比ER5356焊絲焊縫區(qū)也相對較細(xì)(圖2e)。

2.4 焊接接頭不同部位透射電子顯微分析

兩種接頭不同部位的透射電子顯微分析結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，基材由鋁基體固溶體、亞微米級的短棒狀相和針片狀析出相β'(Mg2Si)三種物相組成，如圖3a～3b所示。能譜分析表明，短棒狀相是含Cr和Mn的初晶相，電子衍射表明這種針片狀析出相為β'相(圖3d)。兩種焊絲焊接的焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織差別不大，β'析出相明顯粗化，如圖3d箭頭所示。兩種焊絲焊接接頭的焊縫區(qū)顯微組織分別如圖3e和圖3f所示，焊縫的顯微組織均接近單相固溶體組織，其中ER5087焊絲焊縫晶粒比較細(xì)，晶內(nèi)可見一些含Zr元素的質(zhì)點(diǎn)。

表3 兩種焊接接頭的力學(xué)性能

圖2 兩種焊接接頭微觀組織

圖3 焊接接頭不同部位微觀組織

3 分析與討論

3.1 焊接接頭上不同部位的顯微組織特點(diǎn)

焊接過程中，焊絲在電弧作用下溫度高達(dá)1 400～1 600℃［5］，在V形坡口處熔化凝固成焊縫。母材受焊接高溫?zé)崃康挠绊?，從坡口邊緣向母材方向依次?huì)發(fā)生局部熔化、固溶處理、過時(shí)效處理等過程。焊件冷卻時(shí)，焊接熱量沿母材方向和沿焊件下方的鋼制平臺(tái)方向傳導(dǎo)，因金屬導(dǎo)熱系數(shù)高，相應(yīng)的冷卻速度也很高，焊縫與基材的交界區(qū)域沿散熱方向依次出現(xiàn)快速凝固、淬火等過程。因此，焊接接頭焊縫兩側(cè)依次會(huì)形成半熔化區(qū)、淬火區(qū)和過時(shí)效區(qū)。

3.2 力學(xué)性能分析

6082合金為固溶T6時(shí)效狀態(tài)，母材的強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化、Cr和Mn的初晶相強(qiáng)化以及β'(Mg2Si)相析出強(qiáng)化。如上所述，焊接加熱時(shí)，母材受焊接熱量的影響，從焊縫向母材方向依次會(huì)發(fā)生局部熔化、固溶處理、過時(shí)效處理等過程，之后過渡到基體區(qū)?？拷缚p的淬火區(qū)，溫度很高，基材發(fā)生重新固溶變?yōu)楣倘荏w，半熔合部位既不是焊絲的成分，也不是原始基材的成分，而是焊絲與基材金屬形成的一種交混合金。從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，兩種焊接接頭的半熔合部位均在靠焊縫側(cè)出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象(圖2)，因此該區(qū)域可能成為焊接接頭的一個(gè)薄弱地帶(距焊縫中心10～14 mm之間，離焊縫中心越遠(yuǎn)，其硬度越低)。介于淬火區(qū)和基材區(qū)之間的區(qū)域，因溫度低于合金的固溶溫度但高于基材T6處理時(shí)的時(shí)效溫度而發(fā)生過時(shí)效。時(shí)效析出的晶粒相對粗化，使該區(qū)域發(fā)生了軟化現(xiàn)象，但其硬度仍比半熔合部位高(距焊縫中心14～30 mm之間，其硬度逐漸升高)。因此，拉伸斷裂時(shí)，斷口位于熱影響區(qū)的半熔合部位。

焊縫的強(qiáng)化來源于細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散相強(qiáng)化，因此可利用細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和初晶相彌散強(qiáng)化來提高焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。兩種焊絲中較高的鎂含量保證了焊縫金屬的固溶強(qiáng)化。ER5087焊絲中含有Zr元素，微量的Zr元素使得焊縫凝固過程中會(huì)優(yōu)先析出一次初生的Al3Zr相質(zhì)點(diǎn)，初生Al3Zr粒子為四方 DO23型結(jié)構(gòu)，a=0．401 3 nm ，c=1．732 nm ，與 Al晶體結(jié)構(gòu)極為相似，這種質(zhì)點(diǎn)是α(Al)結(jié)晶時(shí)的理想晶核［6］，可以起到非均質(zhì)晶核的作用，熱影響區(qū)半熔合部位及焊縫區(qū)晶粒組織得以細(xì)化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在熱影響區(qū)的半熔合部位ER5087焊絲接頭相比ER5356焊絲接頭晶粒較細(xì)。而晶粒細(xì)化強(qiáng)化了焊接接頭的力學(xué)性能，提高了焊接構(gòu)件在服役過程中的安全性。

4 結(jié)論

(1)由于ER5087焊絲中微量Zr元素細(xì)化了焊縫晶粒，ER5087焊接接頭焊縫區(qū)晶粒相對于ER5356焊接接頭焊縫晶粒較細(xì)。

(2)ER5087焊絲焊接的焊縫硬度高于ER5356焊絲焊接的焊縫硬度。ER5087焊絲焊接的接頭比ER5356焊絲焊接的接頭平均強(qiáng)度高，但其斷后伸長率則相近。