高速列车6005A-T6厚板焊接工艺
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高速列车6005A-T6厚板焊接技术介绍
第31卷第10期2010年10月
东北大学学报(自然科学版)Vol.31,No.10高速列车用6005A铝合金厚板的焊接工艺
季 凯,祖国胤,姚广春
(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳 110004)
摘 要:采用半自动MIG焊完成了厚度为12mm的6005A-T6铝合金板材的连接,通过正交试验研究了焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度及焊缝表面质量的影响 结果表明,各工艺参数对焊接接头抗拉强度影响显著性从大到小依次为:焊接电流,焊接电压,焊接速度和预热温度 考虑焊缝表面质量因素,各工艺参数影响显著性从大到小依次为焊接速度、预热温度和焊接电流 本研究条件下最佳MIG焊接6005A-T6板材的工艺参数为:预热温度200℃,焊接电流180A,焊接电压18畅0V,焊接速度12mm/s 焊接后试样接头热影响区内晶粒平均尺寸小于5μm,且无过分长大现象 焊接后板材拉断时为韧性断裂 关 键 词:6005A铝合金;MIG焊;抗拉强度;焊缝表面成形
中图分类号:TG401 文献标志码:A 文章编号:1005-3026(2010)10-1457-05
WeldingParametersof6005AAluminumAlloyforNewHigh-SpeedTrain
JIKai,ZUGuo-yin,YAOGuang-chun
(SchoolofMaterials&Metallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China.Correspondent:JIKai,E-mail:jikai1457@163.com)
Abstract:The12mm-thick6005A-T6aluminumalloywasweldedwithER5356wirebysemi-automaticMIGwelding,andtheeffectsofmainweldingparametersonthetensilestrengthofweldjointsandsurfacequalityofweldswereinvestigatedbyorthogonaltests.Theresultshowedthattheinfluencingfactorsonthetensilestrengthofweldjointscanberankedwiththesignificanceofdifferenceconsidered,asfollows:weldingcurrent,weldingvoltage,weldingspeedandpreheatingtemperature,whiletherankingsoftheinfluencingfactorsonthesurfacequalityofweldsare:weldingspeed,preheatingtemperatureandweldingcurrent.TheoptimalMIGweldingparametersforthe6005A-T6platesare:weldingcurrent180A,weldingvoltage18畅0V,weldingspeed12mm/sandpreheatingtemperature200℃.Afterwelding,thereisnoovergrowngrainfoundedintheheataffectedzone(HAZ)ofthealloyspecimens,wheretheaveragegrainsizeislessthan5μm.Typicallytheweldedplatesshowductilefracturepatternifbeingpulledapart.
Keywords:6005Aaluminumalloy;MIG(metalinert-gas)welding;tensilestrength;weldsurfaceformation
轻量化是高速列车车体制造领域的发展趋势 随着近年来我国高速列车通车里程的迅猛增长,列车时速的不断提高,对高速列车车体材料的综
[1]
合性能提出了越来越高的要求 6005A铝合金是一种典型的Al-Mg-Si系中等强度铝合金,因其具有优异的成型性、良好的焊接性,适宜的经济
性,现已被广泛应用于国产新型高速列车上
6005A铝合金在应用于车体制造时需要大量使用焊接技术进行连接,为适应该类合金在高速列车制造领域更大规模应用的需求,深入研究可靠性高、重现性好、接头性能理想的材料焊接技术具有现实意义和科学价值
[2-3]
收稿日期:2010-07-08
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774021);国家高技术研究发展计划项目(2004AA33G060) 作者简介:季 凯(1980-),男,江苏海门人,东北大学博士研究生;姚广春(1947-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师
高速列车6005A-T6厚板焊接技术介绍
车体材料6005A铝合金熔焊过程的难点在于其表面存在致密的氧化膜,这层氧化膜热导率高,热膨胀系数大,在熔化状态下对氢及其他气体
[4]
有很高的溶解度 另外,焊后合金接头区域凝固阶段裂纹的形成及扩展也是影响其使役性能的主要因素 目前,国内外对搅拌摩擦焊焊接车体铝合金材料的研究报道较多,研究也相对成熟 但搅拌摩擦焊焊接结构的形式比较单一,效率也较熔焊低,成本高,当前尚不适于规模化工业应用 因此在传统MIG电弧焊基础上摸索适宜的工艺[5]
表1 焊接工艺的正交试验方案
序号-1
℃1
234
180200220240
15182124.0.0.0.0
6
91215
150200250300
2 实验结果及讨论
参数,克服搅拌摩擦焊不能焊接大尺寸试样的缺点,是当前高速列车车体用铝合金材料焊接领域研究的热点方向
本文以ER5356焊丝匹配焊接12mm厚的6005A-T6铝合金板材,通过正交试验设计研究了焊接工艺参数对接头拉伸性能以及焊缝表面质量的影响,分析了接头区域的显微组织与力学性能间的关系 论文研究结果可为高速列车用铝合金材料MIG焊接工艺提供参考,具有一定的工程应用价值
1 实验设计
采用半自动MIG焊接法焊接12mm厚的
6005A-T6铝合金板材,6005A铝合金的主要成分(质量分数,%):Si0.8,Fe0.35,Mn0.75,Mg0.93,Cr0.17,Al余量 焊丝选用国产ER5356,主要成分:Si0.25,Fe0.33,Cu0.1,Mn0.23,Mg5畅3,Cr0.1,Al余量 焊接试板尺寸为100mm×100mm×12mm,焊接方式为单面焊,中间开U型坡口,坡口倾角60° 焊接后的板材沿垂直于焊缝方向截取拉伸试样 在WEW-1000B型万能材料试验机上测试拉伸试样的主要力学性能,拉伸速度为1mm/min 采用Canon95型数码相机拍摄合金板材的实物照片SSX分析元素分布特点-550型扫描电镜上观察焊接接头断口形貌,观察焊缝表面质量 在
,通过前期探索性试验,发现影响6005A铝合金MIG焊焊接效果的工艺因素较多,主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热温度、送丝速度、保护气体流量及多道焊等[6-7] 例如,研究表明氩气流量为14L/min,采用3道焊制度可以达到细化焊接组织晶粒的目的 本文以焊后6005A铝合金板材的抗拉强度和焊接接头表面质量为考察对象,在借鉴已有铝合金焊接工艺研究成果的基础上,设计了如表1所示的以焊接电流、焊接电压、焊接速度和预热温度等为变量的正交试验方案
2.1 工艺参数对合金焊接接头抗拉强度的影响根据正交试验制得的16种铝合金焊接试样力学性能的测试数据,通过计算得到了反映焊接工艺参数对合金抗拉强度的影响因子K值与R值,相关测试数据及计算结果见表2
Table表22 焊接工艺对抗拉强度影响的正交试验表Orthogonaltestresultsofeffectsofwelding
序焊接焊接焊接预热
焊接σ号σ0.2Δ%180156-1℃%
11502181459.776.4921801892002301589.380.70318021122502171489.476.14418024153002151498.675.4452001592502091368.973.3362001863002171439.076.14720021151502101399.273.68820024122002101389.573.68922015123002041357.971.581022018152502101389.773.681122021620019912911.369.82122202491501911259.467.021324015152001931259.667.721424018121502041308.971.581524021930019412410.068.0716
240
24
6
250
184
117
9.264
.56
K1
K220.0206.0
204.5
205.8
2K211.5215.2206.0208.03K201R
4193.205208205207.26.2.08200.15.2.00207.84.3.03.0
.00通过对不同焊接工艺下6005A铝合金板材接头抗拉强度的极差分析,可以发现焊接电流和焊接电压对焊接试样抗拉强度的影响较为显著 当焊接电流为180A时,焊接试样的抗拉强度平均值可达到220MPa 随着焊接电流增加,焊接试
样抗拉强度随之减小,当焊接电流为240A时,其抗拉强度降至200MPa以下 出现这种现象的原因在于铝合金MIG焊采用直流反接焊接,当焊接
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电流适宜时,熔透能力较为理想且阴极雾化效应
[8]
好,有利于焊接 但过大的焊接电流则会使焊接过程中铝合金发生严重氧化,导致晶粒疏松,直接影响焊接强度 焊接电压主要通过改变电弧长度来调节焊缝宽度,从而影响焊接强度 电弧太长,则电弧挺度不足,熔滴过渡时易产生飞溅,对电弧中的熔滴和熔池中熔化的金属保护不良,导致焊缝产生气孔 而电弧太短,熔滴向熔池过渡时容易产生短路,导致熄弧,使电弧不稳定,从而影响焊缝质量
工艺为:预热温度200℃,焊接电流180A,焊接电压18畅0V,焊接速度12mm/
s
由表2可知,焊接速度对焊后6005A铝合金板材抗拉强度的影响相对较小 随焊接速度的提高,焊接接头的抗拉强度先上升后下降,但强度值变化在10MPa以内,焊接速度为12mm/s时,接头的抗拉强度达到最大值 在热输入不变的条件下,焊接速度过快易使连接区域产生咬边、未熔合、未焊透等缺陷;焊接速度过慢则不但直接影响生产率,而且还可能导致烧穿、焊接变形过大等问题 相比之下,预热温度对6005A铝合金板材焊后接头抗拉强度的影响是最小的,强度水平总体变化不大 对合金板材焊接前进行预热可以减小接头焊后冷却速度,避免产生淬硬组织,减小焊接应力及变形,是避免产生有害焊接裂纹的有效措施2. 2 工艺参数对合金板材焊接表面质量的影响
参照文献[4]中的研究方法,本文根据焊接后板材接头区域的宏观照片,对焊接过程中产生的焊缝热裂纹与焊后表面气孔分别进行了评分 焊缝热裂纹评分标准为0~10分,焊后表面气孔评分标准为0~5分,积分越高表示越易产生焊接缺陷 根据焊接电流、焊接速度、预热温度3个焊接工艺参数选取L9(34)表安排了正交试验,对各种焊接工艺参数对焊缝表面质量的影响进行了直观评价和极差分析
通过图1和表3分析发现,对6005A铝合金板材焊缝表面质量影响由大到小排列依次为焊接速度、预热温度及焊接电流 由表3知焊接速度是影响焊件表观质量最重要的因素,焊接速度从6mm/s提高12mm/s,焊接过程中裂纹产生能力提高8倍 预热温度和焊接电流影响相对较小 因此在焊接6005A铝合金厚板时,选择适宜的焊接速度,并匹配与之相适应的焊接电流和预热温度是获得良好的焊缝表面质量的关键因素
综合各种工艺参数对焊接接头抗拉强度与焊缝表面质量的研究结果,本文实验条件下采用半自动化MIG焊接6005A-T6铝合金板材的最佳
Fig.1 Welding图1 specimens焊接试样图片
inorthogonaltestTable表3 3焊接工艺对焊接表面成形影响的正交试验表 Orthogonalarameterstestonweldresultssurfaceofeffectsformationofwelding
图热裂纹焊接气号1a
180合-1
℃得 分孔得分计6
15064101b18092002131c180122500001d20062000111e20092506171f200121502131g2206250105151h220915082101i22012
2000
0
0
K1K4.38.77.7
2K3.76.71.33R
84..36
17..0776
..34
2.3 6005A铝合金焊接接头的组织与性能
从物理冶金学角度考虑,6005A铝合金中焊接热裂纹成因在于:在焊接热影响下,接头区域主要强化相Mg2Si与游离Si对时效行为较为敏感,易于脱溶析出并易于聚集长大,发生“过时效”软化 这类低熔点软化共晶产物在270℃以上不稳定,在焊接热效应作用下会被排挤在柱状晶体交遇的中心部位,形成液态薄膜 而焊缝凝固过程中由于存在拉伸应力,引发这一薄弱地带开裂而形成结晶裂纹[9] 因此,深入研究焊接前后接头区域的显微组织形貌,观察结晶裂纹的生长情况,分析合金元素对凝固组织及材料性能影响对揭示连
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接机理具有重要意义
图2a为焊后6005A铝合金板材接头区域的显微组织,由图可见在影响区内靠近焊缝的淬火区晶粒沿散热方向呈等轴晶分布,晶粒较细;热影响区靠近基材区的软化区沿散热方向呈柱状晶分布,晶粒较为粗大,实验中测试板材的抗拉强度时材料断裂也大多发生在这一区域 出现这种现象
的原因在于紧靠熔合区的热影响区受到的热循环作用较强,局部区域的峰值温度可达到液相线温度以上,以致出现部分熔化,晶粒粗化较为明显 而根据如图2b所示的最佳焊接工艺条件下的应力-应变曲线可知,焊后6005A铝合金接头抗拉强度能够达到230MPa,屈服强度为158MPa,焊接系数可达到
83畅6%
图2 6005A铝合金焊接接头组织及其拉伸试样的应力-应变曲线Fig.2 Opticalmicrographsandstress-straincurvesofwelded6005Aspecimens
(a)—焊缝组织;(b)—应力-应变曲线
依据传统的移动热源的热传导理论,焊接
热输入量E和软化区宽度h之间的关系为
h=E(UI)2δ2v (1)式中:U为电弧电压;I为焊接电流;δ为板厚;v
为焊接速度
由式(1)可知,焊接接头软化区的宽度受焊接电流和焊接电压影响较大,受焊接速度和焊接热输入量相对较小,这与前面的实测结果相一致 而E不仅与焊接方式有关,还与焊接时预热温度有着密切关系 由此可见,通过优化焊接工艺可以有效地提高氩弧焊在6005A铝合金上的焊接效率,从而扩大6005A铝合金在大型结构件上的应用 2.4 6005A铝合金焊接接头拉伸断口扫描电镜
图3为6005A铝合金板材基体单独拉伸及焊接后拉伸接头的断口形貌 由图3a可知,合金基体拉伸断口表面的平坦区域均匀分布着等轴韧
[10]
窝,表明其断裂形式为延性断裂 由图3b可知焊接后接头断口仍然主要为等轴韧窝,但韧窝的尺寸小于图3a中的断口形态,韧窝的深度也更浅,表明焊接接头区域的塑性要低于基体 在断口的局部区域分布有少量聚集的显微孔洞 显微孔洞的形成与第二相粒子密切相关,接头区域的第二相粒子直接决定着显微孔洞的生核数量 第二相粒子主要为Mg2Si颗粒 焊接后板材在拉伸过程中接头区域第二相粒子本身开裂或粒子与基体表面脱开,造成局部形成应力集中,进而发生断裂破坏 由此可见,第二相粒子Mg2Si颗粒的数量及分布的均匀性对焊接接头的力学性能具有显著影响 总体而言,焊接后合金板材的断裂方式为韧性断裂,通过调整合金成分及优化焊接工艺,达到调整接头区域第二相粒子Mg2Si颗粒的含量与分布状态是提高接头力学性能的有效途径
[11]
图3 6005A铝合金基体及焊接后拉伸接头的断口形貌Fig.3 SEMimagesoffracturesofalloymatrixandweldjoint
(a)—基体;(b)—接头
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3 结 论
1)采用半自动MIG焊可完成高速列车用6005A铝合金厚板的有效连接 最佳的焊接工艺条件为:预热温度200℃,焊接电流180A,焊接电压18畅0V,焊接速度12mm/s 最佳焊接工艺条件下接头的抗拉强度可达230MPa,焊接系数为83畅6%
2)通过正交试验考察了主要焊接工艺参数对接头抗拉强度及焊缝表面质量的影响 发现按-MIG复合焊焊缝成形的影响[J] 焊接,2008,7:25-32 (LeiXiang,ShanJi-guo,ZhengShi-qing,etal.InfluenceofCO2laser-MIGhybridweldingprocessonweldformationof-32.)
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3)焊接后的6005A铝合金厚板在拉断时断口表面分布有大量细小的等轴韧窝,韧窝底部可见第二相粒子Mg2Si颗粒 试样的拉断方式为韧性断裂 参考文献:
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