不同MIG焊方法对7N01-T4铝合金焊接接头力学性能的影响

夏 宁，金文涛，杜 刚，周成候，葛怀普，苟国庆

（1.南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031）

不同MIG焊方法对7N01-T4铝合金焊接接头力学性能的影响

夏 宁1，金文涛1，杜 刚1，周成候1，葛怀普1，苟国庆2

（1.南车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都 610031）

采用硬度、拉伸和微型剪切试验研究了轨道列车用7N01-T4铝合金在单脉冲MIG焊、双脉冲MIG焊和超威弧MIG焊三种焊接工艺条件下焊接接头的力学性能。结果表明：双脉冲MIG焊焊接接头系数要高于单脉冲焊和超威弧焊；双脉冲焊和超威弧焊比单脉冲焊的热影响区宽度要窄；超威弧焊接接头的韧性和塑性均要优于双脉冲接头和单脉冲接头。超威弧MIG焊接方法可以改善铝合金焊接接头整体性能。

7N01-T4铝合金；熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）；焊接接头；力学性能

0 前言

在我国的轨道列车铝合金车体生产中，使用最多的焊接方法是MIG焊，多采用手工操作的半自动焊和机械手操作的自动焊[1-3]，基本上都采用直流反接焊接，可以得到阴极雾化作用，由于没有钨极烧损问题，所以能够用较大电流，这种焊接方法应用方便、效率高。MIG焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接，目前铝合金车体MIG焊接多采用单脉冲MIG焊，该方法可以加大电流调节范围，获得较小的平均电流，从而有效的控制了焊接热输入量，这对铝合金焊接工艺调整及改善焊接接头质量特别有利。近年来，从国外发展起来的双脉冲MIG焊和超威弧MIG焊工艺方法对提高铝合金焊接生产效率和改善焊接接头性能起到了良好作用[4-5]。本研究拟利用单脉冲、双脉冲和超威弧三种MIG焊接方法对轨道列车用可焊Al-Zn-Mg系7N01-T4铝合金进行焊接，研究不同焊接方法对7N01-T4铝合金焊接接头力学性能的影响，为实际生产中进一步优化铝合金车体焊接工艺，提高铝合金车体焊接质量提供基础数据。

1 试验材料和方法

试验材料选用轨道列车用高强铝合金型板材A7N01-T4（T4为固溶处理后不经冷加工，只经自然时效至基本稳定状态）。试板尺寸300mm×200mm× 6 mm，焊丝选用ER5356，直径φ1.6 mm，保护气为纯度99.99%的氩气，焊接设备为德国EWM公司的PHOENIX系列421 EXPERT forceArc MIG焊机。按GB/T985.3-2008《铝合金及铝合金气体保护焊的推荐坡口》采用带钝边的V型坡口，单面焊双面成形。7N01-T4和焊丝化学成分见表1，焊接工艺参数见表2。

铝合金焊接接头硬度测试采用HV-10B维氏硬度计进行测量，测量载荷为10 kg，载荷持续时间为15 s，硬度点之间的间隔距离为1 mm；采用由WDW3100微机控制的电子万能试验拉伸机进行拉伸实验，拉伸速率为1mm/min；采用HITACH1S-3400N型描电镜观察拉伸断口；采用专用微型剪切试验机获取焊接接头各区域的剪切强度、韧性和塑性指标。

2 试验结果和分析

2.1 硬度测试结果和分析

不同MIG焊方法焊接7N01-T4铝合金得到的接头的硬度分布如图1所示。三种不同焊接方法整体上可以看出，焊缝中心部位硬度值最低，随着远离焊缝中心，硬度值增加。焊缝区硬度值在HV80～90间变化，热影响区硬度值维持在HV115～125，热影响区未出现明显的软化现象，而母材区硬度值约为135HV。对于7N01-T4铝合金焊接接头没有出现明显软化区的现象，这是因为7N01-T4铝合金焊后热影响区有较强的固溶后自然时效效应，硬度实验是在经过一段时间的停放后进行的，所以软化区的硬度会有一定程度上的恢复，从而导致软化现象不明显。从图1中还可以看出，双脉冲焊和超威弧焊比单脉冲焊的热影响区的宽度略窄。

2.2 拉伸试验结果及分析

7N01-T4铝合金焊接接头拉伸试验结果见表3。7N01-T4铝合金板材的抗拉强度为439 MPa，超威弧和双脉冲焊接得到的接头焊接系数都比单脉冲得到的接头系数要高。拉伸试样的断裂部位都是焊缝中心或熔合线附近焊缝侧。

扫描电镜下三种MIG焊方法拉伸断口都是明显的等轴韧窝形貌，如图2所示。这是在正拉应力作用下塑性变形，以微孔聚集并长大而形成。韧窝底部一般都有夹杂物存在，有颗粒状也有块状。三种MIG焊方法中，双脉冲拉伸断口韧窝底部夹杂相对较少，韧窝更小且多呈规则的圆形。

2.3 微型剪切测试结果及分析

7N01-T4不同MIG焊方法的微剪性能梯度曲线如图3所示，三种MIG焊方法得到的焊接接头焊缝处剪切强度最低，随着远离焊缝中心，剪切强度增加，到母材处该值趋于稳定，这也和前面的硬度实验得出的结论较为相似。

三种方法得到的焊接接头中，都没有发现热影响区软化区的存在，这与之前的硬度实验结果相吻合。热影响区宽度是单脉冲最宽，约为26 mm，双脉冲焊和超威弧焊都减小了热影响区宽度，尤其是超威弧焊接接头，热影响区宽度只有6 mm左右，这对提高焊接接头的整体性能有着极大的意义。

韧性梯度曲线中，7N01-T4铝合金单脉冲焊接试件焊缝处的韧性整体水平要比热影响区高，但比母材韧性要低；双脉冲焊接提高了接头热影响区的韧性水平，使其接近焊缝区的韧性值，但母材韧性水平仍是接头中最高的；采用超威弧焊接的整个焊接接头中的韧性水平都比较平稳，焊缝处剪切功值稍低，除了热影响区中出现了一个剪切功的较高值外，整个接头剪切功的值波动较小，说明整个接头部位韧性水平比较接近，超威弧技术对改善接头韧性水平起到了一定作用。

塑性梯度曲线中，7N01-T4铝合金三种焊接方法焊接接头焊缝处的剪切截面压入率都是最高的，说明焊缝区塑性水平最高的[6]。双脉冲和单脉冲接头各区的值相近，双脉冲焊对接头的塑性的改善有限。超威弧试件的塑性水平相比单脉冲和双脉冲试件，整体得到了提高。可见，超威弧MIG焊方法除了能改善铝合金焊接接头焊缝区和热影响区的韧性水平，还能提高接头的塑性，从而提高焊接接头的整体性能。

3 结论

（1）三种焊接方法的接头硬度曲线相近，没有明显的软化区，双脉冲焊和超威弧焊比单脉冲焊的热影响区宽度要略窄。

（2）双脉冲和超威弧焊接得到的接头焊接系数都比单脉冲的接头焊接系数要高，拉伸试样的断裂部位都是焊缝中心或熔合线附近焊缝侧。

（3）三种MIG焊方法得到的焊接接头焊缝处剪切强度最低，随着远离焊缝中心，剪切强度增加，到母材处该值趋于稳定。

（4）单脉冲焊缝处的韧性整体水平要比热影响区高，但低于母材；双脉冲热影响区的韧性水平接近焊缝区，但低于母材；超威弧整个焊接接头的韧性水平都比较平稳。

（5）双脉冲和单脉冲接头的塑性相近，而超威弧接头的塑性水平要高于单脉冲和双脉冲接头。超威弧焊接方法可以改善焊接接头整体性能。

[1]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 王炎金.铝合金车体焊接工艺[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]王元良，陈 辉.高速列车铝合金车体的焊接技术[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[4]谢剑和，陈 辉，赵军静.双脉冲MIG焊对5052铝合金焊接接头力学性能的影响[J].电焊机，2011，41（4）：81-85.

[5] Potluri N B，Ghosh P K，Gupta P C，et al.Studies on weldmetal characteristics and their influence on tensile and fatigue properties of pulsed current GMA welded Al-Zn-Mg alloy[J].Welding Journal，1996，75（2）：62-70.

[6] 雷斌隆.高速车辆铝合金焊接接头的性能评定[J].电焊机，2004，34（4）：6-7.

Influence of mechanical properties of 7N01-T4 aluminum alloy welded joints by different MIG welding technology

XIA Ning1，JIN Wen-tao1，DU Gang1，ZHOU Cheng-hou1，GE Huai-pu1，GOU Guo-qing2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 266111，China；2.Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The 7N01-T4 aluminum welded joints of single pulse MIG welding technology，double pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology were researched by hardness，tensile strength and micro cut technology.The results showed that the joints coefficient of double pulse MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology.The width of HAZ of double pulse MIG welding technology and force-arc MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology.The toughness and plasticity of force-arc MIG welding technology were higher than single pulse MIG welding technology and double pulse MIG welding technology.The force-arc MIG welding technology can improve the mechanical properties of aluminum alloy welded joints.

7N01-T4 aluminum alloy；metal inert gas welding（MIG）；welded joint；mechanical properties

TG407

：A

：1001-2303（2014）02-0074-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.17

2013-10-16

铝合金焊接接头疲劳性能研究（KJ12-38C012）

夏 宁（1974—），女，辽宁本溪人，学士，高级工程师，主要从事高速列车焊接方面的工作。