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用于高速列车车体的A6N01铝合金激光焊接技术研究

2009-05-20 来源:

    大型铝合金型材是高速列车制造的关键材料,国际上最新制造的高速列车车体一般采用了铝合金制造工艺。由于车体采用了大型铝合金挤压型材,车体的自重大幅度降低,不仅具有减重性好、耐蚀性好、运行性好、加工性好、产品质量高、寿命周期成本低等优点,而且维修费低、节能,满足了再制造、再使用等可持续发展的要求。

    研究先进的铝合金焊接技术是高速列车制造的关键,作为先进焊接技术的激光焊接铝合金的优点是能量密度高、焊接变形小、热影响区小。

    由于A6N01铝合金焊接接头的MIG焊接热影响区宽,存在较严重的软化现象,因此本文对A6N01铝合金的激光焊接工艺及其焊接接头成形与显微硬度进行了研究。

试验材料与方法

试验材料

    试验用材料为国产A6N01铝合金,供货状态为T5(即由高温成型过程中冷却,然后进行人工时效的状态),厚度3mm。其成分如表 1 所示。

焊接工艺

    激光脉冲焊接工艺主要通过改变电流、脉宽和频率来进行控制。实验时固定两个参数,通过改变其他一个参数来考察焊接成形和接头性能。各焊接工艺参数如表2所示,焊接速度1.5 mm/s,保护气流量15 L/min,焊接时不添加焊丝。

测试方法

    焊接接头使用HV-1000 型维氏硬度计进行硬度测试,载荷9.8N,加载时间10s。显微观察试样采用 0.5 %的氢氟酸进行腐蚀,使用XJP-2型金相显微镜观察金相组织。

试验结果与分析

焊接参数对焊缝成形的影响

    测量在各参数条件下所得到的焊缝的宽度和熔深如图1所示。可以看出:在三组试验中,焊缝熔深和宽度都有先增大后减小,在某一处出现峰值的趋势,但熔深的变化较小,此特点在第三组试验最为明显,如图3c所示,频率的增加对焊缝宽度的影响很小,因为频率的增加不会增加单个脉冲的能量。由此可见,提高功率密度可以增加熔深,但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后,熔深反而减小,这是因为过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。铝合金的蒸发潜热比熔化潜热的20倍还多(Lf=397 KJ/Kg,Lv=9492 KJ/Kg)。这就意味着,金属液体蒸发所需的能量要比固态金属熔化所需的能量多的多。因此,脉冲能量的增加不但没有使熔深和宽度增加,反而由于能量的增加使金属液体蒸发,吸收和带走了部分能量而使熔深和宽度减小。此外,这还与铝合金的激光反射增强有关。

焊缝的显微硬度

    沿垂直焊缝方向测量显微硬度,焊接接头硬度分布如图2所示。

    由图2可见,A6N01铝合金焊接接头的硬度在焊缝中心位置最低,硬度值为62HV。在距离焊缝中心0.5 mm区域的硬度值随距离增大其硬度值有较大增加。距离焊缝中心0.5~1.25mm的热影响区区域,虽然硬度比焊缝高,但接头硬度又比近缝区有所下降。在1.25~1.5mm区域,接头硬度增大,在离焊缝中心约1.75mm的热影响区硬度降低,表明存在软化区。距离焊缝中心2.5mm之后的区域硬度恢复到母材硬度,表明焊接接头的热影响区宽度约2mm。

显微组织

    A6N01铝合金激光焊接金相组织如图3所示,从图3a可观察到焊接熔池的凝固过程是从熔池边界开始的,焊缝金属结晶与母材基底相联系,以母材晶粒外延而生长,即其凝固方式为外延结晶。图3b为母材的显微组织,晶粒呈等轴晶,较为细小。图3c为热影响区的显微组织,晶粒发生了长大现象。在晶粒长大时,晶界总面积减小,也就是多边的大晶粒吞并小晶粒。晶粒的粗化不仅影响焊接接头的性能,使其强度和硬度降低,同时也增大了产生裂纹的倾向。A6N01铝合金的强化相为Mg2Si,在显微组织中呈黑色的第二相。焊缝金属由于Mg元素的烧损和加热熔化而使强化相减少并溶入到金属基体中,在焊缝中已经观察不到Mg2Si强化相的存在。在熔合线附近和热影响区的强化相也相应减少,从而使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。

结论

    (1) 焊缝熔深和宽度随功率的增加都有先增大后减小,在某一处出现峰值的趋势,但熔深和宽度不同的是熔深的变化较小。提高功率密度可以增加熔深,但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后,熔深反而减小,原因是过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。

    (2)A6N01铝合金焊接接头的硬度以焊缝为中心呈对称分布,变化趋势是先增加后降低,接着又恢复到母材的硬度值。焊缝区硬度比母材硬度低,在焊缝中心位置硬度最低。在离焊缝中心约1.75 mm的热影响区存在软化区。焊接接头的热影响区很窄,约2 mm。

    (3)焊接熔池的凝固以外延结晶方式进行,热影响区的晶粒粗化。在焊接热循环的作用下,Mg部分烧损以及焊缝中第二相Mg2Si溶入基体金属,使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。   ■

 (作者:杨尚磊,孟立春,吕任远 /南车四方机车车辆股份有限公司技术中心;林庆琳,陈东方/青岛科技大学材料学院)

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    大型铝合金型材是高速列车制造的关键材料,国际上最新制造的高速列车车体一般采用了铝合金制造工艺。由于车体采用了大型铝合金挤压型材,车体的自重大幅度降低,不仅具有减重性好、耐蚀性好、运行性好、加工性好、产品质量高、寿命周期成本低等优点,而且维修费低、节能,满足了再制造、再使用等可持续发展的要求。

    研究先进的铝合金焊接技术是高速列车制造的关键,作为先进焊接技术的激光焊接铝合金的优点是能量密度高、焊接变形小、热影响区小。

    由于A6N01铝合金焊接接头的MIG焊接热影响区宽,存在较严重的软化现象,因此本文对A6N01铝合金的激光焊接工艺及其焊接接头成形与显微硬度进行了研究。

试验材料与方法

试验材料

    试验用材料为国产A6N01铝合金,供货状态为T5(即由高温成型过程中冷却,然后进行人工时效的状态),厚度3mm。其成分如表 1 所示。

焊接工艺

    激光脉冲焊接工艺主要通过改变电流、脉宽和频率来进行控制。实验时固定两个参数,通过改变其他一个参数来考察焊接成形和接头性能。各焊接工艺参数如表2所示,焊接速度1.5 mm/s,保护气流量15 L/min,焊接时不添加焊丝。

测试方法

    焊接接头使用HV-1000 型维氏硬度计进行硬度测试,载荷9.8N,加载时间10s。显微观察试样采用 0.5 %的氢氟酸进行腐蚀,使用XJP-2型金相显微镜观察金相组织。

试验结果与分析

焊接参数对焊缝成形的影响

    测量在各参数条件下所得到的焊缝的宽度和熔深如图1所示。可以看出:在三组试验中,焊缝熔深和宽度都有先增大后减小,在某一处出现峰值的趋势,但熔深的变化较小,此特点在第三组试验最为明显,如图3c所示,频率的增加对焊缝宽度的影响很小,因为频率的增加不会增加单个脉冲的能量。由此可见,提高功率密度可以增加熔深,但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后,熔深反而减小,这是因为过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。铝合金的蒸发潜热比熔化潜热的20倍还多(Lf=397 KJ/Kg,Lv=9492 KJ/Kg)。这就意味着,金属液体蒸发所需的能量要比固态金属熔化所需的能量多的多。因此,脉冲能量的增加不但没有使熔深和宽度增加,反而由于能量的增加使金属液体蒸发,吸收和带走了部分能量而使熔深和宽度减小。此外,这还与铝合金的激光反射增强有关。

焊缝的显微硬度

    沿垂直焊缝方向测量显微硬度,焊接接头硬度分布如图2所示。

    由图2可见,A6N01铝合金焊接接头的硬度在焊缝中心位置最低,硬度值为62HV。在距离焊缝中心0.5 mm区域的硬度值随距离增大其硬度值有较大增加。距离焊缝中心0.5~1.25mm的热影响区区域,虽然硬度比焊缝高,但接头硬度又比近缝区有所下降。在1.25~1.5mm区域,接头硬度增大,在离焊缝中心约1.75mm的热影响区硬度降低,表明存在软化区。距离焊缝中心2.5mm之后的区域硬度恢复到母材硬度,表明焊接接头的热影响区宽度约2mm。

显微组织

    A6N01铝合金激光焊接金相组织如图3所示,从图3a可观察到焊接熔池的凝固过程是从熔池边界开始的,焊缝金属结晶与母材基底相联系,以母材晶粒外延而生长,即其凝固方式为外延结晶。图3b为母材的显微组织,晶粒呈等轴晶,较为细小。图3c为热影响区的显微组织,晶粒发生了长大现象。在晶粒长大时,晶界总面积减小,也就是多边的大晶粒吞并小晶粒。晶粒的粗化不仅影响焊接接头的性能,使其强度和硬度降低,同时也增大了产生裂纹的倾向。A6N01铝合金的强化相为Mg2Si,在显微组织中呈黑色的第二相。焊缝金属由于Mg元素的烧损和加热熔化而使强化相减少并溶入到金属基体中,在焊缝中已经观察不到Mg2Si强化相的存在。在熔合线附近和热影响区的强化相也相应减少,从而使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。

结论

    (1) 焊缝熔深和宽度随功率的增加都有先增大后减小,在某一处出现峰值的趋势,但熔深和宽度不同的是熔深的变化较小。提高功率密度可以增加熔深,但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后,熔深反而减小,原因是过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。

    (2)A6N01铝合金焊接接头的硬度以焊缝为中心呈对称分布,变化趋势是先增加后降低,接着又恢复到母材的硬度值。焊缝区硬度比母材硬度低,在焊缝中心位置硬度最低。在离焊缝中心约1.75 mm的热影响区存在软化区。焊接接头的热影响区很窄,约2 mm。

    (3)焊接熔池的凝固以外延结晶方式进行,热影响区的晶粒粗化。在焊接热循环的作用下,Mg部分烧损以及焊缝中第二相Mg2Si溶入基体金属,使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。   ■

 (作者:杨尚磊,孟立春,吕任远 /南车四方机车车辆股份有限公司技术中心;林庆琳,陈东方/青岛科技大学材料学院)