轨道交通用6N01，7N01铝合金焊接性研究

雷文  田伟明 

中车株洲电力机车有限公司412001

摘要：近年来，列车速度的不断加快，车辆轻量化愈发迫切。在车体制造过程中，铝合金逐渐替代钢铁。现阶段，挤压性能以及综合性能良好的6N01和强度较高的7N01两种轨道交通用铝合金应用前景广阔。但是铝合金的物理和化学性能较为独特，因此在焊接期间存在的难度较大。鉴于此，本文即对轨道交通用6N01，7N01铝合金焊接性展开深入研究。

关键词：轨道交通；6N01，7N01铝合金；焊接性

引言

6N01，7N01铝合金具有性能良好、强度大的特点，其在列车制造中的应用较为广泛，可以促进车体整体制造水平的提高。但与其他材料相比，两种铝合金的物理化学性能特殊，致使焊接工作的开展难度增大。因此，为保证6N01，7N01铝合金能充分运用，相关人员应该加强对其焊接性的研究。

1轨道交通用6N01，7N01铝合金应用情况

近年来，列车提速的实施，使得不锈钢、铝合金等新型轻量化材料在车辆中的应用愈发广泛。不锈钢的密封性较差，在制造160～200km/h的准高速列车中较为适用。而铝合金材料在制作200km/h以上的高速列车中有较强优越性[1]。铝合金车体的安全系数高，通过对型材结构的合理应用，刚度远超于普通碳钢车。因此，在全世界范围内，铝合金车辆的开发制造力度较大，诸如德国、意大利等发达国家，均投入使用铝合金车体。我国铁路领域铝合金材料的应用正处于初步发展阶段，虽然获得的成效良好，但因为我国铝合金高速列车的生产时间偏晚，存在的难度较大，部分研制开发空间大。故而，在本文研究过程中，从车上较为常见的挤压性能、综合性能较好的6N01和强度较高的7N01两种轨道交通用铝合金着手，通过对ER5356焊丝的使用，分别TIG焊接6N01，7N01，同时对焊接接口组织以及力学性能展开深入研究，对接头薄弱环节的形成机理进行合理分析。

2轨道交通用6N01，7N01铝合金焊接性研究

在本次研究中，针对轨道交通用6N01，7N01铝合金焊接性展开研究，主要采取试验的方式，结合具体实验要求，选择合适的材料与方法，并对最终的试验结果展开深入分析，了解两种铝合金的显微组织、力学性能以及断口形貌。

2.1 实验材料

为深入了解轨道交通6N01、7N01铝合金焊接性，在本次研究过程中，主要采取实验的方式进行探究，选择的材料为6N01，7N1铝合金，厚度均为4mm，热处理状态下均为T5，焊丝为ER5356铝镁合金。

2.2 实验方法

在本次研究过程中，选择利用钨极氩气保护焊机，使用对接焊的形式。在焊接之前，打70°V形坡口，利用丙酮将板上的油污全部清理干净，使用砂纸将坡口区月30mm之内的氧化皮清除[2]。针对焊接接头，实验期间可以利用电解抛光的形式，使用体积分数为5%的氢氟酸，以达到快速腐蚀的目的。运用金相显微镜对焊接接头组织仔细观察。焊接接头拉伸性能测试过程中，可以借助电子万能材料试验机辅助完成，并将拉伸速度控制好，通常为3mm/min。在开展硬度测试工作过程中，可以借助HV-1000型维氏硬度辅助，将载荷控制在98N，并对时间严格控制，具体为10s。焊接接头断口形状可以使用电子显微镜辅助完成。

2.3 实验结果分析

（1）显微组织。通过实验了解，在焊缝中心朝两侧位置，具体有焊缝区、熔合区、热影响区。在焊缝中心区，焊接过程中温度较高，焊接之后凝固多在两侧位置，逐步朝着焊缝中心凝固，诸如铸锭凝固等。在中心位置，有树枝状晶形成，并且粒径较为粗大。在熔合区，存在沿着热影响区散热的情况，温度呈梯度。由于板材的厚度较薄，在板材的温度梯度上垂直分布，并且可借助基体金属表面形核以及联生生长，在综合影响下会有等轴细晶生成[3]。

（2）力学性能。通过实验了解，轨道交通用6N01，7N01铝合金在力学性能方面，焊接接头沿着焊缝的方向垂直分布，并且铝合金的硬度分布与中心线为基础，呈现轴对称分布的趋势。其中，6N01铝合金的焊缝中心位置硬度不高，在57HV左右。硬度最低位置，与焊缝之间的距离为9～11mm，在50.8HV左右。母材硬度值在65HV左右，硬度低。通过对7N01铝合金的分析了解，焊缝中心的硬度最低在77HV左右，并且逐步朝着两侧位置扩大，在110HV左右。7N01铝合金硬度最低值比6N01母材硬度值高，由此可以判断，6N01，7N01两种铝合金在硬度方面存在的差异偏大。6N01是Al-Mg-Si系时效强化合金，强化相为Mg2si相。6N01铝合金和ER5356焊丝的成分有三种元素，分别为AI、Mg、Si。通过分析了解，在焊接弧热的不断影响下，焊缝区温度较高，热影响区与焊缝区域较为靠近的位置，Mg、Si等活性较大，冷却时，铝合金焊接冷却速度快。7N01是Al-Zn-Mg系铝合金，Zn、Mg没有太高熔点，在焊接热的作用下会有受损情况出现，所以固溶基体中的Zn、Mg很少形成MgZn

2。并且，7N01铝合金焊接接头的焊缝区形成铸态组织，强化相数目不断下降，效果较差，形成焊缝的软化区。通过拉拔试验，6N01焊接接头的强度在186.7MPa左右，为母材的65.6%。断裂情况在焊缝中心9～11mm位置上出现。7N01焊接接头的平均强度在285.1MPa，为母线的60.3%，断裂情况在焊缝中心出现频率较高。

（3）断口形貌。通过对轨道交通用6N01，7N01铝合金的分析，在断口形貌，母线的拉伸断口属于韧性断裂，韧窝细小且具有较强的均匀性，同时还能呈现出较为明显的撕裂棱。TIG焊接接头拉伸断口属于韧窝状。通过和母材断口分析对比，有河流状花纹出现，6N01铝合金的断口形貌中，母材和TIG焊接的断口全部为韧窝构成，是韧性断裂。但母材大多数是比较小且比较细的韧窝，韧窝内部有第二相颗粒存在，而这也充分表明，TIG焊中有烧损的情况发生，强化相明显减少。

结论：

通过研究得知，6N01，7N01铝合金焊接接头的组成部分有热影响区、熔合区、焊缝区等。焊缝区属于树枝状晶，靠近热影响区有很多柱状形晶，并且热影响区的晶粒较大。同时，通过对6N01，7N01铝合金的分析可知，其焊接性能良好，焊接接头强度较大。但相比之下，7N01焊接强度更高，焊接接头比6N01母材抗拉强度强。在热影响区，6N01铝合金存在软化情况，而7N01没有此类现象发生。针对这一情况，与其成分、焊接热循环的作用有较大联系。从断口形貌分析，两种铝合金母材以及TIG焊接接头的韧性较差，并且会出现断裂情况，焊接接头断裂在硬度最低位置发生概率较高。

参考文献：

[1]魏萍，吴铭方，刘大双等.7N01铝合金焊接接头腐蚀行为研究进展[J].电焊机，2022，52(09)：10-17.

[2]周松，查涛，黄研清等.典型高速列车用6N01铝合金焊接接头的微观组织及疲劳性能[J].中国有色金属学报，2021，31(05)：1253-1260.

[3]张明铭，李鹏伟，杨志勇等.不同时效制度对A7N01S-T5铝合金焊接性的影响[J].金属加工(热加工)，2013，(10)：52-54.