高速列车铝合金材料焊接热裂纹倾向研究优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 高速列车铝合金材料焊接热裂纹倾向研究 research on welding hot cracking of high speed train aluminum alloy 刘昊元 刘昊元 哈尔滨工业大学 2009 年 6 月 国内图书分类号：tg404 学校代码：10213 国际图书分类号：621.791 密级：公开 工学硕士学位论文 高速列车铝合金材料焊接热裂纹倾向研究 硕 士 研 究 生： 刘昊元 导师： 方洪渊教授 申请学位：工学硕士 学科： 材料加工工程 所在单位： 材料科学与工程学院 答辩日期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tg404 u.d.c: 621.791 dissertation for the master degree in engineering research on welding hot cracking of high speed train alluminum alloy candidate： liu haoyuan supervisor： prof. fang hongyuan academic degree applied for： master of engineering speciality： materials processing engineering affiliation： school of materials science and engineering date of defence： june, 2009 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 铝合金制品具有质轻、美观和耐蚀性好等特点，已成为高速列车车体的首 选材料。国产铝合金高速动车焊接结构在焊接制造加工中，热裂倾向大，尤其 是在熔化焊工艺中，热输入量大，热裂问题非常突出。本文通过一系列试验和 数值模拟计算，研制了专用试验装置，对高速列车a6n01s铝合金材料的焊接 热裂纹倾向性形成和机理进行了深入研究。 通过对热裂纹断口横截面扫描电镜观察、纵向载面能谱分析、高温热模拟 试验下的断口观察，证实a6n01s铝合金焊接热裂纹形成的微观机制是：在焊 缝中心冷却后期的液态薄膜和焊接升温过程中热影响区内第二相mg2si组分液 化形成的液态薄膜，在较小的外加应力作用较快的加载速度下，发生晶界分离 导致开裂。在相同外界的应力拘束条件下，不同材料的热裂纹敏感性决定因素 是其高温的塑性储备。 根据焊接热裂纹的产生的冶金机理和力学条件，设计了专用快速测试材料 热裂纹倾向性的装置，通过试验测试，证明研制的焊接热裂纹倾向测试装置具 有简便、快速、高精度、定量等一系列优点，可以定量检测出母材、焊丝与母 材匹配的热裂倾向，具有很好的通用性和实用性。 通过数值模拟中温度场分析与试验温度场的测量进行比较，验证了两者的 一致性，并确定了试验装置在试验中的相关参数。在已知热裂倾向的材料试验 中，验证了装置测试的准确性。 利用研制的热裂纹倾向试验装置，对日本产jk、国产k4、n7、m3四种 a6n01s铝合金材料焊接热裂纹倾向性进行了检测和评定，结果表明日本材料 jk的裂纹总长度及最大裂纹长度在四种材料中处于较低水平，且裂纹总长度随 变形速率变化不明显，是四种材料中热裂纹倾向最低的材料；利用自行研制的 专用装置进行了系列裂纹倾向检测试验，在不同试验速度区间内，形成了选材 的标准。 关键词：a6n01s；热裂纹；微观机理；数值模拟；装置研制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract aluminum alloys have been widely used in high speed train because of their advantages such as light mass, good performance, and excellent corrosion resistance. but the hot cracking tendency is high in welding process of aluminum alloy trains. the welding hot cracking tendency of a6n01s alloy is studied by fem simulation and experiments in this paper. the micro mechanism of welding hot cracking of a6n01s alloy is studied by sem in the cross section of hot cracking, energy spectrum in the profile secion of hot craking and the fracture surface observation in thermal simulation test. it shows that the hot cracking is formed by stress tensiling on the liquid films, which are formed in the haz by non-equilibrium segregation at the post time of the liquid metal solidification. the key factor of hot cracking tendency for different materials is their plasticity storage at the high temperature. a welding hot cracking tendency fast-test device was designed according to the principle of hot cracking prevention. series of experiments were carried out, the results showed that the device can test the welding hot cracking tendency of aluminum alloy easily and exactly. the parameters in the welding hot cracking tendency fast-test device is determined using numerical simulation. the test of materials which the hot cracking tendency are known is carried out. the accurrency of the device is proved. there are four kind of materials employed in the experiment, one named jk manufactured by japan and other three domestic materials k4, n7, m3. the test results show that, the alloy jk has the lowest hot cracking tendency compared by the single and total cracking length . and also, its total cracking length during the experiment verifies slowly with the test applying velocity. the standard of selecting a6n01s alloy during manufacturing the high speed train can formed at different loading velocity. keywords: a6n01s, hot cracking, micro mechanism, numerical simulation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题来源及选题意义 . 1 1.2 采用模拟方法对焊接热裂纹的研究现状 . 1 1.2.1 数值模拟法 . 2 1.2.2 热模拟法 . 3 1.3 采用试验方法对焊接热裂纹的研究现状 . 5 1.4 本文主要研究内容 . 9 第 2 章 试验材料及热裂纹产生机理分析 . 10 2.1 试验材料 . 10 2.2 a6n01s 铝合金焊接热裂纹机理研究 . 12 2.2.1 焊接热裂纹基础理论 . 12 2.2.2 断口分析 . 13 2.2.3 热影响区晶间液膜形成原因分析 . 14 2.2.4 其它影响因素 . 15 2.3 本章小结 . 16 第 3 章 热裂纹倾向试验装置研制 . 17 3.1 设计思想 . 17 3.2 热裂纹试验装置的总体设计 . 18 3.2.1 机架结构 . 19 3.2.2 传力换向机构 . 20 3.2.3 工作平台 . 21 3.2.4 测速装置 . 21 3.2.5 报警装置 . 22 3.3 热裂纹试验装置试验方法 . 22 3.4 本章小结 . 23 第 4 章 数值模拟确定试验参数及可行性验证 . 24 4.1 试验装置有限元模型的建立 . 24 4.1.1 几何模型的建立 . 24 4.1.2 网格划分 . 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 4.1.3 材料性能参数 . 25 4.1.4 初始条件 . 26 4.2 热裂纹装置试验过程的模拟仿真 . 27 4.2.1 焊接热分析 . 27 4.2.2 温度场测量验证 . 28 4.2.3 结构场分析 . 30 4.3 已知热裂纹倾向材料试验测试 . 32 4.4 本章小结 . 32 第 5 章 a6n01 铝合金热裂纹倾向性测试 . 34 5.1 不同厂家 a6n01s 型材热裂纹倾向性测试 . 34 5.1.1 试验方案 . 34 5.1.2 试验结果 . 35 5.1.3 对比分析 . 36 5.2 相同母材不同焊丝热裂纹倾向性试验 . 39 5.2.1 试验材料及方法 . 39 5.2.2 试验结果与分析 . 40 5.3 相同焊丝不同母材热裂纹倾向性试验 . 41 5.3.1 试验材料及方法 . 41 5.3.2 试验结果与分析 . 41 5.4 本章小结 . 43 结 论 . 44 参考文献 . 45 附 录 . 49 读学位期间发表的学术论文及其它成果 . 59 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 60 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 60 致 谢 . 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题来源及选题意义 随着高速公路和航空运输业的快速发展，铁路运输在世界范围内面临着巨 大的挑战，发展高速铁路现已成为世界铁路客运发展的共同趋势。轻量化是列 车实现高速运行的必要条件。在确保车体强度、刚度的前提下，减轻车体、车 内设备以及走行部分的重量，不仅可以减少原材料的消耗，还有利于降低牵引 功率，提高列车运行速度，改善列车启动和制动性能1。 轻量化技术的主要措施之一是采用铝合金车体。铝合金制品具有质轻、美 观和耐蚀性好等特点，已成为高速列车车体的首选材料2。铝合金高速动车焊 接结构在焊接制造加工中，热裂倾向大，尤其是在熔化焊工艺中，热输入量 大，热裂问题非常突出。这些工程缺陷直接影响到结构的使用性能，可能大幅 度降低承载能力，特别是使疲劳性能恶化。 国内某机车公司在进行的车体材料制备、结构设计及其制造的国产化过程 中，遇到的主要问题之一是国产铝合金的制造工艺与国外存在差距，质量不稳 定，其具体表现为焊接热影响区晶间高温液化较为严重，带来的后果是补焊对 结构可靠性危害最严重的。对每一批材料都进行全面的焊接宏观裂纹试验及检 验工作比较繁琐。如何对多个国内铝合金生产企事业提供的铝材或同一厂家不 同批次的铝材进行快速简便的焊接性检测，特别是焊接热裂纹倾向的检测，以 期在较短的时间内高效准确证实其焊接接头是否达到焊接性(主要是热裂纹倾 向)的要求，是本项目的主要任务。 本课题来源于哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室与国内某 大型机车厂合作开展的研究项目。 1.2 采用模拟方法对焊接热裂纹的研究现状 焊接热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果，在脆性温度区 间承受拉应变是其产生的必要条件3。近年来，国际上就焊接热裂纹的理论和 实验有很多，尤其重要的是关于热裂纹的模拟(包括物理模拟和数值模拟)工作 取得了长足的进展。其中数值模拟方法主要以有限元法为代表，而物理模拟技 术在焊接中的应用则突出表现为热模拟方法。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2.1 数值模拟法 随着计算机软硬件技术的发展，数值模拟技术已经渗透到焊接的各个领 域，在航空航天、军工、能源、动力等领域，关键部件焊接过程仿真技术的实 现，对于优化工艺过程，提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要，甚至不 可替代的作用。 国外研究人员采用数值模拟的方法对热裂纹的研究，主要集中在热裂纹产 生的原因，影响因素以及判定标准等几个方面。 zhili feng4等对焊接热裂纹的热力学和动力学影响因素进行了计算机模 拟分析，指出材料热裂纹抗力是在脆性温度区间内的塑性储备，而驱动力是在 脆性温度区间内机械应变的积累。文献采用了两种有限元分析新技术，一是微 小结构（枝晶）的固化动力学与热传导分析结合在一起，完善了熔化潜热模 型；二是在应力应变分析中的网格再生技术。从而可以有效处理熔池变形、初 始温度的改变和体积缩减等问题。shibahara5等基于由裂纹扩展问题所提及的 界面单元，采用温度作为独立界面单元的三维有限元法，分析了在窄缝隙焊接 条件下梨形焊缝裂纹，做出焊接热裂纹的一个例子。发现热输入、缝宽和约束 条件是梨形焊缝裂纹产生的主要因素。 通过有限元计算焊接过程中的一些物理量变化，来间接评定热裂纹形成、 判据、影响因素是国外研究者的一种研究思想。horst6等采用利用ansys软 件对大平面板的焊接过程有限元模拟，把与焊接过程相关的设计因素以及类似 的几何因素和焊接参数的影响考虑进去，来计算温度场、位移、应力和变形。 模型计算了横向位移和它们在焊接过程中沿焊缝方向随时间的变化，提出与焊 缝成分和焊接过程相联系的横向的位移速度vq，若增长至大于与母材和焊接过 程相联系的横向位移速度vcr时，最中心的热裂纹开始萌生，并通过实际的实验 进行了验证。rindler7等设计了一个新的模型，把间隙合金成分的背扩散考虑 到残余液相的凝固过程当中，来计算零强度温度(zst)和零韧性温度(zdt)的 值。通过zst和zdt来确定热裂纹产生的脆性温度区间(btr)。 国内研究方面，利用有限元法进行焊接熔池流动及变形、焊接温度场及热 源、残余应力及变形等的研究比较多810。刘伟平11等建立了一种焊缝凝固 裂纹力学分析模型。在焊缝凝固过程中，对固液混合区金属采用了基于流变力 学观点建立的力学本构方程，在焊接凝固过程应力应变分析的基础上，编制了 数值计算源程序。计算了铝合金ly12cz不同熔敷焊接条件下焊缝凝固过程的 应力应变，并进行了凝固裂纹的预测。计算结果定量地揭示了焊缝凝固过程应 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 力应变的变化规律，并从力学角度揭示了焊接条件对焊接凝固裂纹形成的影 响。 斜y形坡口焊接裂纹试验是一种在焊接生产实际中广为应用的冷裂纹试验 方法，此方法主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感 性。谢霞12等以低合金钢的斜y形坡口焊接裂纹试验为例，利用有限元计算软 件ansys对几种不同预热温度及不同厚度的试件进行了焊接过程热循环与动 态热应力场的数值模拟，分析了预热温度与试件厚度改变对试件焊接热影响区 冷却速度与残余应力场分布规律的影响。 如何从冶金和力学因素来控制焊接过程中热裂纹的产生一直是国内科研工 作者的研究方向3,13。在力学因素控制热裂纹方面，郭绍庆14等提出随焊激冷 防止高强铝合金焊接热裂纹新方法，然后采用热弹塑性有限元方法对随焊激冷 防止焊接热裂纹的工艺过程进行了数值模拟，动态定量地描述了温度场、位移 场和应变场的演变过程，清晰地揭示了随焊激冷防止焊接热裂纹的机理及主要 参数的影响规律。研究表明,随焊激冷能够通过冷源作用区的冷却收缩造成对 其前方处于btr金属的横向挤压，推迟塑性拉伸应变的开始形成温度并减缓其 发展速率,因而降低热裂纹倾向;采用较小的激冷距离有利于降低热裂纹倾向， 在激冷距离较大时提高激冷功率仍有防止热裂纹的作用；加大外部拘束会在一 定程度上削弱随焊激冷防止热裂纹的效果。 1.2.2 热模拟法 焊接热模拟技术从40年代开始，在美国、前苏联及日本等国家兴起。近年 来各国对该项技术及其装置的研究都非常重视，并取得了很大的进展。采用热 模拟技术，就可以在一定尺寸的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊 接热影响区中某个区段的影响，从而研究该区段的组织及性能的变化规律，研 究金属的焊接性15。 利用焊接热模拟技术研究焊接热裂纹，主要有两个目的16。第一是用于 新合金的研制阶段，探讨合金产生热裂纹的冶金过程，从而研制出焊接性能良 好的新材料。第二目的是在常规试验的基础上，作为一种试验方案来推测材料 的焊接性能。一般说来，焊接热裂纹多发生在焊接过程中的高温冷却阶段，由 于金属的塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形量而导致开裂。因 此，热模拟技术一诞生便被应用于测量金属的高温塑性，作为评价金属材料焊 接热裂纹敏感性的重要方法17。 henschkel18等试验了焊接裂纹敏感性较高的奥氏体不锈钢锻件，他们认 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 为应当以冷却阶段的塑性行为作为评价金属裂纹敏感性的指标。后续工作中， henschkel 19指出如果材料从峰值温度冷却下来，其塑性迅速恢复，则表明该 材料能够很快产生大量的塑性变形来满足焊接变形量的要求，该材料是抗裂 的。如果其塑性以缓慢的速度恢复，则此材料是易裂的，见图1-1。 % 图1-1 金属材料的塑性恢复速率19 williams20和kreisher21，通过试验研究，提出热强度的测量应是裂纹敏 感性试验的重要组成部分。热强度的恢复情况也是决定材料裂纹敏感性的重要 指标。soldaw等人对此现象解释说虽然塑性在冷却过程中恢复缓慢，但强度恢 复却很迅速。对于两种屈服强度与抗拉强度十分接近的高强度钢，可以以弹性 变形的方式吸收焊接所产生的热应变而屈服强度较低的材料却相应地要受到较 大的塑性变形，因而有较高的热裂纹敏感性22。 日本焊接工作者认为热模拟技术不能仅模拟焊接接头的热过程，还应当模 拟焊接接头的应力应变过程。他们利用感应加热式的thermorester热模拟机， 在模拟由各种焊接方法和焊接条件所产生的热循环的同时，还模拟焊接接头形 成过程中的载荷和应变情况在试样冷却至相变温度点t以上的任意温度点以 前，试样上所加的载荷是恒定的。当试样温度冷却到tc以下时，将试样的应变 量保持恒定。在这个试验过程中，加在试样上的载荷必须发生变化。这种试验 方法采用试验过程中的热循环和应力应变大小作为研究和评定金属焊接热裂纹 敏感性的基本参量23。 文献24采用gleeble热模拟试验机，对in738lc镍基超级合金焊接热影响区 的微观裂纹形成进行热模拟，发现液化的一次析出相与周围的相通过共晶反 应形成液态薄膜而填充晶界，而导致了热裂纹的形成，同时还发现了haz的 韧性的变化。文献25在gleeble热模拟试验机上对7017铝合金裂纹进行了焊接 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 过程的模拟，指出液化裂纹的产生不仅与试件中的应力水平相关，还与施加应 力的温度有密切关系。试验结果还表明增加冷却速度，可以减少热裂纹的产 生。 国内从60年代开始研究焊接热模拟技术，近年来相继推出各种类型的焊接 热模拟试验机，近年来利用这项技术，在焊接冶金及金属焊接性的研究中，采 用热模拟技术的约占20%左右15。目前，国内采用热模拟技术进行焊接热裂纹 倾向的研究少，在再热裂纹、冷裂纹、应力裂纹方面有一定研究。如姚寿山等 26采用模拟焊接haz再热温度下缓慢恒速拉伸试验测试研究了有再热裂纹倾 向的15crmov和18mnmoninb两种钢的焊后再热处理时力学性能的变化，发 现存在一个塑性和塑性功低落的温度区间而且随着再热温度下保温时间的延 长，塑性和塑性功有所上升，塑性和塑性功低落的温度区间更趋明显。提出了 采用再热温度下拉伸塑性功来评定再热裂纹敏感性的新概念。胡淑娥27对一 600mpa级耐火钢焊接性能进行模拟研究,绘制了热影响区连续冷却转变曲线 sh-cct。计算了钢的碳当量,并预测了25mm板的止裂温度、haz最大硬度。 结果表明,该钢具备低的冷裂纹敏感性。李丽28等采用模拟焊接热影响区粗晶 区应力释放的试验方法,研究cf262钢在焊后热处理过程中的消除应力裂纹敏感 性及其形成机理. 结果表明cf262钢焊接热影响区粗晶区具有消除应力裂纹敏 感性,并随焊后热处理加热温度的升高而增大. 消除应力裂纹敏感性取决于焊 后热处理过程中材料所承受的塑性变形量和其进行塑性变形、蠕变变形的能力. 粗大晶粒和高残余拉伸应力的存在是产生消除应力裂纹的必要条件。 1.3 采用试验方法对焊接热裂纹的研究现状 采用模拟的方法来评定焊接热裂纹的倾向性始终具有一定的局限性。为 此，国外科研工作者发展了多种热裂纹评定方法。 图1-2 鱼骨状试样 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 英国人houldcroft29于1955年最先提出了一种弧焊裂纹的简单测试方法， 并命名为houldcroft test即现在为人们熟知的鱼骨测试法。 该方法中，在试样 的两侧堆成的分布一定宽度的小槽，槽的长度从焊接开始位置到焊接结束位置 线性变化，如图1-2所示。对试样进行堆焊后，从焊接开始处出现裂纹在某一 位置焊接裂纹终止。可通过对裂纹的长度来评定焊接裂纹的敏感性。基于热应 变使裂纹张开，文献30提出了一个使裂纹终止的力学模型。由于传统的测试 方法，裂纹的敏感性随着焊接热输入的增加而减小，与实际焊接情况不符。 ando31等提出了反向鱼骨测试法，mitsuaki32等在a5052铝合金薄板上比较了 两种测试方法的特点，发现传统鱼骨测试法中的主导因素是溶池附近的温度分 布，而反向鱼骨测试法中的主导因素是约束度，提出在裂纹敏感性测试中应优 先选用反向鱼骨测试法。 另外一种有效的热裂纹测试方法称之为可控变形裂纹测试法，又称为pvr 测试法。pvr测试法与其它测试方法相比，主要的优点在于仅仅只要通过一个 试样，就能确定母材、焊缝、和不同焊接过程的热裂纹敏感性33。原理如图 1-3所示，采用一个4010300（长宽高）的试样，装载到一个拉伸装置 上，用一个恒定的焊接速度对试样施焊，同时在沿焊缝的方向施加一个线性增 长的拉伸速度，当焊缝上开始出现首条裂纹时的拉伸速度对应为vcr。pvr测 试法中所得的临界速度vcr可与实际焊接过程中焊件沿焊接方向的位移速率进 行比较，而确定其热裂纹的敏感性。对于大板的中心线的对焊的情况，沿焊接 方向的临界速度vcr不足以来作为热裂纹的判据。为此，一些研究者在pvr测 试法中，增加了垂直于焊缝方向的位移速度测试装置，而更好地判断热裂纹产 生的标准34。 图1-3 pvr 测试法示意图33 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 此外，国外研究者还提出和比较了一些热裂纹的测试方法。goodwin35等 提出一种名为sigmajia的热裂纹测试方法，该方法主要考虑了应力及应变对热 裂纹开裂的影响，实验发现了起裂的临界应力值，同时分析了冶金因素对热裂 纹敏感性的影响，如图2-4所示。hecht36等设计了可调拘束的实验装置，通过 改变试样的弯曲半径和焊接条件，分析了试样的热裂纹特征，通过施加的表面 弯曲应变，所得到总的裂纹长度来评定试样热裂纹的敏感性。rawlings37等比 较了热变形率测试法(hdr test)和可调拘束法(mvt test)两种热裂纹测试方法的 有效性。针对造船工业的特殊要求，shinoda38根据热传导理论发明了一种简 单、便携式焊缝热裂纹评定仪器。美国ohio州立大学lin在其硕士论文中提出 了一种液化裂纹评定方法，应用这一方法定量评价了耐热镍铬铁合金903和 909，a-286,310不锈钢材料的热影响区液化裂纹39。 图1-4 sigmajia 示意图35 图1-5 可调拘束试验法 在许多学者提出关于母材、焊缝及焊接填充材料的热裂纹倾向性实验后， 为了比较各种实验方法的测量结果，文献40对各种方法进行了分类比较，提 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 出了自拘束型和外部拘束型的分类标准，并指出应规定国际通用的标准热裂纹 测试方法。 在各种热裂纹评定方法中，可变拘束试验法36,37是应用最广的，它可以 直接模拟实际焊接凝固过程中的行为，并能得出反映焊接凝固裂纹倾向的各个 参数：脆性温度区间(btr)，最小应变量(min)，凝固塑性曲线及临界应变率 (cst)等。应用这种试验方法，可以研究不同焊接材料、添加元素、焊接工艺 规范等因素对焊接热裂倾向性的影响，如图1-5所示。 郭绍庆41等设计了变拘束度夹具，见图1-6。该法既不同于外加应变的瞬 时应变可调拘束试验和缓慢拉伸的热裂纹试验法，也与靠自身拘束的鱼骨形热 裂纹试验有所不同。采用外加应变的可调拘束试验时，由夹具和自身提供的拘 束与外加应变相比可以忽略，因而拘束条件较实际生产条件苛刻。利用该夹 具，研究了不同拘束条件下高强铝合金ly12cz焊接时的热裂纹倾向。同时结 合跨焊缝两侧横向位移的实时测量结果，分析了拘束条件对焊接热裂纹倾向产 生影响的机制。邹茉莲42等采用纵向可调拘束热裂纹试验方法，以不同应变 所对应的裂纹总长度tcl值以及不产生裂纹的临界应变c作为衡量钢材热裂纹 倾向的主要依据，对球罐用钢进行了热裂纹敏感性试验。 图1-6 变拘束度夹具示意图41 另外一些国内科研人员，在研究不同材料、不同工艺对焊接热裂纹倾向性 时，采用了鱼骨实验。如李晓梅43等采用鱼骨实验对ly12薄板的焊接热裂纹 敏感性进行了探讨，试验结果表明，选择合适的工艺参数和填充材料可以提高 该类合金焊接时的抗热裂性能。高明霞44等采用交流脉冲氩弧焊法，进行鱼 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 骨状裂纹试验，探讨了焊丝成分对lc9cs超硬铝焊接热裂纹敏感性的影响。通 过对裂纹开裂度、裂纹表面形貌和焊缝金相组织的分析，提出了通过研制合适 成分的焊丝来提高超硬铝的可焊性。 1.4 本文主要研究内容 本课题通过一系列试验和数值模拟计算，对比分析a6n01s铝合金焊接接 头微观组织、化学成分、固溶强化相分布形态与其焊接裂纹倾向的内在关系， 提示铝合金显微组织结构及焊接工艺条件影响焊接裂纹等缺陷的机理。通过自 行研制的热裂纹快速检测装置和相关检验手段对a6n01s铝合金的热裂纹倾向 进行简单快捷的测试，并形成考核规范标准。具体内容和要求如下： (1).通过对a6n01s铝合金焊接接头各个区域（焊缝、热影响区和母材）微 观组织、化学成分、固溶强化相的多方法观察测试，揭示铝合金热裂纹形成机 理。 (2).研制出可变拘束度热裂纹倾向试验装置，原理是采用强弱可变拘束装 置施加于工件上，以裂纹长度快速、精确、定量判断材料的热裂倾向。通过数 值模拟分析，验证焊接热裂纹装置试验的有效性，确定试验参数，以指导装置 研制和实际工艺试验。 (3).通过测试不同厂家和不同批次母材以及母材与焊丝匹配的热裂纹敏感 性，制定出选材和评价材料热裂纹敏感性高低的标准。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 第2章 试验材料及热裂纹产生机理分析 2.1 试验材料 本文所研究的材料是广泛应用于高速列车上的a6n01s铝合金（日本牌 号） ，从日本jish0001-1988标准可知a6n01s铝合金属于al-mg-si系的挤压型 材铝合金。n的意义为日本独特的产品，在国际上认为6n01的牌号与6005a型 铝合金相同。它具有中等强度且是铝合金中挤压性能最好的合金，在高速列车 底架、车顶、侧墙上的拼接型材广泛采用这种材料，如图2-1所示。a6n01s铝 合金的成分与机械性能见表2-1、表2-2。 图2-1 a6n01s 铝合金型材45,46 表2-1 a6n01s 铝合金的化学成分 合金 化学成分(wt.%) 系列 牌号 si fe cu mn mg cr zn al-mg-si a6n01 0.4-0.9 0.35 0.35 0.50 0.4-0.80.30 0.25 表2-2 a6n01s 铝合金机械性能 合金 与调质 保证值 标准值 抗拉强度 (kgf/mm2) 屈服强度 (kgf/mm2) 延伸率 (%) 抗拉强度 (kgf/mm2) 屈服强度 (kgf/mm2) 延伸率 （%） a6n01s-t5 25 21 8 29.5 27.0 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 图2-2 al-mg-si 系三元相图 al-mg-si系铝合金是可进行热处理强化的铝合金，时效产生的mg2si是主 要强化相。al-mg-si三元系相图见图2-2。此系合金中没有三元化合物，只有 两个二元化合物：mg2si和mg2al3。在三元相图中有一个al-mg2si伪二元截 面，如图2-3，在相图上可以看到al-mg-si三元系的富铝角被伪二元截面分为 两个独立的三元系：al-mg2si-si和al-mg2si-mg2al3，其三元共晶温度分别为 559和448。在每一个三元系中，铝都形成固溶体：一边与si和mg2si；另 一边与mg2si和mg。 图2-3 al-mg2si 系伪二元相图 图2-3为al-mg2si系伪二元相图，从图中可以看出mg2si在基体(al)中的最 大固溶度为1.85%，(l.14%mg，0.66%si)，其固溶度随温度的降低而急剧下 降，溶解度的变化使该系列合金在人工时效后有时效硬化能力，在时效处理过 程中，主要强化相mg2si相的沉淀顺序为：先形成针状gp区(沿界面)然后 逐渐转变为有序针状gp区再过渡到针状亚稳相最后转变成稳定的(mg2si)， 稳定的(mg2si) 均匀分布在铝基体当中，起到强化作用47。al-mg-si系铝合 金没有三元化合物，只有两个二元化合物：mg2si和mg2al3，因此mg2si在铝 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 中的溶解度不但与温度有关，而且与镁的含量有关。mg2si中镁和硅质量之比 为1.73，当mg/sil.73时，则除形成mg2si外，还有过剩的mg存在，mg将显著 降低mg2si在固态铝中的溶解度，这样就使得合金的时效强化效果降低。当 mg/si60mm/s 图5-7 不同加载速度区间平均裂纹总长度对比 从加载速度与裂纹总长度趋势变化关系以