不同保护气体对6082铝合金焊接接头性能影响的研究

兰 中 国 商 铁焊 接 r鳝搭 不 同保 护 气 体 对 6 0 8 2铝 合 金 焊 接 接 头 性 能 影 响 的 研 究 唐山轨道客车有限责任公司 0 6 3 0 3 5 刘春宁钮旭晶张艳辉吴晓明孙斌斌 摘要当铝合金板厚大于 8 m m时 常用的保护气体有 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 2 三元保护气体 7 0 A r 3 0 He 二元保护气体等 通过常规力学试验和脉动拉伸疲劳试验对两种不同保护气体下 6 0 8 2铝合金焊接接头 的常规力学性能和疲劳性能进行了研究 结果表明 两种保护气体下的焊接接头均具有 良好的拉伸和弯曲性能 保护气体为 7 0 A r 3 0 He 0 0 1 5 N 2 时 中值疲劳强度为 8 7 5 MP a 保护气体为 7 0 A r 3 0 H e 时 中值疲 劳强度为 1 1 1 3 MP a 采用三元气体为保护气体焊接时 焊接接头的疲劳强度要明显低于采用二元气体 关键词 6 0 8 2铝合金不 同保护气体焊接接头疲劳性能 中图分 类号 T G 4 5 7 0前 言 铝合金具有密度小 比强大等优点 被广泛应用于 高速动车组的车身制造上 而高速动车组制造 的核心 就是铝合金焊接技术 1 j 唐 山轨道客车有限责任公 司在铝合 金高 速列车 车体制 造 中引进 西 门子 制造技 术 采用 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 2三元保护气体 焊接板厚 8 m m 以上 的铝合金时 N 加入有效改善 了 电弧稳定性 减少缺陷的产生 但 7 0 A r 3 0 He 0 0 1 5 N 三元保护气体配置工艺复杂 成本较高 如 何在不影响焊接质量的前 提下 降低焊接成本 是厚板 铝合金焊接时的重要课题 7 0 A r 3 0 H e二元保 护气体也可用于铝合金的焊接 且价格较低 为了确定 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 2三元保护 气体与 7 0 A r 3 0 H e二元保护气体的焊接效果 文 中对这两种保护气体分别进行工艺评定试验 以确定两 种保护气体对高速列车铝合金焊接工艺性和疲劳 眭能的 影响 为高速列车以及城轨地铁的生产提供理论依据 1 试验材料与方法 1 1 试验材料 试验用母材为 E N A W 一6 0 8 2 T 6铝合金 固溶处 理 十 人工时效状态供货 试件 尺寸规 格为 3 0 0 m E X 1 5 0 mm 8 mm 焊 接材料选用直径 为 4 1 2 m m 的 I S 0 1 8 2 7 3 2 0 0 4 A 1 5 0 8 7实心焊丝 试验材料 的化学 成分和力学性能分别见表 1和表 2 表 1 母材 与焊 丝的化 学成份 质量分数 表 2 试 验材料的力学性能 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 1 9 1 2焊接工艺试验 试验选择 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 三元保护 气体与 7 0 A r 3 0 H e二元保护气体两种不同保护的 保护气体 按照工厂现有的焊接工艺分别对试板进行焊 接 焊接坡 口为 7 0 焊前坡 口用角磨机打磨露出金属 光泽 D 4 0清洗去油污 采用 F R O N I U S 福尼斯 T P S 4 0 0 0 型全数字化脉冲焊机施焊 采用多层多道焊接工艺 坡 口形式及焊接顺序见图 1 焊接工艺参数见表 3 2 0 1 5年第 1期 2l 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 俘掳中国高铁焊接 锄 a 坡 口形式 b 焊接顺序 图 1 坡 口形式及焊接顺序示意 图 表 3 焊 接工艺参 数 1 2 1 5 8 0 1 o0 1 9 0 2 3 4 1 2 2 1 2 1 5 8 0 1 00 对接工艺 试验 试件 焊接 后均 依据 I S O 1 5 6 1 4 2 金属材料焊接工艺规程及评定 焊接工艺评试验 第二部分 铝及铝合金的弧焊 标准要求进行相关无损 检测 外观检测 渗透检测 和 x射线检测 以及破坏性 试验 拉伸 弯曲 硬度 1 3 脉动拉伸疲劳试验 试验参 照 G B T 1 3 8 1 6 9 2 焊接 接头 脉动拉 伸 疲劳试验方法 进行 疲劳试验前需将垫板去掉且加 工掉 1 mi l l 正 面 焊 缝 去 掉 加 强 高 打 磨 试 板 两 端 各 去掉2 0 mm 试 验设 备 为P L G一1 0 0 型微 机控 制 高频疲 劳 试 验 机 其 技 术 规格 为 静态 负荷 精 度 1 动负荷平均 波动度 1 动负荷振 幅波动度 2 试验采用 的循环应力 比 R 0 1 指定 循环寿命 取 1 X 1 0 次 在 试验过 程 中 当疲 劳裂纹 尺寸 足够 大导致 载荷加不上 去时 自动卸 载停振 并记 录循 环 次数 通过升降法计算焊接接头 的中值疲劳强度并对 疲劳断 口在 J S M一6 3 6 0 M 型电子扫 描 电镜 下进行 形 貌观察 2试验结果及讨论 2 1 无损检测试验 外观检测参 照 I S O 1 0 0 4 2 2 0 0 5 铝 及铝合 金 的 弧焊接头缺 陷评定 B级标准进行检验 采用焊缝检 测尺分别对焊缝 的余高 焊缝 宽度进行检 测 焊缝表 面均无 裂纹 超标 的咬边 夹杂 以及气孔等焊接缺陷 焊缝 与母 材 之 间都 过 渡 良好 渗 透 检 测 参 照 I S O 2 3 2 7 7 2 0 0 9 焊缝 的无损 检测 焊缝 的渗透 检验 一 验收等级 标 准中规 定 的焊缝 显示 的允 许极 限 2 X 级来评定 该标准规定验收等级 为 2 X的线性显示 L 2 非线性显示 D 6 所有试板 进行渗 透检测 时 均未发现超标 的线 性显示 和非线 性显示 对 焊缝进 行射线检测 片子评定应参照 I S O 1 0 0 4 2 2 0 0 5 铝及 铝合金 的弧焊接头缺 陷评定 B级 内部 缺陷标 准 内 部未显示裂纹 气孔 未熔 夹杂 等焊接缺 陷均不 超 标 焊缝经评定合格 2 2 拉伸试验 分别对 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 三元保护气 体与 7 0 A r 4 3 0 H e二元保护气体焊接下 的试板焊 接接头进行拉伸试验 拉伸试验结果见表 4 表 4拉伸试验结果 依据 I S O 1 5 6 l 4 标 准 处于焊接后状 态的焊接 试样的抗拉强度 R w 应满足以下要求 R W R p m T 1 式中 R W 为处 于焊接后状 态的焊接试样 的抗拉强 度 R p m 为有关标 准中所要求 的母体 材料抗拉强 2 2 2 0 1 5年第 1期 度的最低规定值 T为接头效率系数 对于 6 0 8 2一T 6 材料 T 0 6 依据表 2 R p m 3 0 0 MP a 故 R W 1 8 0 MP a 由表 4可知 不 同保 护气 体焊 接下 试板的焊接接头的抗拉强度最小值 2 0 3 5 MP a 大 于 1 8 0 MP a 均满足试验标准的要求 均具有合格 的抗拉 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 望 墅 兰 一 中国 高 铁 焊 接 r缛掳 强 度 2 3弯 曲试验 依照国际标准 I S O 1 5 6 1 4 金属材料焊接工 艺 规程及评定 焊接工艺评试验第二部 铝及 铝合金 的弧焊 气体的焊接接头正弯和背弯试样在试验的过 程中 试样的任何方向都不应该出现大于 3 mm的单条 裂纹 试验中两种保 护保 护气体焊接下试板 的焊 接接 头均满足标准要求 具有 良好 的塑性 2 4 显微硬度分析 不 同保 护气体焊接下试 板焊接 接头 的硬度 分布 如 图 2所示 可 以看 出 虽 然 每次 焊接 采用 的填充 材料 均为 A 1 5 0 8 7铝 合金 焊 丝 母 材 均 为 6 0 8 2一T 6 铝合金 但是由于保护气体的不同 焊接时金属熔池 的熔 化结 晶过程 存 在 区别 因此焊 缝 区 的硬度 存在 一 定 的差异 对 于保 护气 体 为 7 0 A r 3 0 He 0 0 1 5 N 的焊接接 头 焊缝 区硬度约在 HV 8 1 9 1 之 间 对于 保 护气 体 为 7 0 A r 3 0 He的焊接 接 头 焊缝 区硬度 约在 H V 8 7 9 8之 间 对采 用 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 保 护气 体 的焊 接接 头 软 化 区范 围约在 4 1 1 mm 在距离熔 合线 约 6 mm处 硬 度达到最 低值 HV 5 7 对 于保 护气 体 为 7 0 A r 3 0 He的焊接接头 软化 区范围约在 4 1 3 mm 在 距 离熔合线约 7 mm处硬度 达到最 低值 HV 6 3 由此 可 以可看 出软化 区的软化程度 由于 焊接保 护气体 的 不 同有 比较 明显 的变化 当采 用的保 护气体 为 7 0 Ar 3 0 H e时 焊接 热 输入 对 6 0 8 2铝 合金 焊 接接 头 产生 的热影 响 区软化 现 象不是 很 明显 但 是 其影 响的范 围相对较宽 皇 一 距离 D l mm 图2 不同保护气体下焊接接头硬度分布 2 5 疲劳试验结果分析 在指定寿命为 1 1 0 次循 环下 通过升 降法来确 定 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 2 三元保护气体和 7 0 A r 3 0 H e二元保护气体焊接接头 的中值疲 劳强度 对于 7 0 A r 3 0 He 0 0 1 5 N 2 的疲劳试验 共有 6 级应力水平 有效试件数为 1 3个 共有 5个子样对 对 于 7 0 A r 3 0 H e的疲劳试验 共有 3级应力水平 有效试件数为 l 2个 共有 5个子样对 见图 3 9 5 MP 9 0 MP a 8 5 MP a 8 O MP a 7 5 MP a 7 0 MP a 1 1 5 MP a 1 0 0 MP a 1 0 5 MP a a 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 2 b 7 0 A r 3 0 He 图 3 不同保护气体下焊接接头的疲劳极限升降图 X表示断列 o表示 未断裂 依据疲劳极限升降图可分别计算 出7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 三元保护气体和 7 0 A r 3 0 H e二元 保护气 体焊接接 头 的中值 疲 劳强度 三元保 护气体 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 焊接接头的中值疲劳强度 为8 7 5 MP a 7 0 A r 3 0 He 二元保护气体焊接接头的 中值疲劳强度为 1 1 1 5 MP a 由此可知 当采用 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 三元保护气体焊接时 焊接接头 疲劳强度明显低于采用 7 0 A r 3 0 H e二元保护气体 时焊接接头的疲劳强度 图 4为两种不同保护气体条件 下 6 0 8 2铝合金焊接接头疲劳强度的 S一 曲线 应力循环次数 饮 图4 不同保护气体下焊接接头疲劳中值 S N曲线对比 2 6 金相组织分析 利用 J s M一 6 3 6 0 M型电子扫描电镜分别对三元保 2 0 1 5年第 1期 2 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 中国高铁焊接 r蜉搭 准的要求 均具有合格的抗拉强度 2 两种保护气体的焊接接头经 1 8 0 弯曲后均未 发现超标裂纹 具有 良好 的塑性 3 保护气体为 7 0 A r 3 0 H e 0 0 1 5 N 时 中值疲劳强度为 8 7 5 MP a 保护气体为 7 0 A r 3 0 H e 时 中值疲劳强度为 1 1 1 3 M P a 采用三元保护气体焊接 时 焊接接头的疲劳强度要 明显低于采用二元气体 体疲劳寿命影响研究 J 铁道学报 2 0 1 4 3 6 2 4 2 4 8 2 刘志平 王金金 C R H 3铝合金高速动车组焊接技术 J 金属加工 2 0 1 0 2 5 1 6 1 0 1 4 3 陈东方 高速列车铝合金车体焊接工艺浅析 J 装备制 造技术 2 0 1 3 1 6 9 7 0 参考文献 储 嚣 蠹 嚣 曩 1 马思群 谷理想 袁永文 等 焊接 缺陷对 动车组 铝合金 车 术研 究及管理工作 铝 合金静止轴肩搅 拌摩 擦焊 残余应 力超声 波法测量 南车青 岛四方机车车辆股份有限公 司 2 6 6 1 1 1 路浩 摘要开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置 在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转 内部搅拌针旋转 获得了无 弧纹的搅拌摩擦焊缝表面 焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件 使用超声波 焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量 测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大 值可达母材抗拉强度的6 6 左右 应力峰值不低于弧焊 纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近 横向 残余应力值低于纵向残余应力 关键词 搅拌摩擦焊静止轴肩 残余应力超声波法 中图分类号 T G4 0 4 0前 言 搅拌摩擦焊技术 自从 1 9 9 1 年发 明以来 不仅在工 业 中得到广泛 的应用 而且先后 出现了双轴肩 双头 搅拌点焊等搅拌摩擦焊接技术的新发展 在搅拌头高 速旋转 挤压带动下 处于塑性状态 的焊缝金属环绕搅 拌头由前向后移动 在热 一机联合作用下材料扩 散连 接形成