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2021年第2期2021No.2汽车工艺与材料Automobile Technology &Material铝合金点焊接头疲劳性能研究及寿命分析寇宏滨王得天（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201208）摘要：为了支持多环形纹路表面电极帽式铝合金点焊接头在车辆正向开发中的设计应用，设计并开展了一系列的铝合金点焊接头疲劳试验研究和疲劳寿命预测方法研究。
过程中获得了点焊接头的载荷-寿命对应关系，总结了铝合金点焊接头疲劳强度受载荷方向、母材强度及厚度等因素影响的普遍规律，分析了铝合金点焊接头的疲劳失效破坏模式，并提出了评价铝合金点焊接头疲劳寿命的S -N 曲线，可以有效指导铝合金点焊接头的抗疲劳设计开发工作。
关键词：铝合金点焊接头疲劳强度疲劳寿命预测中图分类号：TG405；U465.1文献标识码：BDOI:10.19710/ki.1003-8817.20200197Fatigue Performance Study &Life Analysis of Aluminum Alloy SpotWelded JointKou Hongbin,Wang Detian（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.，Shanghai 201208）Abstract ：A series of physical durability tests and fatigue life prediction method studies are carried out,tosupport the design application of aluminum alloy spot-welded joint featuring multi-annular surface electrode cap in vehicle forward development.the corresponding relationship between load and fatigue life of spot welded joint is studied and abtained,the general rules are summarized to show the effect of base metal strength,base metal thickness and load direction on the fatigue strength of aluminum alloy spot-welded joint,the fatigue failure mode is analyzed.The S/N curves for evaluating the fatigue life of spot-welded joints are proposed,which can effectively guide the anti-fatigue design development of aluminum alloy spot-welded joint.Key words:Aluminum alloy spot weld,Fatigue strength,Fatigue life prediction作者简介：寇宏滨（1980—），男，高级工程师，硕士学位，研究方向为车辆疲劳强度，轿车底盘、门盖外饰等子系统结构优化设计。
高速列车用铝合金焊丝的生产工艺1 研究背景我国铁路运输的快速发展，对于高速列车提出了更高的要求。
目前，世界各国均在大力发展制造铝合金车体。
高速列车铝合金车体是以大型扁宽薄壁铝合金型材作为骨架的焊接构件，焊接可减少40%的车辆制造工作量。
铝合金车体焊接结构的性能，在基材一定的情况下，主要取决于焊接工艺和焊丝的合金成分和性能。
目前高速铁路主要使用ER5356及ER5183焊丝进行焊接，本文针对国内生产的焊丝存在焊接气体含量高、焊缝有缺陷及自动送丝易断丝的问题，研究了铝合金焊丝的生产工艺，制定出从熔炼、铸造、均匀化处理、挤压一直到拉拔的生产工艺。
2 实验合金本实验针对目前高速列车使用的ER5356及ER5183铝合金焊丝，其国际注册的化学成分如表1所示。
3 焊丝的生产工艺焊丝材料首先经半连续铸造出直径为200mm或180mm的铸锭，经均匀化退火后，挤压出直径为12mm的线坯，挤压出的线坯经中间退火及多道次拉拔，得到直径为3mm的线坯，再经退火、扒皮后，送入光亮拉拔生产线进行光亮拉拔，最后得到直径为1.2mm的焊丝。
图1为焊丝的生产工艺流程图。
3.1 熔铸工艺设计的熔铸工艺路线如下：装料→熔化→扒渣→调成分→炉内精炼→炉外除气和过滤→半连续铸造。
为了提高半连续铸锭表面质量及冶金质量的稳定性，半连续铸造均采用热顶半连续铸造。
实验时在低于750℃温度下熔炼，添加特殊溶剂覆盖后加Mg，炉内同时进行搅拌和喷粉精炼，在炉外保证旋转石墨喷头喷吹氩气除气过程熔体的温度恒定，采用陶瓷片进行双级过滤，将AlTiB送丝装置远离结晶器其在高温处喂丝；同时采用直径为200mm或180mm 的圆结晶器进行半连续铸造，半连续铸造过程的铸造温度为730-740℃，铸造速度为110～120mm/min，冷却水水压控制在0.05MPa 左右。
将铸锭的成分控制在5XXX焊丝铝合金所要求的范围之内，焊丝合金半连续铸锭的铍含量控制到小于0.0005%（wt）、氢含量控制到小于0.18ml/100g。
铝合金焊接性能及焊接接头性能摘要：在高铁、地铁列车的制造中，铝合金材料是列车车体的主要材料之一，然而由于铝合金材料在焊接性能、焊接接头性能方面仍存在一定的不足，经常会出现气孔、裂纹等缺陷，因此高铁、地铁列车铝合金车体的焊接施工质量仍然很难保证。
本文对铝合金的焊接性能以及焊接接头性能进行了分析。
关键词：铝合金；焊接性能；焊接接头前言铝合金材料具有较强的化学活泼性及导热性，氧化膜密度则相对较低，这些特性使得铝合金在焊接过程中很容易出现问题，而要想对这些焊接问题进行有效处理，保证铝合金焊接质量，则需要明确铝合金焊接性能及其焊接接头性能，并在焊接过程中进行针对性地处理。
1铝合金焊接性能及焊接接头性能分析1.1高温强度低由于金属材料焊接通常都是在高温条件下进行，因此材料熔点对于焊接质量有着直接地影响，铝合金材料的熔点会因合金中纯铝含量不同而存在一定的差异，但通常都在600℃左右，这一熔点与铜等其他材料相对较高，但在进行高温焊接时，其强度与塑性却会迅速降低，这意味着焊接过程中铝合金材料很难支撑住液体金属，而焊缝也会因此而出现塌陷、烧穿等问题。
1.2膨胀系数高铝合金材料的膨胀系数普遍较高，大多都能达到铜、钢的两倍或以上，而收缩性最高则在75%左右，这意味着在焊接过程中，高温的影响很容易使铝材料因热胀冷缩而出现变形，并发生结晶裂纹、液化裂纹等现象。
另外，铝合金的导热性虽然比较高，但在高温影响下其内外部温度仍然会出现差异，温差的变化会使其内外部出现不同的膨胀，并产生较大的内应力，这同样是铝合金焊接容易出现热裂纹的主要原因。
同样，焊接完成后，随着焊接接头处温度的不断降低，如果收缩量较大且冷却速度较快，那么其收缩变速率就会随之提高，并使铝合金焊接接头处出现应力-应变状态，而这同样是焊接处产生裂纹的主要原因之一。
1.3氧化能力强铝材料的氧亲和力非常强，长期暴露在空气中很容易形成氧化铝薄膜，这种薄膜虽然厚度较低，且具有较高的密度与结实度，但熔点却高达2050℃，如果在未经处理的情况下直接进行焊接，铝材料就很难与其他金属材料有效结合起来，焊接接头出也会因氧化铝残渣的存在而出现气孔。
高速动车组用铝合金特种焊接技术摘要：铝合金是制造动车组车体的主要材料，其焊接主要以传统的熔化极惰性气体保护焊为主，随着技术的发展，搅拌摩擦焊、激光焊、激光-MIG复合焊等特种焊接技术也在轨道车辆铝合金车体生产制造过程中不断发展使用。
本文简要介绍特种焊接技术在高速动车组铝合金车体制造过程中的应用及展望。
关键词：动车组；铝合金；特种焊接；应用；发展1 前言随着轨道交通装备的不断发展，高速动车组已成为国内客运的主型轨道交通车辆。
近些年来高速动车轻量化生产制造是铁道运输发展的重要方向，经过大量的理论研究与试验证明，目前采用铝合金材料是实现车辆轻量化的最有效途径[1]，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重、提高接头强度及结构安全性的要求越来越高[2]。
目前高速动车组铝合金车体广泛使用中空大截面挤压铝型材结构，这种结构强度高且重量轻，具有其他材料不可比拟的优势。
高速动车组的车身采用全铝合金设计，其焊接以MIG焊为主，车身结构复杂，而铝合金焊接焊接过程中容易出现裂纹、气孔等焊接缺陷，焊接变形大，且工艺复杂，所以成为车辆制造中的工艺难点。
随着特种焊接技术的发展，搅拌摩擦焊、激光焊、激光-MIG复合焊接作为高能束流焊接方法以其优越的性能和特点在轨道交通行业得到广泛的应用。
2特种焊接技术在轨道交通车辆铝合金车体制造中的应用2.1 搅拌摩擦焊接技术搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所（TWI）在1991年作为固相连接技术发明的一种焊接技术。
搅拌摩擦焊（FSW）属于摩擦焊，是一种固态焊接技术，在FSW过程中，高速旋转的搅拌头和工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，在旋转搅拌头的临近区域内，形成了一层充分的塑化金属层，当搅拌头沿着焊接界面移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，搅拌头的前段不断形成热塑性金属并出现金属的挤压流动现象，进而填补搅拌头后部的空腔，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。
A6N01铝合金CMT焊接接头组织与性能研究朱瑞栋;马传平;徐晓龙【摘要】The microstructure and mechanical properties of A6N01 aluminum alloy pulse cold metal transfer (P-CMT) welded joints are observed and analyzed by OM,microhardness and tensile testers.The results show that the weld of P-CMT welded joint is a typical dendritic crystal cast structure.The side of bond close to the weld is a columnar crystal structure,while the side close to the substrate is an equiaxed grain structure.The softening zone of heat affected zone about 10mm from the center of the weld.The average tensile strength of welded joints is 203 MPa,and the average elongation after fracture A60 is 11.09％.The weld zone and the softening zone of the HAZ are the weak links of the welded joint.%利用光学显微镜(OM)、显微维氏硬度计和拉伸试验机观察与分析高速列车车体用A6N01铝合金脉冲冷金属过渡(P-CMT)焊接接头的微观组织和力学性能.试验结果表明:P-CMT焊接接头的焊缝为典型树枝晶铸态组织,熔合区靠近焊缝一侧为柱状晶组织,靠近基体一侧为等轴晶组织.距离焊缝中心约10 mm处为热影响区软化区.焊接接头的抗拉强度平均值为203 MPa,断后伸长率A60平均值为11.09％.焊接接头的薄弱环节为焊缝区和热影响区的软化区.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2018(048)005【总页数】4页(P76-79)【关键词】A6N01铝合金;P-CMT焊接;微观组织;力学性能【作者】朱瑞栋;马传平;徐晓龙【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;西南交通大学材料科学与工程学院,四川成都611031;四川大西洋焊接材料股份有限公司,四川自贡643010【正文语种】中文【中图分类】TG457.140 前言A6N01铝合金的挤压性好、耐蚀性优良，尤其适合于制造复杂截面的多孔中空型材，可以用作侧墙、车顶等高速列车车体的主体结构，极大减轻车体质量[1-3]。
6005A铝合金CMT焊接接头微观组织和疲劳裂纹萌生刘浩博;杨尚磊;王远;谢超杰【摘要】使用冷金属过渡(CMT)焊接技术对6005A铝合金进行焊接,获得成形良好的焊接接头.应用光学显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪研究接头的微观组织、硬度和疲劳性能.结果表明:接头焊缝区以小尺寸的等轴晶和胞状树枝晶为主;熔合区存在明显的熔合线;近熔合线附近的热影响区中晶粒发生明显的粗化.接头显微硬度显示,热影响区中软化区是整个焊接接头的最薄弱区域.维氏硬度(HV)最低,为55,焊缝区为70.疲劳试样表面分析发现焊缝中存在长条状的第二相粒子,经能谱分析为AlSiFe相,在循环载荷的作用下,该相内部萌生了微裂纹,但并未扩展,说明该相对接头的疲劳性能影响不大.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2017(031)004【总页数】5页(P307-310,346)【关键词】冷金属过渡焊;微观组织;显微硬度;疲劳裂纹萌生【作者】刘浩博;杨尚磊;王远;谢超杰【作者单位】上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TG453近年来,随着经济的发展,人们越来越认识到环境保护的重要性,低碳环保、节能减排已然深入人心,同时也被列为政府工作重点.这对汽车、列车等主要能源消耗行业提出了更高的要求,实现车身轻量化迫在眉睫.铝(Al)是地壳中含量最多的金属元素,经过合金处理后得到的铝合金具有质量轻、强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨和易加工等优点，因此越来越多的企业开始使用铝合金来代替传统的钢材.6005A铝合金属于可热处理强化的Al-Mg-Si系列铝合金,具有较高的强度和良好的机械加工特性,且焊接性能优良,主要用于高铁、汽车的车架、车身以及部分零部件[1-2].目前,铝合金的焊接方法主要是搅拌摩擦焊和电弧焊，但是这两种方法在焊接过程中均存在缺陷.本文使用的冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)焊接是Fronius 公司在2004年推出的一种新型的电弧焊接方法,该方法基于熔化极气体保护焊,是一种适合薄板的无飞溅、低热输入的新型焊接技术.在焊接过程中通过短路过渡时焊丝的回抽和电流的减小实现冷热交替焊接,从而减少热输入[3].国内外众多学者对CMT焊接铝合金进行了研究,如 Shu 等[4]研究了厚板铝合金CMT的焊接,并利用有限元模拟技术分析了焊接残余应力,结果发现利用CMT焊接厚板铝合金容易出现残余应力的集中.Pickin等[5]实现了间隙2 mm的铝合金薄板CMT搭接焊接,且成形良好,说明CMT对焊接结构的工装要求较低,大大拓展了其使用范围.尽管对CMT 焊接铝合金的相关研究较多,但是关于6005A铝合金的CMT焊接性能,尤其是对焊接接头的疲劳性能的研究仍不多见.本文对6005A 铝合金CMT焊接接头微观组织和疲劳裂纹萌生及扩展特征进行了系统研究,以期对6005A铝合金的应用有一定的指导意义.1 材料和试验1.1 试验材料母材为厚度3 mm的6005A扎制铝合金薄板,T6热处理状态.保护气体为氩气(Ar).焊丝型号为ER4043合金,直径为1.2 mm.母材和焊丝的化学成分(质量分数ω，%)见表1.表1 母材和焊丝的化学成分Table 1 Chemical composition of base metal and wire %材料AlMgSiZnFeCuMnCrTi6005A余量0．40～0．700．50～0．90≤0．20≤0．35≤0．30≤0．50≤0．30≤0．10ER4043余量≤0．054．50～6．00≤0．10≤0．80≤0．30≤0．05—≤0．20从表1可以看出,6005A铝合金中的主要添加元素是镁(Mg)和硅(Si),这是所有6系铝合金的主要添加元素,目的是在进行热处理的过程中生成Mg2Si强化相以提高6005A铝合金母材的力学性能.而铜(Cu)元素则是6005A铝合金中独有的一种添加元素,Cu的加入可以提高强化相的密度从而提升材料性能[6].而铁(Fe)、锰(Mn)元素则是以杂质元素的身份存在于母材基体中,会生成较大的第二相粒子,这些第二相粒子容易成为疲劳微裂纹的萌生点.1.2 试验方法焊接试验采用机器人CMT焊接方法,母材对接无间隙,坡口为70°,钝边为1 mm,单道焊接.焊接电流、电压、速度分别为94 A、17.8 V、0.36 m/min(在进行多组试验后选取了最优成形下的试验参数).金相试样使用Keller试剂(2.5 mL硝酸(HNO3)+1.5 mL盐酸(HCl)+1 mL氢氟酸(HF)+95 mL水(H2O))进行腐蚀,之后在显微镜(VHK-600K)下对焊缝、热影响区、母材等区域进行观察.焊接接头疲劳试样尺寸如图1所示.图1 焊接接头疲劳试样尺寸Fig.1 Schematic of welded joint fatigue specimen 疲劳试验在Zwick高频疲劳机上进行.为了观察表面疲劳裂纹的萌生和扩展,每个疲劳试样都必须进行抛光处理.疲劳试验结束后,使用扫描电子显微镜和能谱分析仪对疲劳试样进行分析.2 结果与分析2.1 焊接接头的微观组织分析焊接接头微观组织如图2所示.图2(a)是焊缝中心(WZ)处的微观组织图,从图中可以看出焊缝中心处等轴晶尺寸较小,且数量不多,多为100 μm以下的胞状树枝晶.这些胞状树枝晶的尺寸、大小不一,生长方向各有不同，且横向生长出的二次分支很短,除了少量的等轴晶和大量的胞状树枝晶外,焊缝中心还存在很多的小晶粒,尺寸约为10 μm，这些小晶粒一般分布于大晶粒之间.焊缝中心没有大晶粒的原因是由于CMT焊接过程中电弧搅拌作用强烈,使得晶粒无法长大.图2(b)是焊缝熔合区(FZ)的微观组织图.图中，左边是焊缝,右边是热影响区(HAZ),白色虚线是熔合线,熔合区是所有熔化焊焊接接头都存在的一个区域.从图2(b)中可以看到熔合区左边的晶粒多为胞状树枝晶,长度约为100 μm,方向均朝向焊缝中心,这与焊接过程中焊缝区中的温度梯度方向有关.同时在熔合线处存在明显的竞争生长与联生结晶特征,见图中方框中标出的区域.图2(c)是母材(BM)的微观组织图.从图中可以看出母材中晶粒呈长条状,说明母材是典型的轧制母材,轧制方向为从左到右.图中白色圆圈内还可以看到许多黑色的小颗粒,尺寸约为5 μm,形状不一,但是多为块状.根据Kumar等[7]的研究成果和后续的能谱分析可以断定其为AlSiFe相.该相不是6005A铝合金中的主要强化相,而是杂质Fe与母材Al以及残余的Si在母材进行热处理过程中生成的一种杂质相.当该相尺寸较小时,对母材的力学性能影响不大,如果尺寸过大则会影响到母材的性能.母材的晶粒长度和宽度可以按照图中多个晶粒的平均值求出,分别为100和10 μm.图2(b)中HAZ的晶粒尺寸可以由多个晶粒的平均值得出，分别为50和55 μm.由此可以看出，HAZ中的晶粒在熔池热循环的作用下出现了明显的长大,这种情况会严重降低接头的力学性能.同时在图2(b)中HAZ区域看不到任何AlSiFe相的存在,这说明HAZ在近焊缝区域内出现了AlSiFe相回溶.图2 焊接接头微观组织Fig.2 Microstructures of welded joint2.2 焊接接头硬度分析6005A铝合金CMT焊接接头的维氏硬度(HV)曲线如图3所示.图3 焊接接头硬度分布Fig.3 Hardness distribution of welded joint由图可知,整个曲线呈现V字形,坐标原点代表焊缝中心,横坐标代表距离焊缝中心的位置.从曲线分布上看,接头明显分为焊缝区和热影响区，其中过渡区为熔合区.焊缝区长度为3 mm左右,平均硬度为70.在距离焊缝中心3 mm处硬度陡降至50,结合图2(b)可以知道该位置是熔合区,这里的化学元素在熔池热作用的影响下极度不均匀,导致力学性能显著下降.以该点作为分界线向右进入热影响区,硬度上升至80;到6 mm处开始下降,最低至40;随后上下波动,平均硬度保持在55;到9 mm处又开始上升;13 mm处达到母材的硬度90，之后趋于稳定,说明13 mm位置点是母材和热影响区的交接点.在HAZ中距离焊缝中心6～10 mm的区域内,硬度一直保持在55左右,最低点甚至低于熔合区,仅为40,称之为软化区.铝合金焊接接头中产生软化区是由于材料在焊接过程中强化相出现了回溶和再析出造成的.这种现象使得软化区成为整个焊接接头中最薄弱的环节，但这种情况可以通过焊后热处理进行改善.2.3 焊接接头表面裂纹萌生分析焊接接头疲劳试样表面裂纹萌生及第二相粒子能谱图如图4所示.从图4(a)中可以看到许多白色的长条状第二相粒子,长度为15 μm左右,宽度为1 μm左右.经能谱分析发现是AlSiFe相粒子，如图4(b)所示,属于杂质相，其化学成分见表2.从微观组织分析中可以发现，在母材中存在较多的AlSiFe相粒子,这些粒子的尺寸为5 μm左右,呈不规则的块状.在电弧作用下,母材发生熔化,第二相粒子也一起熔化,但是在熔池冷却的过程中,Fe和焊丝中添加的Si受到基体结晶的排挤发生聚集,即发生了偏析,最后生成不同于母材中第二相粒子形状的长条状相.图4 焊接接头表面裂纹萌生位置及第二相粒子能谱图Fig.4 Crack initiationposition on surface of welded jointand second phase energy spectrum表2 第二相粒子的化学成分Table 2 Chemical composition of second-phase particle成分ω/%Al68．7Si25．6Fe5．7在这些粒子内部可以发现不止一处微裂纹,这些微裂纹几乎贯穿了整个第二相粒子.而且在一些第二相粒子中裂纹附近可以看到有明显的滑移线,即滑移线与第二相粒子的相交的地方会产生微裂纹.这是由于试样在受到疲劳循环载荷的作用时,焊接接头中部分晶粒内部的位错源被激活,开始向外释放位错,这些位错在遇到第二相粒子后会受到第二相粒子的钉扎作用而无法继续向前运动,导致其在第二相粒子处不断塞积,当塞积的位错超过一定界限后便会使第二相粒子断裂.但研究发现,所有第二相粒子中的裂纹都没有进一步的扩展,这说明位错塞积在破坏第二相粒子后能量得到了释放,剩余的能量不足以促使裂纹的进一步扩展,因此微裂纹只局限于第二相粒子内部.在图4(a)右上角的位置同样发现了一条第二相粒子,这条第二相粒子尺寸略小,且长度方向几乎垂直于其他粒子,在这个第二相粒子中没有观察到微裂纹的存在,这说明不是所有的第二相粒子在循环载荷作用下都会产生微裂纹,还要考虑其尺寸和方向.因此可以判断,AlSiFe相粒子对焊接接头的疲劳性能影响不大,甚至可以通过钉扎位错而提升材料的强度.3 结语1) 焊接接头分为焊缝区和热影响区，其中过渡区为熔合区.焊缝中心的组织以等轴晶和胞状树枝晶为主,且尺寸较小;近熔合线的焊缝区主要是小尺寸胞状晶;热影响区的晶粒发生了明显粗化;母材为轧制材料,含有AlSiFe第二相粒子.焊缝区中晶粒尺寸较小说明CMT焊接技术具有一定的细晶作用,可以有效提高接头性能.2) 从硬度曲线上看,热影响区长度为10 mm,且存在软化区,软化区硬度值最低,为55;焊缝处平均硬度为70;母材硬度值为90.软化区的存在会严重影响焊接接头的力学性能,可以通过焊后热处理进行改善.3) 在疲劳试样中，焊缝位置表面存在长条状的AlSiFe第二相粒子,且大部分粒子内部萌生了微裂纹,但是微裂纹未进一步扩展,说明该第二相粒子对接头的疲劳性能影响不大.参考文献:[1] 刘杰,杨景宏,王炎金,等.35 mm厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能[J].焊接学报,2012,33(6):101-104.[2] 王炎金.铝合金车体焊接工艺[M].北京:机械工业出版社,2009.[3] HUANG J Q,XUE L,HUANG J F,et al.Arc behavior and joints performance of CMT welding process in hyperbaric atmosphere[J].Acta Metallurgica Sinica,2016,52(1):93-99.[4] SHU F Y,TIAN Z,LYU Y H,et al.Prediction of vulnerable zones based on residual stress and microstructure in CMT welded aluminum alloyjoin[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2015,25(8):2701-2707.[5] PICKIN,C G,WILLIAMS,S W,LUNT,M.Characterisation of the cold metal transfer(CMT)process and its application for low dilutioncladding[J].Journal of Materials Processing Technology，2011,211(3),496-502.[6] DING L P,JIA Z H,LIU Y Y,et al.The influence of Cu addition and pre-straining on the natural aging and bake hardening response of Al-Mg-Si 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