合金焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究

天津大学

硕士学位论文

高速列车用A6N01S和A7N01S铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展速率

研究

姓名：薛华

申请学位级别：硕士

专业：材料加工工程

指导教师：王立君

20070601

摘要

铝合金高速列车是现代化铁路车辆的主流发展方向，世界各国均在大力发展铝合金高速列车。制造出具有国际先进水平的铝合金高速列车，不但需要可靠的生产设备和优秀的产品结构设计，而且需要完善的制造技术和质量保证体系，其中最关键的技术问题之一便是高速列车车体的焊接质量控制。Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金热处理后具有良好的综合性能，但这并不意味着其焊接接头也具有如此良好的机械性能，并且多数焊接构件在实际工程中承受一定的交变载荷。因此，研究Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金在合适的焊接工艺下的焊接接头的疲劳裂纹扩展速率问题，用于推算焊接构件的剩余使用寿命，对于高速列车的研制与开发具有很重要的指导意义。

本文通过对焊接接头力学性能的研究，得出国产化Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金配用ＥＲ５３５６焊丝的焊接接头质量符合高速列车用铝合金的国际标准。Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金铝合金焊接接头的热影响区均出现了一个组织的软化区，焊接接头的最薄弱处分别位于热影响区的软化区和焊缝中心。研究了Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金焊接接头各区域的光学显微组织，总结出了两种铝合金焊接接头软化区组织的粗化是该区出现软化的根本原因。

本文利用Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金焊接接头的三点弯曲ＳＥ（Ｂ）试样的疲劳裂纹扩展速率试验，对这两种焊接接头以及母材的疲劳裂纹扩展速率问题进行了研究。对于Ａ６Ｎ０ｌＳ铝合金，热影响区的疲劳裂纹扩展速率基本上处于最低的位置，但是由于其曲线的斜率较大，热影响区的裂纹扩展速率增长非常快，随着ＡＫ的不断增大，与焊缝区的裂纹扩展速率差距越来越小；对于两类母材区，很明显地可以看到起始切口平行于板材挤压方向的疲劳裂纹扩展速率要快于另一类母材和焊缝区，这种差别在高的应力强度因子范围ＡＫ时表现地更为明显；而焊缝区的裂纹扩展速率与切口垂直于加工方向的母材相差不大，随着ＡＫ的不断增大，两条曲线出现了两次交点，曲线之间的偏差非常小；对于Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金焊接接头，当ＡＫ较小时，焊缝处的裂纹扩展速率略大于热影响区处，随着ＡＫ的增大，两者之差逐渐减小。通过两种铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展速率的对比，Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金焊接接头裂纹扩展速率大于Ａ６Ｎ０１Ｓ焊接接头，但两者之间的差别不大。因此，Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金作为高速列车用的新型铝合金，其ＭＩＧ焊接接头能够表现处较好的抗裂纹扩展能力，具有较好的抗疲劳性能。

关键词：铝合金；焊接接头：力学性能；显微组织；疲劳裂纹扩展速率

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｍｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅｓｉｓｍｏｓｔｌｙｈｅａｄｉｎｇｔｏｗａｒｄｓｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｒａｉｎｓａｎｄｍｏｓｔｃｏｕｎｔｒｉｅｓｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄａｒｅｅｎｅｒｇｅｔｉｃａｌｌｙｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｒａｉｎｓ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｒａｉｎｓｗｉｔｈａｄｖａｎｃｅｄｗｏｒｌｄｌｅｖｅｌｓｒｅｑｕｉｒｅｓｎｏｔｏｎｌｙｒｅｌｉａｂｌｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｓｂｕｔａｌｓｏｐｅｒｆｅｃｔｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｑｕａｌｉｔｙｑｕａｒａｎｔｅｅｓｙｓｔｅｍｓ．Ａｎｄｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｃｉｔｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｍｏｎｇｔｈｅｓｅｉｓｗｅｌｄｉｎｇｑｕａｎｔｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｃａｒｒｉａｇｅｓ．Ａ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１Ｓａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｐｏｓｓｅｓｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｆｔｅｒｈｅａｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｂｕｔｉｔｄｏｅｓｎ＇ｔｍｅａｎｉｔｓｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｈａｖｅｓｕｃｈｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄｍｏｓｔｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｎｄｕｒｅａｌｔｅｒｎａｔｅｌｏａｄ．ＳｏｓｔｕｄｙｉｎｇｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｉｎｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆＡ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１Ｓａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｕｓｉｎｇａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｌｉｆｅｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｌｏｉｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓ．

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆｈｏｍｅ—ｍａｄｅＡ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１ＳａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｗｉｔｈＥＲ５３５６ｆｉｌｌｅｒａｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｏｎｔｈｅｃａｒｒｉａｇｅｓｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｒａｉｎｓ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｓｏｆｔｅｎｅｄｚｏｎｅｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅｈｅａｔ．ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｓｗｅｌｄｉｎｇＡ７Ｎ０１Ｓａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ａｓｗｅｌｌａｓＡ６Ｎ０１Ｓａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ．ＡｎｄｔｈｅｗｅａｋｅｓｔａｒｅａｏｆＡ７Ｎ０１ＳｊｏｉｎｔｓｌｉｅｓｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｗｅｌｄｓｗｈｉｌｅｔｈｅｗｅａｋｅｓｔａｒｅａｏｆＡ６Ｎ０１Ｓｊｏｉｎｔｓｌｉｅｓｉｎｔｈｅｓｏｆｔｅｎｅｄｚｏｎｅｏｆｔｈｅｈｅａｔ—ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ．ＴｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＡ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１Ｓｊｏｉｎｔｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｏａｒｅｎｉｎｇｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｓｏｆｔｅｎｅｄｚｏｎｅＷａｓｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｆｏｒｗｅａｋｅｎｉｎｇ．

ＴｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓａｎｄｂａｓｅｍｅｔａｌｏｆＡ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１ＳａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙＷａｓｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅＳＥ（Ｂ）ｓｐｅｃｉｍｅｎ．ＦｏｒＡ６Ｎ０１Ｓａｈｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｉｎｔｈｅＨＡＺｉｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔ，ｂｕｔｉｔｓｖａｌｕｅｉｎｃｒａｓｅｓｖｅｒｙｑｕｉｃｋｌｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｃｕｒｖｅ’ｓｂｉｇｓｌｏｐｅ．ＷｉｔｈｔｈｅＡＫｖａｌｕｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｗｏｃｕｒｖｅｓｉｓｍｉｎｉｓｈｉｎｇｇｒａｄｕｌｌｙ．Ｆｏｒｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｂａｓｅｍｅｔａｌｓ，ｉｎｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｋｉｎｄｏｆｂａｓｅｍｅｔａｌ，ｗｈｏｓｅｏｒｉｇｉｎａｌｉｎｃｉｓｉｏｎｉｓｐａｒａｌｌｅｌｔｏｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｔｈｅｒｋｉｎｄｏｆｂａｓｅｍｅｔａｌ．ＩｔｓｈｏＷＳｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈ

ＡＫｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗｅｌｄａｎｄｂａｓｅｍｅｔａｌ，ｗｈｏｓｅｏｒｉｇｉｎａｌｉｎｃｉｓｉｏｎｉＳｖｅｒｔｉｃａｌｔｏｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｉｓ

ＡＫｖａｌｕｅ，ｔｈｅｒｅａｒｃｓｌｉｇｈｔ．Ｗｉｔｈｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｍｅｎｔｏｆｔｗｏｐｏｉｎｔｓｏｆｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｗｏｃｕｒｖｅｓ，ｂｕｔｔｈｅｉｒｄｉｓｔａｎｃｅｉｓａｌｓｏｖｅｒｙｓｌｉｇｈｔ．ＦｏｒｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆＡ７Ｎ０１Ｓａｌｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄ

ｈｅａｔ－ａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｊｏｉｎｔｉｓｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｓｌｉｇｈｔｌｙｗｈｅｒｅｔｈｅｖａｌｕｅｏｆＡＫｉｓｓｍａｌ１．ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｍｅｎｔｏｆＡＫｖａｌｕｅ，ｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｗｏｃｕｒｖｅｓｉｓｍｉｎｉｓｈｉｎｇｇｒａｄｕｌｌｙ．ＢｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｏｆＡ６Ｎ０１ＳａｎｄＡ７Ｎ０１Ｓｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅｏｎｅｏｆｔｈｅＡ７Ｎ０１ＳｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｉｓｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅＡ６Ｎ０１Ｓｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ，ｂｕｔｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｉｓｓｌｉｇｈｔ．Ｓｏａｓｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｌｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｆｏｒｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｓ，ｔｈｅｉｒｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＭＩＧ，ｐｏｓｓｅｓｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ，ｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

……始薜等黼期：卅年多月胁日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤洼盘堂．可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印．、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：导师签名：

签字日期：ｐ７年薛印终√恪签字日期：叼年厂月哆日

第一章绪论

随着社会以及国民经济的不断发展，铁道运输已成为社会人流和经济物流的大动脉。全世界铁路线已四通八达，铁道里程己达１００万公里以上。铁道运输己成为人类交通工具的最主要组成部分，而且正越来越对国民经济的发展、人类社会的进步和人民生活质量的提高产生巨大的影响。人类文明对铁路运输业提出了更高的要求，高速、安全、节能、环保、豪华舒适、降低成本是实现铁路运输现代化的主要标志和重要课题【ｌ捌。高速列车以其启动快、速度高、安全舒适、振动与噪声小等优点成为未来列车发展的主流方ｔ３ｊ。

１．１铝合金高速列车车体的应用及发展前景

随着现代交通的高速发展，铁道车辆的轻量化，特别是高速列车、地铁列车和双层客车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题之一１４】。要做到轻量、高速，最好的办法就是减轻车体自身重量。目前，为了减轻车体的重量，主要采用两种方法【５】：改造车体本身的设计结构，比如采用流线型外型设计、改变外型尺寸等；减轻材料的重量，进而使车体自身轻量化。但是经过多年的研究与改进，第一种方法的潜力已十分有限，而随着科学技术的发展以及新型材料的不断兴起，特别是一些比强度较高的如Ａｉ、Ｍｇ合金等材料的不断研发，为车辆轻量化提供了基础。铝合金制品因其质轻、耐蚀性好、拉伸性能好等特点，可实现其型材的大型宽体化，为此铝合金在高速列车车体的应用已成为当今世界各国研究的热点１６Ｊ。

日本有资料显示：采用铝合金材料，车体单位长度重量可降低约１００ｋｇ／ｍ。

新干线车体长２５ｍ，如以铝合金取代钢板，每辆车可减轻２．５ｔ。表１—１为国外车辆使用铝材的减重情况【７】。表１．１国外车辆使用铝材的减重情况

１．１．１铝合金车体在国外的应用发展过程

随着铝合金在高速列车车体中使用的普及，世界各国均大力发展制造铝合金车体，如日本、西欧等国广泛采用６００５Ａ铝合金制造高速列车车体【８】，目前全世界铝结构车辆已超过５００００辆【９ｊ。一些发展中国家也积极引进高科技，集中力量，大力开发研制铝合金车体。因此，铝合金车体成为世界范围内铁路运输事业发展的必然趋势。

铝合全车体的发展经历了板梁结构、板梁和型材混合结构和完全闭式型材结构铝合金车体三个发展过型１０】。板梁结构铝合金车体由于焊接变形大，必须通过增大板厚获得刚度，质量减轻效果不明显，车体的平度也不理想，因此在铝合金车体的发展过程中，板梁结构铝合金车体存在的数量并不多。为了减轻车体自身质量，世界上也采用板梁和型材混合结构，板梁部分采用电阻焊工艺，型材连接采用熔化极惰性气体保护电弧焊工艺。这样可大量节约型材开模费，降低车体制造成本，但此工艺相对比较烦琐，刚度较差。除日本外，很少有其它发达国家开发此产品。闭式型材结构或开闭式混合结构，是目前世界上最流行的方式，其制造工艺简单，车体平度、刚度好而获得很多国家的采用。

１．１．２我国铝合金车体的使用现状及未来展望

近年来随着铁路客运量的日益增大，列车速度的提高，国内外高速列车的技术交流，铝合金产业的发展，中南大学［１１，１２］、西南交通大学［１３，１４】等院校，铁道部戚墅堰机车车辆工艺研究所［１５，１６１等科研院所和西南铝合金加工厂［１７ＡＳ］等企业对铝制高速客车和双层客车以及地铁车辆等进行国产化的开发研制工作，为铝合金材料在铁道车辆车体上的运用作好了准备Ｉｌ９１。

２００２年我国第一辆使用国产大型铝型材制造的列车车体在长春轨道客车股份有限公司组装成功并通过测试。这辆我国自行研制的高速列车，用于广深高速铁路并延伸至香港线路。随着国民经济的发展，我国将有一大批城市地铁和高速铁道项目陆续开工。完全可以预料，我国交通运输事业的发展，特别是高速列车、双层铁道车辆以及地铁运输的发展，将使铝合金车辆在交通运输业中得到迅速发展。

１．２用于高速列车的铝合金材料

机车车辆上选择使用铝合金时，不仅应考虑铝合金本身的可焊性，还应根据不同系列铝合金焊接接头特性，综合考虑机车车辆不同部件的安全性和负荷性要求，来选择合适的铝合金型号。对有特殊防寒要求的机车车辆，由于铝合金焊接

接头的低温冲击韧性良好，可不考虑低温对铝合金在机车车辆上应用的影响‘２０１。１．２．１高速列车车体铝合金材料的使用现状

从高速列车用铝材的发展趋势上看，铝合金车体的发展经历了板梁结构、板梁和型材混合结构以及完全闭式型材结构铝合金车体三个发展过程。在这三个发展阶段中，用材也在发生变化。第一阶段以５０８３和７Ｎ０１合金为主导地位，日本１９８０年开发２００系车辆，其运行速度为２１０ｋｍ／ｈ，该车车体采用日本轻金属株式会社等开发的薄壁宽幅型材，从车体所用材料看，型材主要用７Ｎ０１，也有部分７Ｎ０３合金，板材主要采用５０８３合金。第二阶段由于大型薄壁宽幅带筋板材和中空型材在车辆上使用比例增加，挤压性能好的ＡＩ．Ｍｇ．Ｓｉ系６００５Ａ（６Ｎ０１）合金在列车上的用量迅速增加。

国外高速列车用铝合金主要为５０００系（Ａｉ．Ｍｇ系）、６０００系（ＡＩ．Ｍｇ．Ｓｉ系）、７０００系（ＡＩ．Ｚｎ－Ｍｇ系）。日本主要用５００５、５０５２、６０６１、６０６３、６Ｎ０１、７Ｎ０１、７００３等合金；法国主要用５７５４（板材）、６００５Ａ（型材），其中，６００５Ａ合金用的最多；德国ＩＣＥ高速列车板材用ＡＩＭ９４．５Ｍｎ（相当于５０８３），型材用ＡＩＭｇＳｉ０．７（相当于６００５Ａ）［２Ｈ。

近几年来，从国内情况来看，在西南铝之后，辽原麦达斯、山东丛林铝厂也都投入大型挤压设备，辽原投入８０００Ｔ挤压机，山东投入１００００Ｔ，８０００Ｔ，４０００Ｔ，３０００Ｔ铝型材挤压设备。现己初具规模，进入试生产阶段。在生产地铁小型型材方面，天津铝厂和德国ＣＯＲＲＵＳ合作，成功为德国出口铝型材１２２１。

虽然我国车辆用铝合金型材的研制开发己经取得了可喜的成果，但由于我国铝合金高速列车的生产起步较晚，与国外相比，高速列车用铝合金材料的选择余地较窄。目前研制出的２７０ｋｍ／ｈ高速列车仅采用６００５Ａ和７００５两种牌号的铝材，而德国ＩＥＣ高速列车的选材有１０余种，因而我国高速列车用铝材国产化以及新型铝材开发的任务十分艰巨。

１．２．２铝合金的组织和性能特点

研制铝车，寻找一种强度较高、挤压性好、焊接性好、耐蚀性好的车体、底架、框架大型材用铝合金尤为关键。目前高速列车和地铁列车用大型铝合金型材主要采，１羽６０００系或７０００系Ｔ５或Ｔ６状态的复杂断面的空心型材和实心型材【２引。

热处理强化的６０００系ＡＩ．Ｍｇ．Ｓｉ合金的裂纹敏感性较高，在采用与母材金属成分相同的填充金属时容易产生焊接裂纹，但采用４０００系和５０００系填充金属焊接，可减少焊接裂纹的产生倾向，并可获得较高强度的焊接接头。因此，６０００系铝合金是机车车辆上常用的铝合金，比较适合制造机车车辆上对部件安全性和负荷性

要求较高的焊接结构，如侧构骨架、顶盖骨架、油箱骨架、各种梁系、重要部位管接头等。其中６００５Ａ铝合金就是一种机车车辆应用广泛的铝合金，由于其优良的挤压成形性、耐腐蚀性和良好的焊接性，在国外被广泛用于高速列车、地铁列车、双层列车和客货汽车车体所需的薄壁、中空的大型铝合金壁板型材以及其它工业用结构型材【２４１。在我国，６００５Ａ铝合金大型材已研制成功并投入生产，随着我国交通运输业的发展，６００５Ａ铝合金在高速、轻型铝合金列车和地铁列车以及轻型客货汽车上的应用必将越来越岁乃忉Ｊ。

另外一种广泛应用于高速列车车体的的便是７０００系中的７０２０铝合金，７０２０铝合金属于触．Ｚｎ．Ｍｇ系铝合金，它不仅具有良好的机械性能、抗腐蚀性能、热稳定性和较好的焊接性能，而且还具有很好的挤压性能和在线淬火性【２引，可以挤压成各种复杂的大型薄壁空心型材，用作高速列车、地铁列车、城市轻轨车、汽车的车体材料，大大减轻了车辆的重量，提高了车辆的运行速度，获得了综合的经济效益和社会效益。

１．３高速列车铝合金焊接

近年来，由于铝及其合金在车辆、船舶、建筑、桥梁、机械、低温工程、宇航工业等方面的应用越来越广泛，铝及其合金的连接越来越受到人们的高度重视。铝及其合金的连接方法有焊接、钎焊、机械连接和粘接等方法，其中焊接是铝及其合金最主要的连接方、法【２９１。

１．３．１铝合金焊接性

与钢铁材料相比，由于铝及其合金具有独特的物理化学性能，因此在焊接过程中存在一系列特点【３０】，具体表现在以下几个方面。

１．熔化温度和热容量较低纯铝的熔点为６６０℃，铝合金的熔化温度随合金的种类不同而不同，其范围在５３０—６５０℃之间，都比钢和铜的熔点低，所以容易熔化。但是，铝的比热和熔解热均比其它大多数金属高，导热性又好，单位散热量相当于钢的５倍，因此局部加热困难。为使它们熔化，就必须迅速地供给大量的热量。

２．铝及其合金熔体很容易吸收气体溶解于焊接接头中的氢气来源于焊接火焰、电弧气氛、熔剂、基体金属和填加金属表面的污染、与氧化膜同时存在的水分和大气中的潮气等。焊接时所溶解的氢是结晶过程中产生气孔的根源，它能使焊接接头的强度和抗腐蚀性能降低，因此必须特别注意防止产生气孔。

３．铝和氧的亲和力很大铝容易和氧化合，即使在空气中短时间存放也会生成一层很薄的Ａ１。０。膜。这种氧化膜熔点为２０５０℃，远远超过铝的熔点，而且密

度人约是铝的１＿４倍。焊接时，返层Ａ１，０膜不溶于金属并且妨碍被熔融充填金属润湿。它将妨碍基体金属和填加金属的熔合。因此，为了使其具有良好的润湿性和熔化性，必须在焊接之前将氧化膜清除或破碎掉㈨。

４热膨胀和冷收缩铝在加热（或冷却）时的膨胀（或收缩）率约为钢的两

倍，纯铝在结晶时的体积收缩率达７％，铝合金的收缩率平均也达５％。因此．锅及其合金的焊接变形显著，而且结晶时，在某些含金的焊缝金属和热影响区等部位易产生裂纹。

５焊接易出现缺陷高温下铝的强度和塑性很低，以致不能立撑住熔池液体金属埘使焊缝形成不良缺陷，甚至形成塌陷和烧穿缺陷。因此，一般情况下需要夹具和垫板，图１．１所示为其中一种自动ＭＩＧ焊的垫板投夹具。

图Ｉ．１自动Ｍ［Ｇ焊的Ｔ装夹具

６焊接困难由于铝对辐射能的反射能力根强，铝及其合会在从低温至高温．从固态变成液态无明显的颜色变化，不易从色泽变化来判断焊接的加热状况，给焊接过程带来了很大的困难。

１．３．２铝合金焊接方法的选择

根据上述铝合金材料的特点及其焊接的特殊性，人们在研究铝台金焊接过程中，在焊接设备、焊接工艺以及焊接材料等方面都来用了许多先进的工艺和技术，铝台金焊接技术在不断地发展和完善。适用于铝台金的焊接方法也很多，主要根据铝合金地牌号、生产条件、生产结构、焊接接头质量要求以及成本等因素来合理选择焊接方法。

目前用于铝台金的焊接方法主要有：惰性气体保护焊、焊条电弧焊、气焊、激光焊、电阻焊、钎焊、摩擦焊等，其中摩擦焊是目前较先进的焊接方法。其中惰性气体保护焊由于不使用焊剂、能见度好、熔池干净，能够获得最佳的焊接质

量和最小变形，是目前应用最广泛的焊接方法。惰性气体保护焊可分为熔化极惰性气体保护焊（ＭＪＧ）和钨极惰性气体保护焊（ＴＩＧ）两类［３２，３３】。

ＴＩＧ焊是在惰性气体（氢、氦或氢氦混合气体）保护下焊接，热量比较集中、电弧燃烧稳定、焊缝金属致密、接头的强度和塑性高、可获得满意的优质接头，因而在铝及铝合金的焊接中获得广泛应用。２０世纪６０年代发展了一种钨极脉冲电弧焊，保护气体为氢气，由于其焊件变形小、接头热影响区窄而适用于薄板、全位置焊接，特别适用于锻铝、硬铝等高强度铝合金的焊接【３４１。

ＭＩＧ焊由于焊丝为电极，可用ＬＶ，ＴＩＧ焊大得多的电流，焊接速度快，热影响区小，生产效率比ＴＩＧ焊高，可焊接大厚件，因而工业上应用很广【”ｌ。ＭＩＧ焊也可以采用脉冲电源，采用脉冲电源平均焊接电流小，可用于薄板或全位置焊接。ＭＩＧ焊由于其焊接电弧功率大、热量集中、焊接热影响区小、焊接效率高，具有在短时间内熔敷大量焊缝金属的能力，因此在铝合金板及型材焊接中被广泛应用，ＭＩＧ焊通常用于６０００系和７０００系铝合金大型材的焊接【３６１。ＭＩＧ焊接是把作为电极的成盘焊丝由电动输送装置连续地送入焊接区，使焊丝的前端与基体金属之间产生电弧，并使焊丝一边熔化，一边进行焊接的方法。近几年，随着人们对铝焊技术认识的深入以及一些先进电子程控技术在焊接设备上的应用，采用ＭＩＧ焊方法焊接铝构件的工艺技术日趋成熟，对焊接参数的控制也更加精确，铝合金ＭＩＧ焊技术向着更加专业化的方向发展。

１．３．３焊接接头组织和性能研究的意义

在焊接过程中，由于焊接热输入的影响使焊接区域的组织和性能发生了很大的改变。通常将受到焊接热作用后组织和性能相对于基材发生改变的区域称为焊接接头。焊接接头不仅包括结合区，也包括其周围区域。熔焊时，结合区即为熔化区，熔化区凝固后即成为所谓的焊缝，焊缝由发生局部熔化的母材和熔化了的焊丝金属混合形成。由于局部加热，结合区邻近区域的母材金属势必也会因热传导而受到热的影响，从而可能引起组织或性能的变化，该区域称为热影响区。焊缝与热影响区的交界面为焊缝边界，实际为具有一定尺寸的过渡区，常称为熔合区。可热处理强化铝合金焊接接头的示意图如图１－２所示。

高速列车用铝合金焊接基材是由设计工作者根据不同部位的需要而选定的材料，其出厂的组织和性能一般己符合产品的使用要求。由于高速列车用铝合金型材为大型挤压型材，在焊接后一般不再进行任何形式的热处理。然而，焊接过程中焊接热输入的影响实质上是在对焊接区域进行着一个特殊的热处理过程，从而会在整个焊接区域引起不均匀的组织变化，会对焊接接头的组织和性能产生强

区

图１ ２铝合金熔焊焊接接头示意图

烈的影响。这种焊接热循环所造成的热处理，往往会使焊接接头的性能变坏，从而影响焊接构件的整体性能［３７，３８］。对于不同的金属，在不同的条件下，在热影响区的不同部位引起的组织和性能变化不同，以致在局部位置产生软化。特别是在焊前经过冷作硬化或热处理强化的金属，在焊接热影响区局部位置，焊前的强化处理效果总是或多或少遭受破坏。由于这种局部软化的存在，削弱了整体结构的强度［３７，３９］，因此对于高速列车用铝合金焊接接头显微组织和力学性能的研究具有很大的指导意义。

１．４铝合金焊接结构疲劳研究

强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的三个主要的基本要求。疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，因此开展结构疲劳研究有着重要的意义【４０】。大多数机器、运输工具和其他结构的零件在使用过程中承受着周期性交变载荷的作用。因此，约有９０％的零件损伤是和疲劳裂纹的产生和扩展分不开的。疲劳裂纹是脆性破坏的先导，这也正是其所以危险的主要原因之一ｆ４１１。疲劳破坏过程一般很难察觉到，因此疲劳断裂具有很大的危险性。

金属的疲劳（Ｆａｔｉｇｕｅ）是一个在交变应力作用下损伤逐渐累积、引起金属的性质变化、产生裂纹和破坏的过程。疲劳强度是金属抗疲劳的性质【４２】。疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间【４０Ｊ。影响疲劳强度或疲劳寿命的因素众多，按照疲劳机理可以将影响疲劳强度或疲劳寿命的因素分为三类：

（１）影响局部应力应交大小的因素，如载荷特性、零件的几何尺寸等；

（２）影响材料微观结构的因素，如材料种类、热处理状态、机械加工等；（３）影响疲劳损伤源的因素，如表面粗糙度、腐蚀和应力腐蚀等。

随着铝合金焊接性能的改善和焊接材料的发展，铝合金由于密度小、无磁性、热导率和强度高，以及良好的成型性、低温性能、高耐腐蚀性能等被广泛应用于汽车、高速机车、船舶、航空航天领域的各种焊接结构中。其中一些铝合金焊接结构在使用中承受交变载荷作用，因此国内外开始对铝合金焊接结构及其接头疲劳性能进行研究【４３，４４１。铝合金焊接结构在重复外力作用下，往往在低应力下发生疲劳断裂。有数据表明，铝合金焊接构件中５０％－９０％的断裂是由于焊接接头处的疲劳破坏引起的，而承受交变载荷的焊接接头处多为疲劳裂纹的源头。因此，铝合金焊接接头的疲劳性能受到设计及使用单位越来越广泛的关注，研究铝合金焊接接头疲劳断裂特性，分析产生疲劳断裂危害的因素，估算焊接接头的疲劳寿命，是提高和继续发展铝合金焊接结构的重要课题【４５】。

１．５论文选题意义及研究内容

铁路运输事业的不断发展，给铁道运输车辆提出来越来越高的要求，为适应高速列车的发展，世界各国均在大力发展制造铝合金车体，如德国、意大利、加拿大、法国等发达国家以及一些发展中国家，如韩国也正在积极引进技术，集中精力开发研制铝合金高速列车和地铁列车。因此，在世界范围内，生产制造铝合金高速列车是铁路运输事业发展的主流方向。

随着世界范围内铁路运输事业发展的主流方向，我国也投入了大量人力、物力对高速列车进行开发研制。目前我国对于高速列车车体用铝合金焊接接头性能的研究也正如火如荼的进行。但国产化铝合金车体制造与世界先进国家相比仍存在一定差距，为了实现铝合金高速列车国际化目标，达到安全、舒适、节能等基本要求，对高速列车用铝合金材料、铝合金材料焊接以及焊接接头性能的研究具有非常重要的现实意义。

铝合金焊接一直是高速列车制造过程中的关键技术，焊接质量是铝合金应用于高速列车的前提保障。广泛的应用于高速列车车体的Ａ６Ｎ０１Ｓ和ＡＴＮ０１Ｓ铝合金热处理后均具有良好的综合性能，但这并不意味着其焊接接头也有如此好的综合性能。经过焊接之后，其焊接接头的组织和性能发生了很大的变化，因此我国生产的Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金，经过焊接之后的焊接接头强度能否达到国际标准，以及焊接过程对材料微观组织和力学性能的影响等问题的研究是非常必要的。

本文采用经过优化的焊接工艺参数，以保证获取性能优良的焊接接头，对Ａ６Ｎ０ｌＳ和ＡＴＮ０１Ｓ铝合金ＭＩＧ焊接接头进行硬度测试、拉伸试验以及光学显

微组织观察，对两种铝合金焊接接头基本力学性能及组织形成原理进行细致全面的讨论，为这两种铝合金在高速列车中的广泛应用提供理论依据。同时在实际工程结构中，大部分这两种铝合金的焊接结构承受一定的交变载荷，因此对Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金焊接接头的疲劳性能的研究具有很重要的实际意义。但是关于铝合金焊接接头疲劳性能的研究，大多数集中在应力集中及焊接缺陷对疲劳寿命及疲劳强度的影响方面［４６，４７１，对于铝合金疲劳断裂过程中的疲劳裂纹扩展行为的研究较少，而对于上述两种铝合金的疲劳断裂过程以及断裂过程中的疲劳裂纹扩展行为的研究就更少了。本课题主要针对用于高速列车并采用优化焊接工艺的Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金材料的焊接接头在周期性交变载荷作用下的疲劳裂纹扩展速率问题进行研究，为这两种新型铝合金材料在高速列车车体中的使用提供可靠性的依据。

第二章Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７ＮＯｌＳ铝合金的焊接

资料显示，Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１ｓ铝合金在高速列车车体材料的使用总重量中约占９０％Ⅲ】，这两种铝合金热处理后均具有良好的综合性能，但这并不意味着其焊接接头也有如此好的综合性能。经过焊接之后，铝合金焊接接头强度一方面取决于合金成分配比及时效处理等关键因素；另一方面，在焊接过程中，由于焊接热输入的影响，从坡口边缘往基材方向依次会发生局部熔化、固溶处理、过时效处理等过程，之后过渡到基材区。其焊接接头的组织与性能会发生很大变化，导致合金时效强化的效果减小，从而严重影响焊接构件的总体强度。根据欧洲标准ＤＩＮＥＮ２８８．４，Ａ６Ｎ０１Ｓ铝合金接头强度高于１９５Ｍｐａ时，Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金接头强度高于２４０Ｍｐａ，才允许被使用在高速列车上。因此，我国生产的Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金，经过焊接之后的焊接接头强度能否达到欧洲标准，以及焊接过程对材料微观组织和力学性能的影响等问题的研究是非常必要的。

２．１焊接工艺的确定

２．１．１基体金属及填充金属

本试验采用Ａ６Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金型材为研究对象，考察国产化Ａ６－Ｎ０１Ｓ和Ａ７Ｎ０１Ｓ铝合金型材焊接接头的力学性能及显微组织。实验用国产化铝合金材料由国产化型材供货厂家提供，所有实验用型材满足ＪＩＳＨ４１００［４９１要求。从型材上截取试板，试板规格如表２．１所示，两种基材金属的力学性能如表２．２所示。

表２．１试板规格

在进行铝及铝舍金材料焊接时，总是力图使焊接接头与母材保持设性，焊接材料的选择应考虑的原则为：强度；韧性：抗裂性；耐蚀性等。对于Ａ６Ｎ０１Ｓ和ＡＴＮ０ｌｓ铝合金，最常用的焊丝为ＥＲ５３５６和类似的台金ＥＲ５１８３，但是后者金属的颦性较差，焊后容易出现软化区，凶此焊接过程采用的焊丝为直径为Ｉ２ｒａｍ的ＥＲ５３５６，符台Ｊ１ＳＺ３２３２ｔ５０Ｉ规定，基体金属和焊丝的化学成分如表２．３所示

表２—３试板和焊丝的化学成分（ｗｔ％）

２１２焊接工艺参数‘５

焊缝坡口：将试板采用玲加工的方法加工成６０。～６５。Ｖ型坡口，坡口形状及尺寸如图２－ｌ所示。用细钢丝刷彻底清理坡口左右３０ｍｍ范围内的油污、氧化膜，用丙酮作为有机溶剂清洗坡口周边位置。

圈２—１焊缝坡口设计

焊接殴各：采用Ｍ１Ｇ自动焊接设备。

点同：将预处理后的试板对接并点｜占｜。

保护气体：高纯氨气（纯度不小于９９９９９％）。

夹具：为防止焊接变形过大，采用专用夹具对试板进行夹持，如图２－２所示。图２－２焊接专用夹具