CN104862626A - 用于高速列车车体结构材料的冷热循环处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于高速列车车体结构材料的冷热循环处理方法，将高速列车车体结构的铝合金熔弧焊焊接接头工件放入坩埚式电阻炉中于410~430℃温度下均匀化退火处理2~5小时；取出工件放置在空气中降温至室温；将工件放入深冷柜中，先使工件降温至-40~-60℃保温30~50分钟，再以15℃/min的降温速度继续冷却至-160~-180℃温度区间保温6~8小时，再加温至-40~-60℃保温30~50分钟；本发明将低温深冷处理和高温退火工艺相结合，实现对材料静态拉伸性能、低温塑韧性的强化控制，既改善组织形貌，又消除流变应力的影响，提升了材料的拉伸强度、延伸率及冲击韧性。

Description

用于高速列车车体结构材料的冷热循环处理方法
技术领域
本发明涉及高速列车车体材料的低温强韧化工艺，尤其是高速列车车体的铝合金焊接接头的强韧化工艺方法。
背景技术
高速列车车体材料是以6005A铝合金为代表的Al-Mg-Si系中等强度铝合金，因其具有优良的挤压成型性、良好的焊接性，已被广泛应用于高速列车。然而伴随着列车不断提速和服役条件的日益恶化，对车体材料的使役性能提出越来越高的要求。尽管现有的车用6005A铝合金已具备良好的综合性能，但其焊接区域并不具有相似的性能，尤其是作为结构材料的铝合金车体焊接部分，例如车头蒙皮、地板、端墙等部位，其在低温寒冷地区服役过程中，不但要承受各种荷载的作用，还遭受恶劣环境因素的侵袭。随着列车服役期的延长，车体材料焊接区域原有残余应力的“平衡状态”被打破，残余应力不断的释放与重新分布，导致材料结构发生明显的改性，车体轮廓失去应有的加工精度，产生焊接区域整体的冷脆现象。
针对铝合金材料低温冲击韧性普遍不佳的问题，现有技术都是通过改进材料成分和热处理工艺这两方面来稳定其低温使用性能，例如：公开号为CN103668014A的专利文献公开的起动机铝合金外壳的深冷处理工艺、公开号为CN102676963A的专利文献公开的铝合金的深冷处理工艺、公开号为CN101649431A的专利文献公开的5A06铝合金TIG焊接接头的深冷强化处理方法，都是将铝合金放在深冷柜中保温以消除制品的内应力和提高尺寸的稳定性，研究的是深冷保温温度、保温时间的控制对材料尺寸稳定性、静态拉伸性能的影响，并没有从本质上解决铝合金材料低温冲击韧性不佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有高速列车车体的铝合金焊接接头在低温寒冷情况下存在冲击韧性不佳的问题，提出一种适用于高速列车车体结构材料的冷热循环处理方法，将铝合金的低温深冷工艺与高温退火工艺联立，通过深冷处理、高温退火的冷热循环工艺，改善雨雪下落过程高速列车车体的铝合金车体焊接部分的低温使用性能。
本发明采用的技术方案是包括以下步骤：
  A、将高速列车车体结构的铝合金熔弧焊焊接接头工件放入坩埚式电阻炉中于410~430℃温度下均匀化退火处理2~5小时；取出工件放置在空气中降温至室温；
B、将工件放入深冷柜中，先使工件降温至-40~-60℃，保温30~50分钟；再以15℃/min的降温速度继续冷却至-160~-180°C温度区间保温6~8小时；再加温至-40~-60℃保温30~50分钟；
C、将工件从深冷柜中取出，放置在空气中至室温。
进一步地，在步骤C之后，将工件再次放入坩埚式电阻炉中，依次地重复步骤A、B、C，进行2次冷热循环处理。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是，
1、本发明将低温深冷处理和高温退火工艺技术相结合，通过精确控制深冷工艺、退火工艺参数，优化高速列车车用6005A合金焊接区域，实现对材料静态拉伸性能、低温塑韧性的强化控制，消除焊接接头组织在严寒地区的冷脆现象。既改善了铝合金焊接接头区域的组织形貌，又消除由于可动位错反复“脱钉”与“被钉扎”导致流变应力的反复跌涨影响，提升了材料的拉伸强度、延伸率及冲击韧性。
2、本发明的循环冷热处理致使焊接热影响区组织尺寸细化，粗大柱状晶由 30μm减小为20μm左右；同时在焊缝的边界形成数层10μm左右细晶等轴组织，新相的晶核以母材晶粒作为现成表面，以联生结晶的方式向熔合线附近扩展，形成较基体合金更加纤细的等轴细晶组织，使高速列车用铝合金焊接接头平均抗拉强度从190.5MPa提高到223.5MPa，冲击韧性从28.1J·cm-2提高到35.4J·cm-2。
3、本发明在深冷处理工艺中，通过超低温深冷柜采用液氮气化制冷调控，控温精确，克服了常用的纯液氮浸泡、涡轮制冷以及复叠式压缩机制冷等相关工艺需要压缩空气、制冷温度不够低以及容易造成热冲击等缺点。
4、本发明在深冷处理工艺中，焊接区域凝固过程中粗大柱状晶被低温“碎化”为超细等轴晶粒，依据焊接联生结晶理论，循环冷热处理使材料含有极大的形变储存能，产生大量的位错与亚晶，促使晶粒界面优先形核。
5、本发明在退火工艺中，采用全封闭坩埚式电阻炉加热，其作用在于逐渐释放深冷处理下焊缝区域反复跌涨的流变应力，产生均匀稳定的微观亚结构。
6、本发明在退火工艺中，经均匀化退火处理，在不同程度的非平衡状态焊接区域组织扩散，消除或减轻焊接晶内偏析。
附图说明
图1是经本发明处理后的6005A铝合金焊接接头区域组织的宏观形貌图；
图2是经本发明处理后的6005A铝合金焊接接头区域组织的微观形貌图；
图3是经本发明处理后的6005A铝合金焊接接头热影响区显微组织透射电镜图；
图4是经本发明处理前和处理后的6005A铝合金焊接接头应力应变曲线图。
具体实施方式
将高速列车车体结构的铝合金熔弧焊焊接接头工件放入坩埚式电阻炉均匀化退火处理，均匀化退火处理的温度是410~430℃，时间是2~5小时，直至工件的焊缝区域组织形成均匀柱状晶为止。如果均匀化退火温度低于410℃，则均匀化退火效果不充分，如果温度高于430℃，则可能发生共晶熔融并产生焊接孔隙。均匀化退火温度优选420±2℃、时间优选3~4小时。坩埚式电阻炉采用全封闭的坩埚式电阻炉。
退火处理后取出工件，将工件放置在空气中缓慢降温至室温，然后将工件放入超低温深冷柜中，超低温深冷柜采用液氮气化制冷调控，使工件快速降温至-40~-60℃，保温30~50分钟。温度优选-50±2℃、保温时间优选40±2分钟。避免工件的焊接接头区域组织因冷热循环温度过大而造成的热冲击，进而稳定焊接区域组织结构。保温30~50分钟后以15℃/min的降温速度继续冷却至-160~-180°C温度区间，再保温6~8小时。然后，再加温至-40~-60℃保温30~50分钟。优选方案是：液氮温度为-170±2℃、保温时间7±0.5小时。低温深冷处理会造成铝合金晶体晶格间原子间距减小，同时足够时间的超低温处理能触发凝固过程中粗大柱状晶低温“碎化”为超细等轴晶粒。
将工件从超低温深冷柜中取出，放置在空气中自然回温至室温，放置1~2小时。如图1所示，该工件经过循环冷热深冷处理以后，焊接试样抗拉强度从190.95MPa提高到211.65Mpa，冲击韧性从28.1J·cm-2提高到33.4 J·cm-2。
放置1~2小时至室温后，将工件再次放入坩埚式电阻炉中，在超低温深冷柜中依次地重复进行上述相同的循环冷热深冷处理工艺，即先在坩埚式电阻炉中进行均匀化退火处理，再在超低温深冷柜中进行快速降温、保温、继续冷却、保温、再加温保温的深冷处理，最后从超低温深冷柜中取出，放置在空气中1~2小时至室温，如此循环地经过2次冷热深冷处理。
如图2所示，该工件经过1~2次循环冷热深冷处理以后，焊缝边界会形成数层5~10μm等轴细晶组织，新相的晶核以母材基材晶粒作为现成表面，以联生结晶的方式向热影响区的熔合线附近扩展，形成更加纤细的柱状晶组织，相关的晶粒尺寸约20μm左右。
如图3所示，由于长时间温度梯度的存在，晶体结构的变化频繁致使局部应力集中诱发碎化机制的形成，在工件的微观表现为产生了大量的蜷线位错、位错环。
如图4所示，在循环冷热深冷处理下，6005A铝合金的拉伸曲线在塑性变形阶段明显锯齿波浪特征的消失，材料的组织形貌与强化位错结构明显改善。拉伸曲线纵坐标抗拉强度从190.95MPa提高到223.5MPa，代表材料应变的横坐标未见明显降低，同时材料相关的冲击韧性从28.1J·cm-2提高到35.4J·cm-2。
由此，本发明循环冷热深冷处理工艺方法是一种6005A铝合金强韧化的有效方法，可以实现材料的强韧性与稳定性同时提高。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。
实施例1：对6XXX系铝合金进行1次冷热循环处理，包括以下工艺步骤：
将规格为3mm×20mm×100mm6005A铝合金焊接接头薄板工件放入坩埚式电阻炉于410~430℃保温2~5小时进行均匀化退火处理，取出后缓慢降温至室温；然后将其放于超低温深冷柜中，先在-40~-60℃保温30~50分钟；再以降温速度15℃/min继续冷却至-160~-180°C区间，保温6~8小时；再加温至-40~-60℃保温30~50分钟，随后将工件从深冷柜中取出，放置在空气中自然回温至室温，放置1~2小时；该铝合金工件经冷热循环处理后，焊接试样抗拉强度从190.95MPa提高到211.65Mpa，冲击韧性从28.1J·cm-2提高到33.4 J·cm-2。
实施例2：对6XXX系铝合金进行2次冷热循环处理，包括以下工艺步骤：
（1）将规格为3mm×20mm×100mm6005A铝合金焊接接头薄板工件放入坩埚式电阻炉于410~430℃保温2~5小时进行均匀化退火处理，取出后缓慢降温至室温；然后将其放于超低温深冷柜中，在-40~-60℃保温30~50分钟；再以降温速度15℃/min继续冷却至-160~-180°C区间，保温6~8小时；再加温至-40~-60℃保温30~50分钟，随后将铝合金工件从深冷柜中取出，放置在空气中自然回温至室温，放置1~2小时。
（2）再将铝合金工件放入深冷柜中重复步骤(1)的操作，即完成所述铝合金工件的2次冷热循环深冷处理，该铝合金工件焊接试样抗拉强度从211.65MPa提高到223.5MPa，冲击韧性从33.4 J·cm-2提高到35.4J·cm-2。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高速列车车体结构材料的冷热循环处理方法，其特征是包括以下步骤：
A、将高速列车车体结构的铝合金熔弧焊焊接接头工件放入坩埚式电阻炉中于410~430℃温度下均匀化退火处理2~5小时；取出工件放置在空气中降温至室温；
B、将工件放入深冷柜中，先使工件降温至-40~-60℃，保温30~50分钟；再以15℃/min的降温速度继续冷却至-160~-180°C温度区间保温6~8小时；再加温至-40~-60℃保温30~50分钟；
C、将工件从深冷柜中取出，放置在空气中至室温。
2.根据权利要求1所述冷热循环处理方法，其特征是：在步骤C之后，将工件再次放入坩埚式电阻炉中，依次地重复步骤A、B、C。
3.根据权利要求1或2所述冷热循环处理方法，其特征是：步骤A中，直至工件的焊缝区域组织形成均匀柱状晶时退火处理结束。
4.根据权利要求1或2所述冷热循环处理方法，其特征是：步骤A中，均匀化退火温度优选420±2℃、时间优选3~4小时。
5.根据权利要求1或2所述冷热循环处理方法，其特征是：步骤B中，先使工件降温-50±2℃，保温40±2分钟；再以15℃/min的降温速度继续冷却至-170±2℃，保温7±0.5小时。
6.根据权利要求1或2所述冷热循环处理方法，其特征是：深冷柜采用液氮气化制冷调控，坩埚式电阻炉是全封闭的坩埚式电阻炉。
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