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大型鋁合金型材是高速列車制造的關(guān)鍵材料，國際上最新制造的高速列車車體一般采用了鋁合金制造工藝。由于車體采用了大型鋁合金擠壓型材，車體的自重大幅度降低，不僅具有減重性好、耐蝕性好、運(yùn)行性好、加工性好、產(chǎn)品質(zhì)量高、壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且維修費(fèi)低、節(jié)能，滿足了再制造、再使用等可持續(xù)發(fā)展的要求。
研究先進(jìn)的鋁合金焊接技術(shù)是高速列車制造的關(guān)鍵，作為先進(jìn)焊接技術(shù)的激光焊接鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高、焊接變形小、熱影響區(qū)小。
由于A6N01鋁合金焊接接頭的MIG焊接熱影響區(qū)寬，存在較嚴(yán)重的軟化現(xiàn)象，因此本文對A6N01鋁合金的激光焊接工藝及其焊接接頭成形與顯微硬度進(jìn)行了研究。
試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料
試驗(yàn)用材料為國產(chǎn)A6N01鋁合金，供貨狀態(tài)為T5(即由高溫成型過程中冷卻，然后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài))，厚度3mm。其成分如表 1 所示。
焊接工藝
激光脈沖焊接工藝主要通過改變電流、脈寬和頻率來進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)時(shí)固定兩個(gè)參數(shù)，通過改變其他一個(gè)參數(shù)來考察焊接成形和接頭性能。各焊接工藝參數(shù)如表2所示，焊接速度1.5 mm/s，保護(hù)氣流量15 L/min，焊接時(shí)不添加焊絲。
測試方法
焊接接頭使用HV-1000 型維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試，載荷9.8N，加載時(shí)間10s。顯微觀察試樣采用 0.5 %的氫氟酸進(jìn)行腐蝕，使用XJP-2型金相顯微鏡觀察金相組織。
試驗(yàn)結(jié)果與分析
焊接參數(shù)對焊縫成形的影響
測量在各參數(shù)條件下所得到的焊縫的寬度和熔深如圖1所示。可以看出：在三組試驗(yàn)中，焊縫熔深和寬度都有先增大后減小，在某一處出現(xiàn)峰值的趨勢，但熔深的變化較小，此特點(diǎn)在第三組試驗(yàn)最為明顯，如圖3c所示，頻率的增加對焊縫寬度的影響很小，因?yàn)轭l率的增加不會(huì)增加單個(gè)脈沖的能量。由此可見，提高功率密度可以增加熔深，但增加的程度是有限的。當(dāng)功率密度增大到一定值之后，熔深反而減小，這是因?yàn)檫^大的脈沖能量能夠?qū)е陆饘購?qiáng)烈地蒸發(fā)而帶走部分能量。鋁合金的蒸發(fā)潛熱比熔化潛熱的20倍還多（Lf=397 KJ/Kg，Lv=9492 KJ/Kg）。這就意味著，金屬液體蒸發(fā)所需的能量要比固態(tài)金屬熔化所需的能量多的多。因此，脈沖能量的增加不但沒有使熔深和寬度增加，反而由于能量的增加使金屬液體蒸發(fā)，吸收和帶走了部分能量而使熔深和寬度減小。此外，這還與鋁合金的激光反射增強(qiáng)有關(guān)。
焊縫的顯微硬度
沿垂直焊縫方向測量顯微硬度，焊接接頭硬度分布如圖2所示。
由圖2可見，A6N01鋁合金焊接接頭的硬度在焊縫中心位置最低，硬度值為62HV。在距離焊縫中心0.5 mm區(qū)域的硬度值隨距離增大其硬度值有較大增加。距離焊縫中心0.5～1.25mm的熱影響區(qū)區(qū)域，雖然硬度比焊縫高，但接頭硬度又比近縫區(qū)有所下降。在1.25～1.5mm區(qū)域，接頭硬度增大，在離焊縫中心約1.75mm的熱影響區(qū)硬度降低，表明存在軟化區(qū)。距離焊縫中心2.5mm之后的區(qū)域硬度恢復(fù)到母材硬度，表明焊接接頭的熱影響區(qū)寬度約2mm。
顯微組織
A6N01鋁合金激光焊接金相組織如圖3所示，從圖3a可觀察到焊接熔池的凝固過程是從熔池邊界開始的，焊縫金屬結(jié)晶與母材基底相聯(lián)系，以母材晶粒外延而生長，即其凝固方式為外延結(jié)晶。圖3b為母材的顯微組織，晶粒呈等軸晶，較為細(xì)小。圖3c為熱影響區(qū)的顯微組織，晶粒發(fā)生了長大現(xiàn)象。在晶粒長大時(shí)，晶界總面積減小，也就是多邊的大晶粒吞并小晶粒。晶粒的粗化不僅影響焊接接頭的性能，使其強(qiáng)度和硬度降低，同時(shí)也增大了產(chǎn)生裂紋的傾向。A6N01鋁合金的強(qiáng)化相為Mg2Si，在顯微組織中呈黑色的第二相。焊縫金屬由于Mg元素的燒損和加熱熔化而使強(qiáng)化相減少并溶入到金屬基體中，在焊縫中已經(jīng)觀察不到Mg2Si強(qiáng)化相的存在。在熔合線附近和熱影響區(qū)的強(qiáng)化相也相應(yīng)減少，從而使焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度和硬度下降。
結(jié)論
（1） 焊縫熔深和寬度隨功率的增加都有先增大后減小，在某一處出現(xiàn)峰值的趨勢，但熔深和寬度不同的是熔深的變化較小。提高功率密度可以增加熔深，但增加的程度是有限的。當(dāng)功率密度增大到一定值之后，熔深反而減小，原因是過大的脈沖能量能夠?qū)е陆饘購?qiáng)烈地蒸發(fā)而帶走部分能量。
（2）A6N01鋁合金焊接接頭的硬度以焊縫為中心呈對稱分布，變化趨勢是先增加后降低，接著又恢復(fù)到母材的硬度值。焊縫區(qū)硬度比母材硬度低，在焊縫中心位置硬度最低。在離焊縫中心約1.75 mm的熱影響區(qū)存在軟化區(qū)。焊接接頭的熱影響區(qū)很窄，約2 mm。
（3）焊接熔池的凝固以外延結(jié)晶方式進(jìn)行，熱影響區(qū)的晶粒粗化。在焊接熱循環(huán)的作用下，Mg部分燒損以及焊縫中第二相Mg2Si溶入基體金屬，使焊縫和熱影響區(qū)的強(qiáng)度和硬度下降。 ■
(作者：楊尚磊，孟立春，呂任遠(yuǎn) /南車四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心;林慶琳，陳東方/青島科技大學(xué)材料學(xué)院)
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