激光復合焊接高速列車7020鋁合金疲勞性能和損傷分析

胡尋新

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島　266011）

7020鋁合金具有較高的擠壓性、可成型性、耐腐蝕性等，在退火處理之后還具有較強的操作性，能夠在截面復雜且多空的材料中使用，比如車頂、側墻等高速列車車體結構中。目前此種擠壓型的材料大部分都是國外進口，國內型材雖然能夠滿足此使用需求，在進行焊接之后的接頭性能會出現一定的變化。接頭軟化與疲勞斷裂是現代研究人員一直研究的問題。在焊接結構實效的時候，因為交變載荷導致的疲勞斷裂時間占據結構實效的大部分，如果出現疲勞破壞的事故，就會嚴重威脅到人們的財產和生命。在科學技術不斷發展的過程中，對于金屬材料性能的要求也在不斷的提高，以此就體現出了焊接疲勞及損傷研究的重要性。基于此，本文就對激光復合焊接高速列車7020鋁合金疲勞性能及損傷進行全面的分析。

1　實驗的方法和設備

使用高速列車7020鋁合金材料，將其切割成為300*120*4mm的焊接試板，使用進口的鋁鎂合金焊絲。試板通過機械打磨和化學清洗之后通過激光在前電弧后旁軸負荷形式中實現無間隙的對接焊。激光功率、電弧電流、焊接速度、離焦量、光絲間距分別為6kW、180A、2.2m/min、0mm、3mm，為了避免鋁合金試樣反射激光損傷到光纖，在實驗過程中調整試板和電弧。

使用粗細砂紙將頭下余高及其他的幾何不連續處進行去除，在材料試驗機中實現拉伸實驗，通過五組的實驗結果平均值。通過萬能材料試驗機實現常溫的疲勞測試，通過橫幅正弦波加載，實驗之前將焊接頭進行打磨。

2　實驗結果和分析

2.1　損傷結果

通過X射線探傷設備檢測焊縫，圖1為焊接接頭損傷的結果，通過圖2可以看出來，除了收弧和起弧的部分，焊縫的內部并沒有明顯的裂紋、夾雜和未融合的情況，母材和焊縫之間的過濾較為良好。

圖1　焊接接頭損傷的結果

2.2　焊接接頭的組織

圖2為鋁合金復合焊接頭顯微的組織，其中a屬于鋁合金母材擠壓成型的帶狀組織，b和c屬于焊接接頭的融合線，能夠看出蓋面焊縫、打底焊縫及母材的融合線，融合線旁邊的柱狀晶組織根據打底焊縫的方向生長，這是因為打底焊接之后的熔池短時間內冷卻，降低焊縫組合的溫度，柱狀晶根據散熱方向生長。D中的大地層晶粒比干面層要大，并且打底焊縫及蓋面焊縫之間具有粗大晶體。這是因為蓋面焊接過程中對于打底層進行了二次加熱，從而使打底層的晶粒能夠再次的生長。

圖2　鋁合金復合焊接頭顯微的組織

2.3　硬度分析

12cm鋁合金焊縫區域中的硬度分布比較均勻，打底層維氏硬度和蓋面層硬度值分別為55HV和62HV，打底層和焊縫距離5mm時候的硬度值降低為最小值，蓋面層在和焊縫中心距離9mm的時候硬度值就不斷下降。導致出現此種問題的主要原因是因為鋁合金在焊接之后的第二相粒子析出，熱影響區就會軟化，從而降低了硬度。打底層在焊縫中心距離5mm的時候硬度值是最低的，該面層在距離焊縫中心9mm的時候硬度值是最低的。導致出現此種情況的主要原因是因為打底的時候雖然使用激光復合焊接，但是其能量密度能夠實現電弧壓縮，從而縮小打底焊接時候的電弧加熱面積，焊縫寬度和熱影響區域的范圍都比較窄。

3　結束語

通過本文分析表示，通過焊縫的正面形貌來說，激光復合焊接焊縫較為清晰，并且熔寬比較窄，余高比較小，具有良好的成形情況。通過焊縫的形狀進行分析，激光復合焊接的變化均勻，并且具有良好的形狀。其疲勞壽命是在應力幅不斷增加的過程中減少的，并且在相同應力幅時候，其壽命分布比較分散。接頭中的缺陷、應力集中及高焊接殘余應力能夠降低焊接接頭的疲勞性能。

[1]胡雅楠，吳圣川，張思齊等.基于三維X射線成像的激光復合焊接7020鋁合金的組織與力學特性演變[J].中國激光，2016（1）：78-86.