激光复合焊接高速列车7020铝合金疲劳性能和损伤分析

胡寻新

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛　266011）

7020铝合金具有较高的挤压性、可成型性、耐腐蚀性等，在退火处理之后还具有较强的操作性，能够在截面复杂且多空的材料中使用，比如车顶、侧墙等高速列车车体结构中。目前此种挤压型的材料大部分都是国外进口，国内型材虽然能够满足此使用需求，在进行焊接之后的接头性能会出现一定的变化。接头软化与疲劳断裂是现代研究人员一直研究的问题。在焊接结构实效的时候，因为交变载荷导致的疲劳断裂时间占据结构实效的大部分，如果出现疲劳破坏的事故，就会严重威胁到人们的财产和生命。在科学技术不断发展的过程中，对于金属材料性能的要求也在不断的提高，以此就体现出了焊接疲劳及损伤研究的重要性。基于此，本文就对激光复合焊接高速列车7020铝合金疲劳性能及损伤进行全面的分析。

1　实验的方法和设备

使用高速列车7020铝合金材料，将其切割成为300*120*4mm的焊接试板，使用进口的铝镁合金焊丝。试板通过机械打磨和化学清洗之后通过激光在前电弧后旁轴负荷形式中实现无间隙的对接焊。激光功率、电弧电流、焊接速度、离焦量、光丝间距分别为6kW、180A、2.2m/min、0mm、3mm，为了避免铝合金试样反射激光损伤到光纤，在实验过程中调整试板和电弧。

使用粗细砂纸将头下余高及其他的几何不连续处进行去除，在材料试验机中实现拉伸实验，通过五组的实验结果平均值。通过万能材料试验机实现常温的疲劳测试，通过横幅正弦波加载，实验之前将焊接头进行打磨。

2　实验结果和分析

2.1　损伤结果

通过X射线探伤设备检测焊缝，图1为焊接接头损伤的结果，通过图2可以看出来，除了收弧和起弧的部分，焊缝的内部并没有明显的裂纹、夹杂和未融合的情况，母材和焊缝之间的过滤较为良好。

图1　焊接接头损伤的结果

2.2　焊接接头的组织

图2为铝合金复合焊接头显微的组织，其中a属于铝合金母材挤压成型的带状组织，b和c属于焊接接头的融合线，能够看出盖面焊缝、打底焊缝及母材的融合线，融合线旁边的柱状晶组织根据打底焊缝的方向生长，这是因为打底焊接之后的熔池短时间内冷却，降低焊缝组合的温度，柱状晶根据散热方向生长。D中的大地层晶粒比干面层要大，并且打底焊缝及盖面焊缝之间具有粗大晶体。这是因为盖面焊接过程中对于打底层进行了二次加热，从而使打底层的晶粒能够再次的生长。

图2　铝合金复合焊接头显微的组织

2.3　硬度分析

12cm铝合金焊缝区域中的硬度分布比较均匀，打底层维氏硬度和盖面层硬度值分别为55HV和62HV，打底层和焊缝距离5mm时候的硬度值降低为最小值，盖面层在和焊缝中心距离9mm的时候硬度值就不断下降。导致出现此种问题的主要原因是因为铝合金在焊接之后的第二相粒子析出，热影响区就会软化，从而降低了硬度。打底层在焊缝中心距离5mm的时候硬度值是最低的，该面层在距离焊缝中心9mm的时候硬度值是最低的。导致出现此种情况的主要原因是因为打底的时候虽然使用激光复合焊接，但是其能量密度能够实现电弧压缩，从而缩小打底焊接时候的电弧加热面积，焊缝宽度和热影响区域的范围都比较窄。

3　结束语

通过本文分析表示，通过焊缝的正面形貌来说，激光复合焊接焊缝较为清晰，并且熔宽比较窄，余高比较小，具有良好的成形情况。通过焊缝的形状进行分析，激光复合焊接的变化均匀，并且具有良好的形状。其疲劳寿命是在应力幅不断增加的过程中减少的，并且在相同应力幅时候，其寿命分布比较分散。接头中的缺陷、应力集中及高焊接残余应力能够降低焊接接头的疲劳性能。

[1]胡雅楠，吴圣川，张思齐等.基于三维X射线成像的激光复合焊接7020铝合金的组织与力学特性演变[J].中国激光，2016（1）：78-86.