大型铝合金型材是高速列车制造的关键材料，国际上最新制造的高速列车车体一般采用了铝合金制造工艺。由于车体采用了大型铝合金挤压型材，车体的自重大幅度降低，不仅具有减重性好、耐蚀性好、运行性好、加工性好、产品质量高、寿命周期成本低等优点，而且维修费低、节能，满足了再制造、再使用等可持续发展的要求。
       研究先进的铝合金焊接技术是高速列车制造的关键，作为先进焊接技术的激光焊接铝合金的优点是能量密度高、焊接变形小、热影响区小。
      由于A6N01铝合金焊接接头的MIG焊接热影响区宽，存在较严重的软化现象，因此本文对A6N01铝合金的激光焊接工艺及其焊接接头成形与显微硬度进行了研究。

试验材料与方法
试验材料
    试验用材料为国产A6N01铝合金，供货状态为T5(即由高温成型过程中冷却，然后进行人工时效的状态)，厚度3mm。其成分如表 1 所示。

焊接工艺
    激光脉冲焊接工艺主要通过改变电流、脉宽和频率来进行控制。实验时固定两个参数，通过改变其他一个参数来考察焊接成形和接头性能。各焊接工艺参数如表2所示，焊接速度1.5 mm/s，保护气流量15 L/min，焊接时不添加焊丝。

测试方法
    焊接接头使用HV-1000 型维氏硬度计进行硬度测试，载荷9.8N，加载时间10s。显微观察试样采用 0.5 %的氢氟酸进行腐蚀，使用XJP-2型金相显微镜观察金相组织。
 

试验结果与分析
焊接参数对焊缝成形的影响
    测量在各参数条件下所得到的焊缝的宽度和熔深如图1所示。可以看出：在三组试验中，焊缝熔深和宽度都有先增大后减小，在某一处出现峰值的趋势，但熔深的变化较小，此特点在第三组试验最为明显，如图3c所示，频率的增加对焊缝宽度的影响很小，因为频率的增加不会增加单个脉冲的能量。由此可见，提高功率密度可以增加熔深，但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后，熔深反而减小，这是因为过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。铝合金的蒸发潜热比熔化潜热的20倍还多（Lf=397 KJ/Kg，Lv=9492 KJ/Kg）。这就意味着，金属液体蒸发所需的能量要比固态金属熔化所需的能量多的多。因此，脉冲能量的增加不但没有使熔深和宽度增加，反而由于能量的增加使金属液体蒸发，吸收和带走了部分能量而使熔深和宽度减小。此外，这还与铝合金的激光反射增强有关。

焊缝的显微硬度
    沿垂直焊缝方向测量显微硬度，焊接接头硬度分布如图2所示。
    由图2可见，A6N01铝合金焊接接头的硬度在焊缝中心位置最低，硬度值为62HV。在距离焊缝中心0.5 mm区域的硬度值随距离增大其硬度值有较大增加。距离焊缝中心0.5～1.25mm的热影响区区域，虽然硬度比焊缝高，但接头硬度又比近缝区有所下降。在1.25～1.5mm区域，接头硬度增大，在离焊缝中心约1.75mm的热影响区硬度降低，表明存在软化区。距离焊缝中心2.5mm之后的区域硬度恢复到母材硬度，表明焊接接头的热影响区宽度约2mm。

显微组织
    A6N01铝合金激光焊接金相组织如图3所示，从图3a可观察到焊接熔池的凝固过程是从熔池边界开始的，焊缝金属结晶与母材基底相联系，以母材晶粒外延而生长，即其凝固方式为外延结晶。图3b为母材的显微组织，晶粒呈等轴晶，较为细小。图3c为热影响区的显微组织，晶粒发生了长大现象。在晶粒长大时，晶界总面积减小，也就是多边的大晶粒吞并小晶粒。晶粒的粗化不仅影响焊接接头的性能，使其强度和硬度降低，同时也增大了产生裂纹的倾向。A6N01铝合金的强化相为Mg2Si，在显微组织中呈黑色的第二相。焊缝金属由于Mg元素的烧损和加热熔化而使强化相减少并溶入到金属基体中，在焊缝中已经观察不到Mg2Si强化相的存在。在熔合线附近和热影响区的强化相也相应减少，从而使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。
结论
    （1） 焊缝熔深和宽度随功率的增加都有先增大后减小，在某一处出现峰值的趋势，但熔深和宽度不同的是熔深的变化较小。提高功率密度可以增加熔深，但增加的程度是有限的。当功率密度增大到一定值之后，熔深反而减小，原因是过大的脉冲能量能够导致金属强烈地蒸发而带走部分能量。
    （2）A6N01铝合金焊接接头的硬度以焊缝为中心呈对称分布，变化趋势是先增加后降低，接着又恢复到母材的硬度值。焊缝区硬度比母材硬度低，在焊缝中心位置硬度最低。在离焊缝中心约1.75 mm的热影响区存在软化区。焊接接头的热影响区很窄，约2 mm。
    （3）焊接熔池的凝固以外延结晶方式进行，热影响区的晶粒粗化。在焊接热循环的作用下，Mg部分烧损以及焊缝中第二相Mg2Si溶入基体金属，使焊缝和热影响区的强度和硬度下降。   ■

 (作者：杨尚磊，孟立春，吕任远 /南车四方机车车辆股份有限公司技术中心;林庆琳，陈东方/青岛科技大学材料学院)