铌对激光-VPTIG复合焊接铝合金气孔及服役行为的冶金调控基础研究

Using aluminum alloy to instead steel materials is one of the most effective ways of lightweight in the high-speed train body. In recent years, with the speed level continuously improving and the requirements in cost and efficiency upping, advanced welding technology of aluminum alloy vehicle body has become one of the key supports to increase the independent innovation in high speed train manufacturing and the competitiveness in the international market. Fiber laser- variable polarity tungsten inert gas (VPTIG) hybrid welding of aluminum alloy is an innovative welding technology, which distinctly improve the tensile intensity, ductile and fatigue property. Focused on the micro porosity which can not be completely overcome by parameters optimization and the deficiency of joint strength during high power fiber laser- VPTIG hybrid welding of aluminum alloy, this project put forward a new idea about metallurgical regulation of porosity and service behavior by addition of the metal Nb in fiber laser-VPTIG hybrid welding of aluminum alloy based on metallurgical analysis. The reaction mechanism between Nb and H, the solid solution mechanism of Nb and the metallurgical behavior by the micro alloying of Nb will be studied in detailed. At the same time, the effect on the service behavior of the hybrid welding joints will be investigated in situ high-resolution synchrotron X-ray microtomography. The research results will not only enrich the theory of laser-arc hybrid welding but promote the re-innovation of the high speed train manufacturing technology.

铝合金车体是高速列车车体轻量化发展的重要方向。随着列车运行速度等级的不断提高及市场竞争对成本和效率提出了更高要求，发展铝合金车体焊接新技术成为提高高速列车制造自主创新水平，增加国际市场竞争力的关键支撑之一。针对铝合金高功率光纤激光-变极性非熔化极惰性气体电弧（VPTIG）复合焊接中存在的气孔不能完全克服及接头强韧性不足等问题，本项目在冶金学分析的基础上，提出了添加金属Nb对光纤激光-变极性TIG复合填丝焊接铝合金接头的气孔形成及服役行为冶金调控的新思路，系统研究金属Nb与H的反应过程及固氢机理、Nb的固溶机制及扩散、偏析行为，Nb的微合金化机理及其对复合焊接接头显微组织演变及服役行为的相关性等关键科学问题，奠定Nb微合金化光纤激光-VPTIG复合焊接铝合金的理论和技术基础。项目研究成果对丰富激光-电弧复合焊接理论，推动高速列车制造技术再创新具有重要意义。

车体轻量化是列车实现高速运行的关键技术之一，当前运行速度超过200 km/h 的高速列车车体几乎全部为铝合金车体。随着服役条件的不断提高，对铝合金车体焊接质量提出新了挑战。.本项目面对高速列车车体广泛应用的A7204铝合金，针对铝合金激光-VPTIG复合焊接中存在的气孔不能完全克服及接头强韧性不足难题，提出了Nb微合金化冶金调控的新思路，重点研究了Nb的冶金行为对气孔缺陷、组织性能演变的影响规律、Nb微合金化机理，掌握了铝合金复合焊接气孔缺陷的影响因素，发展了摆动光束抑制气孔的新工艺方法。研究结果表明：同样条件下，不同填充焊丝对接头力学性能影响不大，同时当母材板厚超过4mm时，CMT较VPTIG复合焊接的气孔敏感性显著下降，通过改变焊缝中Nb箔添加的厚度调控焊缝中Nb元素含量，实现了焊缝工艺性气孔的根本性抑制，添加25 μmNb箔复合焊接头抗拉强度为349MPa，约为母材的92.8%，屈服强度是母材的93.0%，延伸率为母材的42.6%。焊缝中析出的Al3（Nb，Mg）初生相和基体沉淀相NbAl3相作为非均质形核核心，焊缝中全部由细小等轴晶组成是接头强韧性改善的主要原因。光束摆动-CMT焊接工艺进一步促进了焊缝铌的熔化和均匀化，消除了焊缝未熔合的金属铌，使偏析于晶界的合金元素和析出相减少。受摆动光束焊接时的原位搅拌及缺陷控制启发，发明了SiCp增强铝基复合材料预置间隙摆动激光填丝焊接方法，通过大的送丝量来减少母材的稀释率，降低了SiCp的溶解及界面反应程度，抑制了Al4C3脆性相生成，实现了1.6mm厚30%vol的SiCp/2009Al MMCs的高质量焊接，焊接接头的抗拉强度为233±3MPa，约为母材的强度的68%，屈服强度为225.5±4.5MPa，约为母材的82%，断后延伸率约为3%。最后探讨了摆动激光-CMT复合焊接工艺在时速600kM高速磁浮列车铝合金车体中的应用可行性。.项目研究结果共发表学术SCI检索3篇，EI检索4篇，申请美国发明专利（PCT）1项，国家发明专利4项（授权3项），软件著作权1项，培养博士研究生1名，硕士研究生7名，其中已毕业硕士研究生6名，获山东省科学技术奖一等奖1项。项目研究为轨道交通轻量化车体大型薄壁中空铝合金型材优质高效可靠连接奠定了理论和技术基础。