摘要
轨道客车车体作为列车的主要部件约占整车重量的20%-30%。因此，车体结构的轻量化对提高车辆牵引效率、运行速度、降低能耗等具有重大意义。在车体制造过程中，采用轻质铝合金替代钢材，是实现车辆轻量化的重要途径之一。铝合金/不锈钢复合结构件能够在满足车体强度、刚度、抗冲击性能的要求下，最大程度上减少车体的重量。但由于铝合金与不锈钢二者间的固溶度较低，在物理、化学性质上存在着巨大的差异，导致铝合金/不锈钢的焊接性较差，接头强度难以满足工业应用的要求。因此，铝合金/不锈钢异种金属的有效焊接仍是目前亟待解决的问题。本文针对轨道客车车体用不锈钢与铝合金在焊接过程中存在的技术难题，以SUS301L不锈钢、6082-T6铝合金为母材，采用激光焊接技术，结合中间层材料对焊缝微观组织和接头性能的调控作用，系统地研究了铝合金/不锈钢的焊接性。 首先，研究了激光焊接工艺参数对焊缝成形质量、界面金属间化合物层的分布以及接头力学性能的影响。试验结果表明：（1）对于铝合金/不锈钢搭接接头，焊接功率过大、焊接速度过小加剧了焊缝表面飞溅、烧损、凹坑塌陷程度。焊接功率过小、焊接速度过大，此时接头的深宽比值（K）过大，导致铝合金与不锈钢有效搭接面积过小，从而降低接头的承载能力。因此通过优化试验，确定焊接参数如下：焊接功率P=1400W-1450W，焊接速度10mm/s；（2）对于铝合金/不锈钢对接接头，将激光偏移铝合金侧0.4mm时获得的接头焊缝成形质量良好，焊后接头变形小，接头最大拉伸强度可达102MPa。 其次，系统地研究了铝合金/不锈钢接头金属间化合物的生长机制。结果表明，多相复杂Fe-Al金属间化合物层既包括?-Fe2Al5相、θ-FeAl3相，又包括β-FeAl相。其中脆性大、硬度高的?-Fe2Al5金属间化合物层相对较厚，容易引起裂纹的萌生和扩展，最终导致接头断裂。热力学及动力学分析结果表明，?-Fe2Al5相的Gibbs自由能低于其它类型的金属间化合物，在界面冶金反应中最先生成，并沿界面分布快速形成连续的片层。 通过添加FeCoCrNiCu高熵合金中间层，能够控制?-Fe2Al5相的生成。在上述研究的基础上，采用sysweld软件对铝合金/不锈钢激光焊接过程进行了仿真模拟计算，研究了中间层金属对界面峰值温度和高温停留时间的影响，揭示了焊缝温度场分布对?-Fe2Al5相的抑制作用。此外，基于热力学参数的计算结果，探究了焊缝边界的熵效应对界面?-Fe2Al5相的抑制作用。由于控制了金属间化合物层中?-Fe2Al5相的生成，进而形成了β-FeAl/Al合金新界面，β-FeAl/Al界面的晶面间距失配率小于η-Fe2Al5/θ-FeAl3界面，具有更高的界面结合强度。因此，明确了界面反应层均质化和抑制η-Fe2Al5和θ-FeAl3的形成为物相调控的目标。 研究了AlZn基中熵合金、AlMg基中熵合金中间层对界面Fe-Al金属间化合物调控以及接头性能的影响规律。研究结果表明：（1）以AlZn基中熵合金为中间层材料，界面微观组织由三元金属间化合物Fe2Al5-xZnx相和弥散相为Al82Fe18-xZnx以及α-Al固溶体所组成。在静拉伸试验中，接头断裂位置位于铝合金的热影响区，属于韧性断裂模式，最大拉伸强度达到181MPa，已达到了铝合金母材强度的61%。（2）以AlMg基中熵合金为中间层材料，界面微观组织由薄层状的?-Fe2Al5和少量Al87Fe13相以及α-Al固溶体所组成。接头断裂位置位于Al侧焊缝区内部，为脆性+韧性混合断裂模式，接头最大拉伸强度达到147MPa。基于中熵合金中间层对界面微观组织和接头性能的调控作用，热力学上分析了焊缝边界混合熵值的增加，促使界面原子长程无序程度上升，晶格原子扩散缓慢，因此减少了界面处元素间的互扩散和元素偏聚，降低了Fe-Al金属间化合物的形成。此外，也分析了界面微观组织分布和两相界面晶体位向关系与接头断裂特征的联系。研究结果表明，通过控制金属间化合物的生成量和存在类型，能够改变接头的断裂位置，从而提高接头的静拉伸强度和接头塑性。
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