異種鋁合金雷射焊熱裂紋敏感性及力學行為多尺度建模

《異種鋁合金雷射焊熱裂紋敏感性及力學行為多尺度建模》是依託上海交通大學，由蘆鳳桂擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：異種鋁合金雷射焊熱裂紋敏感性及力學行為多尺度建模
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蘆鳳桂
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本課題擬以普遍用於製造飛機機體、汽車車身的Al-Si/Al-Mg系鋁合金為研究對象，採用微觀與巨觀力學模型相結合的建模方法系統研究雷射焊接過程中接頭的力學行為及熱裂紋敏感性，探究雷射焊接過程中熱裂紋敏感性與過程參數的關係。研究將基於巨觀熱力學全尺度模型，獲取整個雷射焊接接頭的動態溫度場及應力應變場，提取關鍵部位建立包含晶粒形貌、液膜分布及低熔組分的微觀熱力學模型，計算晶粒間及液膜的微觀應力應變，分析微觀損傷的可能性，並將微觀模型獲取的結果嵌入到全尺度模型，以提高全尺度模型應力應變計算的準確性，從而實現以微觀模型與巨觀模型多尺度耦合的方式研究異種鋁合金雷射焊接過程中參數變化與微觀動態應力應變的關係及與熱裂敏感性的內在聯繫。多尺度焊接過程力學模型的成功建立，將提高焊接過程材料力學分析的準確性，開闢新的揭示鋁合金高效雷射焊接熱裂紋產生機制的研究途徑，指導鋁合金焊接熱裂紋問題的解決。

結題摘要

Al-Mg/Al-Mg-Si鋁合金由於其在成形性、材料強度以及減輕結構重量等方面獨具優勢，深受航空航天工業和汽車工業的青睞。雷射焊接由於其柔性好、能量密度高、焊接速度快、熱影響區窄等優勢，能夠有效控制焊接過程的熱輸入和熱影響區寬度，從而抑制了鋁合金焊接接頭的強度軟化現象。但是，焊接過程中的凝固裂紋問題仍然是鋁合金雷射焊接的一大瓶頸，迄今為止沒有得到很好的解決。因此，研究鋁合金雷射焊接凝固裂紋的形成機制以及建立相應的數學預測模型，對於凝固裂紋的預防以及獲得優質高效的鋁合金焊接結構具有重要的指導意義和套用價值。本課題搭建了焊接凝固裂紋敏感性試驗平台，研究了主要雷射焊接工藝參數對鋁合金凝固裂紋敏感性的影響規律。試驗結果表明，降低雷射功率、提高焊接速度和增加焊縫與工件邊緣距離可以有效降低凝固裂紋敏感性。設計了不同拘束類型下，拘束強度對凝固裂紋萌生與擴展影響的工藝實驗。結果表明，與無拘束狀態相比，單邊拘束促進凝固裂紋的萌生和擴展，並且這種促進作用隨著拘束強度的增大而增大；與無拘束狀態相比，雙邊拘束能夠有效阻礙裂紋的擴展。基於熱彈塑性理論建立了鋁合金光纖雷射焊接過程應力應變場有限元模型。焊接過程應力應變場模型需要恰當的考慮鋁合金的高溫力學性能、熔池中液態金屬的應力鬆弛狀態以及焊縫金屬的凝固收縮效應。基於焊接過程應力應變模型，提出了鋁合金凝固裂紋萌生和擴展的巨觀力學判據。脆性溫度區間內的機械應變和累積位移量是衡量裂紋萌生和擴展敏感性的重要因素。機械應變越大，凝固裂紋越容易萌生；累積位移量越大，凝固裂紋越容易擴展。利用所建立的焊接過程應力應變模型，定量分析了凝固裂紋擴展路徑，拘束類型以及焊縫與工件邊緣距離對凝固裂紋萌生和擴展的影響。建立了微觀應力應變場有限元模型，計算了液膜存在情況下的局部應力應變分布。模擬結果表明，液膜區域的局部應變約為固相枝晶應變的103倍數量級，柱狀晶液膜處的應變集中是造成液膜斷裂的重要原因。基於質量守恆和平面均質流體滲流公式推導了晶間液膜內壓降的計算公式，分析了晶間壓降模型在焊接中的套用。從微觀角度出發，詮釋鋁合金凝固裂紋萌生的微觀機制：晶間液膜中的壓降達到形成空穴的臨界壓降，液膜斷裂引起凝固裂紋的萌生。利用柱狀晶局部應變模型和晶間壓降公式計算了不同焊接速度下凝固裂紋的敏感性，得到了鋁合金雷射焊接凝固裂紋萌生的臨界條件。