Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂紋形成機(jī)理研究.pdf

1、Al-Mg-Si合金由于其在成形性、材料強(qiáng)度以及減輕結(jié)構(gòu)重量等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，深受航空航天工業(yè)和汽車工業(yè)的青睞。近年來，隨著高效激光焊接方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金材料的連接提供了新的途徑。激光焊接由于其柔性好、能量密度高、焊接速度快、熱影響區(qū)窄等優(yōu)勢(shì)，能夠有效控制焊接過程的熱輸入和熱影響區(qū)寬度，從而抑制了焊接接頭的強(qiáng)度軟化現(xiàn)象。但是，焊接過程中的凝固裂紋問題仍然是鋁合金激光焊接的一大瓶頸，迄今為止沒有得到很好的解決。因此，研究Al

2、-Mg-Si合金激光焊接凝固裂紋的形成機(jī)制以及建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，對(duì)于凝固裂紋的預(yù)防以及獲得優(yōu)質(zhì)高效的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文搭建了焊接凝固裂紋敏感性試驗(yàn)平臺(tái)，采用表面裂紋長(zhǎng)度與焊縫長(zhǎng)度的比值表征凝固裂紋敏感性，研究了主要激光焊接工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度、焊縫與工件邊緣距離）對(duì)6013鋁合金凝固裂紋敏感性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，增大激光功率會(huì)增大凝固裂紋敏感性，提高焊接速度和增加焊縫與工件邊

3、緣距離可以有效降低凝固裂紋敏感性。為了體現(xiàn)焊接工藝參數(shù)對(duì)凝固裂紋的耦合影響，基于響應(yīng)面優(yōu)化法建立了鋁合金激光焊接凝固裂紋率的數(shù)學(xué)模型：HC=-1554.1+11.2L+606.7P+346.5V-16.3LP+10.9LV-140.3PV。
　　本文設(shè)計(jì)了不同拘束類型（單邊拘束、雙邊拘束）下，拘束強(qiáng)度對(duì)凝固裂紋萌生與擴(kuò)展影響的工藝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與無拘束狀態(tài)相比，單邊拘束促進(jìn)凝固裂紋的萌生和擴(kuò)展，并且這種促進(jìn)作用隨著拘束強(qiáng)度的增大

4、而增大；與無拘束狀態(tài)相比，雙邊拘束能夠有效阻礙裂紋的擴(kuò)展。機(jī)械拘束阻礙金屬的凝固收縮，在熔池尾部的脆性溫度區(qū)間內(nèi)引起額外的拉伸機(jī)械應(yīng)變是影響裂紋萌生的主要原因。機(jī)械拘束引起的拉伸拘束應(yīng)力在促進(jìn)裂紋尖端張開的同時(shí)；夾具本身卻會(huì)阻礙裂紋尖端的張開，拘束對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響是兩者競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。
　　通過高速攝影觀察和金相分析，研究了6013鋁合金凝固裂紋的萌生和擴(kuò)展路徑。在本文采用的焊接工藝條件下，發(fā)現(xiàn)6013鋁合金凝固裂紋首先萌生于焊縫焊趾

5、處的柱狀晶區(qū)域，沿著柱狀晶晶界向中心擴(kuò)展形成中心裂紋，隨后沿著焊縫中心持續(xù)擴(kuò)展。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)凝固裂紋萌生與擴(kuò)展處的斷口形貌和成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)凝固裂紋斷口被富含Mg、Si和Cu元素的液膜覆蓋。利用JmatPro軟件計(jì)算了6013鋁合金的凝固過程，分析得到了構(gòu)成液膜的低熔點(diǎn)共晶體的組成。冶金分析表明，6013鋁合金凝固裂紋的萌生和擴(kuò)展是由于晶間液膜的斷裂；同時(shí)，熔融金屬的回流不能彌補(bǔ)開裂引起。

6、　　基于熱彈塑性理論建立了6013鋁合金光纖激光焊接過程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元模型。焊接過程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)模型需要恰當(dāng)?shù)目紤]鋁合金的高溫力學(xué)性能、熔池中液態(tài)金屬的應(yīng)力松弛狀態(tài)以及焊縫金屬的凝固收縮效應(yīng)。通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。基于焊接過程應(yīng)力應(yīng)變模型，提出了6013鋁合金凝固裂紋萌生和擴(kuò)展的宏觀力學(xué)判據(jù)。脆性溫度區(qū)間內(nèi)的機(jī)械應(yīng)變和累積位移量是衡量裂紋萌生和擴(kuò)展敏感性的重要因素。機(jī)械應(yīng)變?cè)酱?，凝固裂紋越容易萌生；累積位移量越大，凝固裂紋

7、越容易擴(kuò)展。利用所建立的焊接過程應(yīng)力應(yīng)變模型，定量分析了凝固裂紋擴(kuò)展路徑，拘束類型以及焊縫與工件邊緣距離對(duì)凝固裂紋萌生和擴(kuò)展的影響。
　　建立了微觀應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元模型，計(jì)算了液膜存在情況下的局部應(yīng)力應(yīng)變分布。模擬結(jié)果表明，液膜區(qū)域的局部應(yīng)變約為固相枝晶應(yīng)變的103倍數(shù)量級(jí)，柱狀晶液膜處的應(yīng)變集中是造成液膜斷裂的重要原因?；谫|(zhì)量守恒和平面均質(zhì)流體滲流公式推導(dǎo)了晶間液膜內(nèi)壓降的計(jì)算公式，分析了晶間壓降模型在焊接中的應(yīng)用。從微觀角度