Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂纹形成机理研究

摘要

Al-Mg-Si合金由于其在成形性、材料强度以及减轻结构重量等方面独具优势，深受航空航天工业和汽车工业的青睐。近年来，随着高效激光焊接方法的出现和应用，为实现高强铝合金材料的连接提供了新的途径。激光焊接由于其柔性好、能量密度高、焊接速度快、热影响区窄等优势，能够有效控制焊接过程的热输入和热影响区宽度，从而抑制了焊接接头的强度软化现象。但是，焊接过程中的凝固裂纹问题仍然是铝合金激光焊接的一大瓶颈，迄今为止没有得到很好的解决。因此，研究Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂纹的形成机制以及建立相应的数学预测模型，对于凝固裂纹的预防以及获得优质高效的铝合金焊接结构具有重要的指导意义和应用价值。
　　本文搭建了焊接凝固裂纹敏感性试验平台，采用表面裂纹长度与焊缝长度的比值表征凝固裂纹敏感性，研究了主要激光焊接工艺参数（激光功率、焊接速度、焊缝与工件边缘距离）对6013铝合金凝固裂纹敏感性的影响规律。试验结果表明，增大激光功率会增大凝固裂纹敏感性，提高焊接速度和增加焊缝与工件边缘距离可以有效降低凝固裂纹敏感性。为了体现焊接工艺参数对凝固裂纹的耦合影响，基于响应面优化法建立了铝合金激光焊接凝固裂纹率的数学模型：HC=-1554.1+11.2L+606.7P+346.5V-16.3LP+10.9LV-140.3PV。
　　本文设计了不同拘束类型（单边拘束、双边拘束）下，拘束强度对凝固裂纹萌生与扩展影响的工艺实验。结果表明，与无拘束状态相比，单边拘束促进凝固裂纹的萌生和扩展，并且这种促进作用随着拘束强度的增大而增大；与无拘束状态相比，双边拘束能够有效阻碍裂纹的扩展。机械拘束阻碍金属的凝固收缩，在熔池尾部的脆性温度区间内引起额外的拉伸机械应变是影响裂纹萌生的主要原因。机械拘束引起的拉伸拘束应力在促进裂纹尖端张开的同时；夹具本身却会阻碍裂纹尖端的张开，拘束对裂纹扩展的影响是两者竞争的结果。
　　通过高速摄影观察和金相分析，研究了6013铝合金凝固裂纹的萌生和扩展路径。在本文采用的焊接工艺条件下，发现6013铝合金凝固裂纹首先萌生于焊缝焊趾处的柱状晶区域，沿着柱状晶晶界向中心扩展形成中心裂纹，随后沿着焊缝中心持续扩展。利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对凝固裂纹萌生与扩展处的断口形貌和成分进行了分析，发现凝固裂纹断口被富含Mg、Si和Cu元素的液膜覆盖。利用JmatPro软件计算了6013铝合金的凝固过程，分析得到了构成液膜的低熔点共晶体的组成。冶金分析表明，6013铝合金凝固裂纹的萌生和扩展是由于晶间液膜的断裂；同时，熔融金属的回流不能弥补开裂引起。
　　基于热弹塑性理论建立了6013铝合金光纤激光焊接过程应力应变场有限元模型。焊接过程应力应变场模型需要恰当的考虑铝合金的高温力学性能、熔池中液态金属的应力松弛状态以及焊缝金属的凝固收缩效应。通过与实验对比，验证了模型的可靠性。基于焊接过程应力应变模型，提出了6013铝合金凝固裂纹萌生和扩展的宏观力学判据。脆性温度区间内的机械应变和累积位移量是衡量裂纹萌生和扩展敏感性的重要因素。机械应变越大，凝固裂纹越容易萌生；累积位移量越大，凝固裂纹越容易扩展。利用所建立的焊接过程应力应变模型，定量分析了凝固裂纹扩展路径，拘束类型以及焊缝与工件边缘距离对凝固裂纹萌生和扩展的影响。
　　建立了微观应力应变场有限元模型，计算了液膜存在情况下的局部应力应变分布。模拟结果表明，液膜区域的局部应变约为固相枝晶应变的103倍数量级，柱状晶液膜处的应变集中是造成液膜断裂的重要原因。基于质量守恒和平面均质流体渗流公式推导了晶间液膜内压降的计算公式，分析了晶间压降模型在焊接中的应用。从微观角度出发，诠释了6013铝合金凝固裂纹萌生的微观机制：晶间液膜中的压降达到形成空穴的临界压降，液膜断裂引起凝固裂纹的萌生。利用柱状晶局部应变模型和晶间压降公式计算了不同焊接速度下凝固裂纹的敏感性，得到了6013铝合金激光焊接凝固裂纹萌生的临界条件。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 Al-Mg-Si合金的激光焊接特性

1.3铝合金焊接凝固裂纹基本理论

1.4焊接凝固裂纹的数值模拟研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第二章 试验方法及数值模拟理论

2.1 试验材料

2.2 试验设备与方法

2.3 表征及测试方法

2.4有限元分析基本理论

2.5本章小结

第三章 Al-Mg-Si合金激光焊接凝固裂纹敏感性及组织特征

3.1 凝固裂纹敏感性研究

3.2 拘束强度对凝固裂纹萌生与扩展的影响规律

3.3 凝固裂纹萌生与扩展的动态过程

3.4 铝合金凝固裂纹冶金特征

3.5 本章小结

第四章 激光焊接凝固裂纹萌生与扩展的宏观力学因素

4.1铝合金激光焊接温度场模型的建立

4.2铝合金激光焊接瞬态应力场模型的建立

4.3 凝固裂纹萌生与扩展的宏观力学判据

4.4 裂纹萌生与扩展行为的模拟分析

4.5 拘束强度对凝固裂纹影响的模拟分析

4.6焊缝与工件边缘距离对凝固裂纹影响的模拟分析

4.7 本章小结

第五章 铝合金激光焊接凝固裂纹萌生的微观模型

5.1 局部应力应变分布

5.2 晶间压降分布

5.3凝固裂纹萌生的微观判据

5.4基于微观判据的凝固裂纹敏感性分析

5.5 本章小结

第六章 结 论

创新点

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

答辩决议书