铝合金焊接接头循环变形行为的实验研究和数值模拟

摘要

铝合金焊接接头广泛应用于高速列车车体中。车体用焊接接头在服役过程中不可避免地承受循环载荷作用，在焊接接头区容易产生棘轮效应，加速构件的疲劳破坏。另外，由于焊接是一个快速的加热和冷却过程，焊接接头各区域所受的焊接热循环差异较大，且母材和填充金属成分常常不相同，使得焊接接头在成分、组织和性能上都是一个非均质体，这种非均质性对焊接接头的力学行为产生重要影响。因此，结合焊接接头的组织结构和基本力学性能，对铝合金焊接接头的循环变形行为进行研究，进而对我国高速列车车体的服役安全性进行评估，具有重要的现实意义和科研价值。主要内容包括： (1) 利用光学显微镜、SEM 扫描电镜、EDS 能谱仪和显微硬度仪获取了两种铝合金焊接接头的组织成分与硬度分布；利用DIC技术获取了焊接接头的拉伸力学性能和非均匀应变场分布，观察了两种焊接接头的拉伸断口形貌。结果表明：6005A-T6焊接接头焊缝中心部位呈等轴晶组织，边部则呈柱状晶组织，焊缝中强化粒子较多；母材为完全再结晶组织；熔合区和靠近熔合区的热影响区强化颗粒分布相仿，靠近母材的热影响区中出现了分布不均匀的粗大强化相，该区域处于硬度的最低点。拉伸试样在软化区发生断裂，为6005A-T6焊接接头的最薄弱区域。A7N01-T4焊接接头焊缝为典型的铸态组织，由粗大的等轴晶和柱状晶组成，焊缝区有较多的偏析物聚集出现；焊缝硬度最低，抗拉强度最低，拉伸试样于焊缝处断裂，为焊接接头的最薄弱区域；热影响区晶粒粗大，有粗大强化相析出；母材组织为沿轧制方向的细长纤维状晶粒，弥散分布着细小的强化相，为焊接接头的高强性能区。 (2) 对两种铝合金焊接接头的循环软/硬化特性和棘轮行为进行实验研究，结果表明：两种焊接接头的循环变形均由焊缝主导；6005A-T6和A7N01-T4铝合金焊接接头在对称应变控制加载下均体现出循环稳定特征；焊接接头在不同非对称应力循环加载条件下的塑性变形累积均不明显，接头整体抵抗棘轮变形的能力强，出现了棘轮安定状态。由焊缝变形主导的循环变形行为可认为是Orowan强化机制作用的结果：焊缝分布着尺寸较大的析出相，位错运动时只能绕过，而位错绕过析出相会导致应变均匀化，形成均匀分布的位错纠缠，阻碍进一步的位错运动，产生形变强化，导致焊接接头循环加载前几圈即迅速硬化，接头整体表现出循环稳定现象。 (3) 根据焊接接头各分区材质均匀化的假设，建立了两类焊接接头分区分布的有限元模型，通过ABAQUS的率相关金属塑性模型(粘塑性模型)对两类焊接接头的循环变形进行了有限元模拟，模拟结果与实验符合地较好。该模拟方法为后续优化焊接接头 工艺提供了理论指导。

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