微通道管挤压成形中尺寸效应对焊合强度的影响规律及建模

Micro channel tube has advantages of high pressure bearing capacity, lightweight and heat transfer enhancement. It has been a trend that multi-channel extruded tube develops towards micro channel tube and micro channel tube will have broad application prospects in energy conservation and emission reduction. In the micro channel tube extrusion process, as the seam welding plane is tiny, the microstructure will have direct effect on the seam welding strength and it’s hard to control the welding strength. This project aims at the size effect bringing by the tiny seam welding plane. Firstly, physical simulation and extrusion process experiments will be carried out to study the influence of the geometry size and grain size to both the welding strength and void distribution patterns. Further, based on damage mechanics theory, void distribution model and split model based on size effect will be established. And void fraction expression under field stress will be deduced which serves as the seam welding property decision model. Finally, the model will be embedded into finite element simulation to predict the seam welding property. This project is of great worth as it is going to reveal the size effect of the seam welding plane which enriches the porthole extrusion theory. And the program will promote the micro channel tube forming technology and its application on the high energy efficient refrigeration system, which is of great benefit to the social and economic development.

微通道管具有强化传热、承压高、轻量化的优点，代表着多孔挤压管的发展方向，在节能减排领域有广阔的应用前景。微通道挤压成形中，由于管壁面焊合面尺寸微小，焊合面微观组织状态会对焊合强度产生直接影响，焊合强度控制十分困难。本项目针对微小焊合面带来的尺寸效应对焊合强度的影响，首先利用物理模拟实验和挤压成形实验，研究焊合面特征尺寸和焊合面晶粒尺寸对宏观焊合强度和细观空洞分布状态的影响规律。进而基于细观损伤力学理论，建立基于尺寸效应的焊合面空洞初始分布和空洞分化模型，在此基础上推导远场应力作用下，焊合面空洞体积分数表达式，形成焊合质量判定模型。最后将模型嵌入挤压过程的有限元模拟，实现焊合质量的预示。本项目研究对于揭示挤压成形中焊合面尺寸效应的影响规律，发展分流挤压理论，具有很好的理论研究价值；对于微通道管材挤压成形技术的进步，促进微通道管在高效节能、小型化制冷系统上的应用，具有重要的社会和经济意义。

随着能源紧缺的加剧和环境的日益恶化，空调制冷行业已成为我国亟待解决的高能耗、高排放领域。铝合金微通道管是提高空调微通道换热器换热效率的关键部件。微通道管朝着微小管径的方向发展，为成形工艺提出挑战。本项目针对微通道管小焊合面带来的尺寸效应影响焊合强度的问题开展研究。首先利用物理模拟实验和挤压成形实验，设计了微小厚度的挤压焊合面，在热模拟试验机进行挤压焊合实验。实验结果显示，试样的断裂位置均发生在焊合处，随着板材厚度的减小，焊合强度呈现明显尺度效应。其次，对挤压成形中的模具内部金属流动进行观察和演化过程的表征。在模具内沿着金属流动的方向选取材料流动曲线进行分析，并对焊合区进行了EBSD大面积扫描，获得了焊合区在挤压成形过程中微观组织的形成过程。建立了基于晶体塑性理论的数值模拟方法，采用流线法获取铝材在模具内各个挤压流线上速度梯度的解析解，运用晶粒塑性的方法实现焊合面上晶粒大小和形貌演化规律和织构演化规律的预测。在此基础上，利用对焊合面施加冷变形和热处理，使焊合区形成不同的晶粒尺寸，研究晶粒尺寸对焊合质量的影响。基于以上分析，拟合获得了焊合面上空洞初始体积分数，建立了焊合面空洞体积分数演化模型。利用本项目开发的焊合模型，进行了微通道管焊合区质量评估模拟，可以输出焊合面孔洞体积分数。建立了焊合面尺寸-晶粒尺寸-空洞初始体积分数的对应关系，完善了挤压焊合判定模型。本项目研究获得了挤压成形中焊合面上晶粒大小和形貌演化规律和织构演化规律的预测方法，焊合面尺寸对晶粒及初始空洞大小的影响规律，完善了挤压焊合判定模型，研究有利于促进微通道管材挤压成形技术的进步及其在高效节能、小型化制冷系统上的应用，具有较好的社会和经济意义。