海洋环境下高强钢/铝合金熔焊接头的界面行为及其破坏机理研究

The increasing requirement of reduction weight and safety for marine equipment induces a promising application for the components advanced-high strength steel/Al alloy dissimilar materials in marine engineering equipment manufacturing. However, it is a big issue affecting the high quality of joint due to the great difference in physical metallurgy and chemical properties. As a new joining method for dissimilar materials, nonsymmetrical dual beam electron beam welding technology is a best choice for its unique advantage. It is necessary to be elucidated on phase formation and damage mechanism happened in welding process and service. In this proposal, nonsymmetrical dual beam electron beam welding technology will be employed to join Q690/AA5083, the joint formation process will be systematic investigated and then to build the correction between process parameters and joint quality. Based on the characterization of phases structure to pursue the formation and evaluation of phases in the interface, therefor to reveal the relationship between heat input and microstructure. And also the fatigue test of welding joint will be carried out to clarify the influence of phase morphology and size on fatigue behavior, and reveal the damage mechanism of joint.

海洋装备轻量化及对海工安全性的需求，使得先进高强钢与铝合金异质材料的连接构件在海洋装备制造领域具有广阔的应用前景。然而物理冶金及化学性能的巨大差异使其连接的可靠性成为影响构件安全运行的关键。非对称双束电子束熔焊由于其独特的优点成为异质材料连接中最有前途的方法之一，然而由于该方法在国内尚属起步阶段，为深入理解异质材料构件电子束熔焊过程特征及接头服役的关键基础问题，研究熔焊接头的界面行为及其破坏机理十分必要。因此，本课题拟采用非对称双束电子束熔焊方法对钢/铝构件进行连接，系统研究异质金属熔焊接头成形特征，建立非对称双束电子束过程参数与熔焊接头成形质量的内在联系；基于接头物相结构的系统表征，掌握界面处物相的形成和演化特征，揭示界面层微观组织与过程参数的内在关联机制；同时开展海洋环境下接头疲劳破坏试验研究，阐明微观组织结构对熔焊接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响机制，为构件失效分析提供理论基础。

1）研究了高强钢/铝合金非对称双束电子束异质金属熔焊工艺特征，通过自主开发的软件使其具有分束功能的电子束焊接系统，对铝钢异种金属对接、搭接接头进行熔焊工艺试验。研究工艺过程参数对铝钢异种金属焊缝成形的影响，通过改变电子束电流、聚焦电流、焊接速度、电子束分配功率（扫描时间、扫描频率、扫描点数）等过程工艺参数系统研究异质金属熔焊接头的成形特征，利用有限元软件对铝钢异种金属非对称电子束焊接过程的温度场进行了模拟，获得了非对称双束电子束能量分配率（6：4）。.2）分析了高强钢/铝合金电子束、CMT熔焊接头界面处的微观组织及物相结构，研究了不同参数下微观组织形貌及物相结构的变化特征，深入研究温度场、停留时间等关键因素对异质金属界面处物相的形成、扩散和演化特征的影响，从而掌握热输入对界面微观组织特征的影响规律。.3）开展了高强钢/铝合金异质金属熔焊接头的高周疲劳断裂行为研究，铝/钢接头的疲劳结果发现，铝/钢搭接接头的断裂位置在铝侧焊缝处，接头疲劳性能存在较大的波动，铝/钢搭接接头达到10000000次时对应的拉应力为63MPa。接头疲劳断口金相、EDS、SEM和XRD等结果表明铝钢搭接焊接接头中产生了偏析现象，焊接时极易通过冶金反应生成脆性的金属间化合物。.4）为了有效控制界面层物相的形成与分布，采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，计算了合金元素（Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Ni, Si, Ti, V, Zn）的掺杂对金属间化合物的电子特性、TDOS与PDOS的影响，试图厘清异质金属熔焊接头的疲劳断裂机理，所得结果可为铝/钢异种金属焊接领域提供一定的理论指导和技术支持。