异种铝合金激光焊热裂纹敏感性及力学行为多尺度建模

The proposed research develops a multiscale mechanics model in studying the hotcracking sensitivity with respect to various process parameters in Al laser welding. The study will start from a macroscale welding mechanics model to obtain dynamic temperature and stress/strain distribution in the field. At the zones of the interest a microscale model which considers grain boundaries,liquid films and composition of eutectics will be constructed to calculate the stress/strain at the micro level and analyze stress and strain between the grain boundaries and at the liquid films. The deformation calculated at the micro scale will be coupled into the macroscale model to reflect effect of the local heterogeneity so as to improve the stress/strain calculation at the macro level. The hotcracking sensitivity will then be discussed with respect to various combinations of process parameters. The success of the proposed multiscale modeling research helps to improve accuracy of material machanics analysis in welding process, provides a foundation in further studying the hotcracking growth in Al laser welding and guides the solution development for the Al hotcracking problem.

本课题拟以普遍用于制造飞机机体、汽车车身的Al-Si/Al-Mg系铝合金为研究对象，采用微观与宏观力学模型相结合的建模方法系统研究激光焊接过程中接头的力学行为及热裂纹敏感性，探究激光焊接过程中热裂纹敏感性与过程参数的关系。研究将基于宏观热力学全尺度模型，获取整个激光焊接接头的动态温度场及应力应变场，提取关键部位建立包含晶粒形貌、液膜分布及低熔组分的微观热力学模型，计算晶粒间及液膜的微观应力应变，分析微观损伤的可能性，并将微观模型获取的结果嵌入到全尺度模型，以提高全尺度模型应力应变计算的准确性，从而实现以微观模型与宏观模型多尺度耦合的方式研究异种铝合金激光焊接过程中参数变化与微观动态应力应变的关系及与热裂敏感性的内在联系。多尺度焊接过程力学模型的成功建立，将提高焊接过程材料力学分析的准确性，开辟新的揭示铝合金高效激光焊接热裂纹产生机制的研究途径，指导铝合金焊接热裂纹问题的解决。

Al-Mg/Al-Mg-Si铝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。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，从而抑制了铝合金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，研究铝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。本课题搭建了焊接凝固裂纹敏感性试验平台，研究了主要激光焊接工艺参数对铝合金凝固裂纹敏感性的影响规律。试验结果表明，降低激光功率、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。设计了不同拘束类型下，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。基于热弹塑性理论建立了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。基于焊接过程应力应变模型，提出了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，得到了铝合金激光焊接凝固裂纹萌生的临界条件。