基于微观组织三维特征分析的钢铝车身结构轻量化设计基础研究

The lightweight of car body play an important role in the development of lightweight vehicles. The new concept of steel-aluminum hybrid car body structures can better take into account all aspects of lightweight requirements and it represents the latest trends for the future development of car body structures. However, the problem of the connection of dissimilar metals in the steel-aluminum hybrid car body is a bottleneck. For the high efficiency, flexible and easy to control the process parameters, laser welding-brazing technique might be an ideal technical means to solve the problem of the connection between steel and aluminum. The connection between steel and aluminum by laser welding-brazing will be investigated in the steel-aluminum hybrid car-body and the purposes are to improve the mechanical properties and fatigue performance of the laser welding joint, optimize the design of the joint and the material matching of the steel-aluminum hybrid car body structures. The 3D microstructure characteristics of laser welding joint will be observed by 3D X-ray in situ observation and further the FEM modeling to analyze microporosity is established. The effect law of process parameters on the characteristics of microporosity and microstructure characteristics on the fatigue property of the laser welding joint will be systematically investigated. The mechanism of effect of microporosity on fatigue crack generation and propagation of the joints of steel and aluminum will be discovered. Finally, the multi-object optimization modeling will be built up and solved. The strategy of the material matching, selection and structural size in the steel-aluminum hybrid car body structures will be obtained. The basic research achievements will be the theoretical and technical support for independently developing the car body using steel-aluminum hybrid structures.

车身轻量化对整车轻量化起着举足轻重的作用，钢铝混合车身结构的理念较好地兼顾各方面要求，代表了车身结构发展的最新趋势。然而，异种金属的连接技术已成钢铝混合车身结构设计过程中的瓶颈。激光熔钎焊具有效率高、工艺灵活且易控制的突出特点，有可能成为解决钢铝异种金属连接问题的理想技术手段。本项目以钢铝混合材料车身结构为研究对象，以钢铝异种材料激光熔钎焊接研究为主线，以综合提高激光焊接结构的力学特性与疲劳性能、优化接头设计及车身材料匹配为目标。以钢铝激光焊缝三维显微组织特征分析为切入点，以3D X-ray原位观察和微观孔洞几何模型有限元分析为技术手段，系统研究工艺参数对微观孔洞特征的作用规律与显微组织结构对钢铝焊接结构疲劳性能的影响规律，探明微观孔洞对接头疲劳裂纹形成与扩展作用的机理。建立材料类型与板件厚度多目标优化模型，提出一套钢铝车身材料匹配方案，为我国自主开发钢铝轻量化车身结构提供理论和技术支撑。

车身轻量化对于整车轻量化起着举足轻重的作用，钢铝混合车身结构的理念较好地兼顾各方面的要求，代表了今后车身结构发展的最新趋势。然而，异种金属的连接技术已成为钢铝混合车身结构设计过程中的瓶颈。激光熔钎焊具有效率高、工艺灵活且易控制的突出特点，有可能成为解决钢铝异种金属连接问题的理想技术手段。本项目以钢铝混合材料车身结构为研究对象，以钢铝激光焊接为技术手段，综合提高激光焊接结构的力学特性与疲劳性能为目标。项目主要研究内容：（1）钢铝激光焊缝三维微观孔洞特征及其工艺影响要素的研究。进行不同激光功率、焊接速度、保护气体成分与流量、聚焦特性等条件下的激光焊接试验。采用3D X-ray 原位观察，对各工艺参数下焊接件不同部位的微观孔洞特征参数进行对比，分析了不同特征微观孔洞的形成条件与机制，研究了工艺参数对微观孔洞特征的影响规律。（2）显微组织结构及内部孔洞三维特征对铝-钢焊接结构疲劳性能影响规律的研究。根据各疲劳试样内部微观孔洞特征，根据微观孔洞特征3D X-ray 分析结果，以微观孔洞总体积、最大断面面积、最大孔洞体积、孔洞间平均距离为正交因素设计疲劳试验，进行5 级应力水平R=0.1 的疲劳试验，对比分析微观孔洞三维特征对钢铝焊接结构疲劳性能的影响规律。（3）微观孔洞对钢铝焊接结构疲劳裂纹萌生的机理研究。根据扫描的孔洞三维特征数据，在ABAQUS中建立焊缝的有限元模型，研究孔洞三维特征对焊缝应力集中的影响。通过应力计算结果分析由于孔洞三维特征的变化引起的应力变化，进而分析应力集中因应力的变大而引起裂纹的萌生。取得的主要研究结果：（1）获得钢-铝激光焊接试验工艺参数控制方法及模拟不同工艺参数条件下对焊接熔深、温度场和应力场的分布规律及应力场及变形云图。（2）获得焊缝微观孔洞3D X-ray 实验观察方法与技术；并分析得到了焊缝内部孔洞的形成机理。（3）通过对孔洞三维特征的有限元参数化分析得到了不同孔洞特征对焊缝应力集中及疲劳性能的影响规律。这些成果将为我国自主开发钢铝轻量化车身结构提供理论和技术支撑。