CN111112868A - 一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强铝合金焊接技术领域，且公开了一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，包括如下步骤：步骤1，基于Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金窄间隙MIG焊接热源模型及材料本构模型，采用数值模拟方法，得到焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程；步骤2，基于得到的焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程，得到焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律、后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征。本发明通过调节焊接热循环和机械振动的方法实现了厚板Al‑Zn‑Mg‑Cu系合金窄间隙MIG多层多道焊缝组织与性能调控，能够保证焊缝组织性能调控的效果。

Description

一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法

技术领域

本发明涉及高强铝合金焊接技术领域，具体为一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法。

背景技术

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是室温下强度最高的铝合金结构材料，已广泛应用于船舶制造、军工装备、交通运输工程等关乎国计民生的众多领域。随着装备轻量化水平和科技含量的提高，对该系铝合金材料的需求量日益增长，该系合金的退役结构件数量将与日俱增，因此，该系合金的制造和再制造技术具有广阔的应用前景，必将产生巨大的社会和经济效益。利用焊接方法对机械零件进行连接、防磨、防蚀覆盖或者补修的技术统称为维修焊接技术。厚板高强铝合金维修焊接要求能量利用率高、效率高、设备便携、成本低、焊接可达性好且控制简单。窄间隙熔化极气体保护焊尤其适用于厚板铝合金结构件的装配焊接、维修焊接和快速焊接成形制造，而当厚板焊接工况限定为单面焊接时，单面窄间隙MIG多层多道焊接往往成为首选。

厚板多层多道焊接接头性能调控必须以焊接热循环过程研究、焊接材料设计、接头力学性能评价及接头组织演变理论为基础，焊接热循环规律复杂是多层多道焊接接头的基本属性，这种属性必然导致接头内部不同热循环特征区域之间组织特征的差异。即使相同的热循环特征区域，如焊缝区，后续焊道对已完成焊缝进行不均匀反复加热，使得焊缝区稀释率、晶粒尺寸、强化相分布特征等均表现出沿板厚方向的不均匀性，从而导致焊缝力学性能沿板厚方向的差异。焊缝金属力学性能的不均匀性增加了接头薄弱环节判定和力学性能调控的难度。

厚板高强铝合金维修焊接之后往往不具备焊后热处理的条件。在焊接过程中对焊件施加周期性的机械激振力，可以提高结晶过程的形核数量并打断枝晶，从而达到细化组织的效果；还可以促进位错滑移和湮灭，从而降低焊接残余应力。焊缝结晶过程及后续焊接热循环过程中，与焊接热循环条件相匹配的机械振动工艺参数是实现焊缝组织性能调控的前提条件，需要优化焊接和机械振动工艺参数组合，以保证焊缝组织性能调控的效果，故提出一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，以解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供如下技术方案：一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，包括如下步骤：

步骤1，基于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金窄间隙MIG焊接热源模型及材料本构模型，采用数值模拟方法，得到焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程；

步骤2，基于得到的焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程，得到焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律、后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征；

步骤3，基于焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律，得到焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理；

步骤4，基于焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征，得到焊缝微观组织不均匀性特征，并对焊缝金属强化机制进行判断及评价；

步骤5，基于后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征、焊缝微观组织不均匀性特征，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到焊接热循环调控焊缝组织性能机理；

步骤6，基于多层多道焊缝力学性能特征，得到焊缝力学性能不均匀性特征、焊、焊缝力学性能薄弱环节，并对焊接工艺参数进行优化；

步骤7，基于机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到机械振动调控焊缝组织性能机理；

步骤8，基于位错与残余应力的关系得到机械振动调节焊缝残余应力的机理；

步骤9，基于得到的焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理、焊接热循环调控焊缝组织性能机理、机械振动调控焊缝组织性能机理、机械振动调节焊缝残余应力的机理调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

优选的，所述步骤1具体包括以下步骤：

①构建单面窄间隙MIG多层多道焊接的柱状高斯热源模型，参考熔池形貌特征参数的测量值优化所述热源模型，并得出熔池形貌特征参数计算结果的误差；

②建立焊接填充材料和焊接基体材料的本构方程，焊缝及母材本构方程的设置中，应力、应变速率和温度之间的关系采用修正的本构方程表征，根据高温拉伸力学性能试验结果确定方程中的各项参数；

③建立数值模拟多层多道焊缝成形过程中焊接热循环及焊接残余应力演变的三维有限元模型；

④采用采用数值模拟方法，模拟多层多道焊接不同工艺参数条件下，各焊道的热循环过程和残余应力演变过程，建立从焊接工艺参数向结晶过程焊接热循环曲线峰值温度和平均冷却速率、后续焊接热循环过程峰值温度和焊接残余应力分布的映射；

⑤根据焊缝底部、中部和上部焊接热循环过程及焊接应力、应变演变过程，分析后续焊接热循环对已完成焊缝焊接残余应力的影响规律。

优选的，所述步骤1还包括：

调节工艺参数，提取焊接接头内部不同特征区域的焊接热循环曲线和不同特征区域的残余应力演变曲线；

采用红外高温摄像仪、X射线法和小孔法检测模拟结果的精确性。

优选的，步骤4中所述焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征包括晶粒尺寸、第二相颗粒尺寸与密度、固溶体基体相溶质浓度、位错组态与密度、元素分布特征。

优选的，步骤4中所述焊缝微观组织不均匀性特征包括微观组织在焊缝底部、中部及上部之间的差异、在焊缝中部与近熔合区之间的差异和层间差异。

优选的，步骤6中所述焊缝力学性能不均匀性特征包括焊缝横截面显微硬度分布规律、焊缝上部、中部和底部分层切片试样的静态拉伸力学性能、拉伸断口形貌特征和元素分布规律。

优选的，所述步骤6包括：

采用金相试验、扫描电镜试验、X射线能谱分析、X射线衍射试验及高分辨透射电镜试验分析焊缝金属物相组成及分布特征；

采用显微硬度计检测显微硬度分布，采用静态拉伸实验检测力学性能；

采用断口分析方法，得到多层多道焊缝力学性能薄弱环节。

优选的，步骤7中所述机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律包括：

机械振动对焊缝结晶过程及后续焊接热循环过程晶粒形核和长大、第二相析出及位错分布的影响规律。

优选的，步骤5、步骤7中，所述焊缝金属强化机制的判断及评价的方法包括：

采用线截距法测定不同特征区域的晶粒尺寸；

透射电镜下，对所选焊缝特征区域随机选取10个以上视场，分析第二相颗粒平均尺寸及分布特征；

基于X射线衍射试验检测待测区域的物相分析谱和点阵常数，推算待测区域位错密度，分析位错强化对焊缝强度的贡献；

采用高分辨透射电镜试验观察位错分布特征；

根据点阵常数计算基体相溶质原子浓度，评价固溶强化效果。

优选的，所述步骤9包括：

对与焊接工艺参数相匹配的机械振动工艺参数进行优化；

建立由焊接工艺参数及机械振动工艺参数向焊缝力学性能的映射，获得焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合；

基于焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明基于窄间隙MIG多层多道焊缝不均匀性特征、焊缝金属强化机制和多层多道焊缝残余应力形成机理，通过调节焊接热循环和机械振动的方法实现了厚板Al-Zn-Mg-Cu系合金窄间隙MIG多层多道焊缝组织与性能调控，能够保证焊缝组织性能调控的效果。

附图说明

图1是本发明的流程图

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，包括如下步骤：

步骤1，基于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金窄间隙MIG焊接热源模型及材料本构模型，采用数值模拟方法，得到焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程；

步骤2，基于得到的焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程，得到焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律、后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征；

步骤3，基于焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律，得到焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理；

步骤4，基于焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征，得到焊缝微观组织不均匀性特征，并对焊缝金属强化机制进行判断及评价；

步骤5，基于后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征、焊缝微观组织不均匀性特征，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到焊接热循环调控焊缝组织性能机理；

步骤6，基于多层多道焊缝力学性能特征，得到焊缝力学性能不均匀性特征、焊、焊缝力学性能薄弱环节，并对焊接工艺参数进行优化；

步骤7，基于机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到机械振动调控焊缝组织性能机理；

步骤8，基于位错与残余应力的关系得到机械振动调节焊缝残余应力的机理；

步骤9，基于得到的焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理、焊接热循环调控焊缝组织性能机理、机械振动调控焊缝组织性能机理、机械振动调节焊缝残余应力的机理调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

进一步的，步骤1具体包括以下步骤：

①构建单面窄间隙MIG多层多道焊接的柱状高斯热源模型，参考熔池形貌特征参数的测量值优化热源模型，并得出熔池形貌特征参数计算结果的误差；

②建立焊接填充材料和焊接基体材料的本构方程，焊缝及母材本构方程的设置中，应力、应变速率和温度之间的关系采用修正的本构方程表征，根据高温拉伸力学性能试验结果确定方程中的各项参数；

③建立数值模拟多层多道焊缝成形过程中焊接热循环及焊接残余应力演变的三维有限元模型；

④采用采用数值模拟方法，模拟多层多道焊接不同工艺参数条件下，各焊道的热循环过程和残余应力演变过程，建立从焊接工艺参数向结晶过程焊接热循环曲线峰值温度和平均冷却速率、后续焊接热循环过程峰值温度和焊接残余应力分布的映射；

⑤根据焊缝底部、中部和上部焊接热循环过程及焊接应力、应变演变过程，分析后续焊接热循环对已完成焊缝焊接残余应力的影响规律。

进一步的，步骤1还包括：

调节工艺参数，提取焊接接头内部不同特征区域的焊接热循环曲线和不同特征区域的残余应力演变曲线；

采用红外高温摄像仪(可精确检测最高温度为1500℃)、X射线法和小孔法检测模拟结果的精确性。

进一步的，步骤4中焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征包括晶粒尺寸、第二相颗粒尺寸与密度、固溶体基体相溶质浓度、位错组态与密度、元素分布特征。

进一步的，步骤4中焊缝微观组织不均匀性特征包括微观组织在焊缝底部、中部及上部之间的差异、在焊缝中部与近熔合区之间的差异和层间差异。

进一步的，步骤6中焊缝力学性能不均匀性特征包括焊缝横截面显微硬度分布规律、焊缝上部、中部和底部分层切片试样的静态拉伸力学性能、拉伸断口形貌特征和元素分布规律。

进一步的，步骤6包括：

采用金相试验、扫描电镜试验(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、X射线衍射试验(XRD)及高分辨透射电镜试验(HR-TEM)分析焊缝金属物相组成及分布特征；

采用显微硬度计检测显微硬度分布，采用静态拉伸实验检测力学性能；

采用断口分析方法，得到多层多道焊缝力学性能薄弱环节。

进一步的，步骤7中机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律包括：

机械振动对焊缝结晶过程及后续焊接热循环过程晶粒形核和长大、第二相析出及位错分布的影响规律。

进一步的，步骤5、步骤7中，焊缝金属强化机制的判断及评价的方法包括：

采用线截距法测定不同特征区域的晶粒尺寸；

透射电镜下，对所选焊缝特征区域随机选取10个以上视场，分析第二相颗粒平均尺寸及分布特征；

基于X射线衍射试验检测待测区域的物相分析谱和点阵常数，推算待测区域位错密度，分析位错强化对焊缝强度的贡献；

采用高分辨透射电镜试验观察位错分布特征；

根据点阵常数计算基体相溶质原子浓度，评价固溶强化效果。

进一步的，步骤9包括：

对与焊接工艺参数相匹配的机械振动工艺参数进行优化；

建立由焊接工艺参数及机械振动工艺参数向焊缝力学性能的映射，获得焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合；

基于焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

综上所述：本发明基于窄间隙MIG多层多道焊缝不均匀性特征、焊缝金属强化机制和多层多道焊缝残余应力形成机理，通过调节焊接热循环和机械振动的方法实现了厚板Al-Zn-Mg-Cu系合金窄间隙MIG多层多道焊缝组织与性能调控。

本发明建立了一种新型的用于数值模拟厚板窄间隙焊接过程响应场的柱状高斯热源模型，进行多层多道焊接过程温度场的计算，获得接头内部的热循环规律，并采用红外测温实验方法验证数值计算结果的准确性；基于厚板Al-Zn-Mg-Cu系合金单面焊接过程三维温度场变化规律对焊接接头组织特征和力学性能的影响，为厚板接头组织和力学性能调控提供了基础；揭示了厚板多层多道焊缝力学性能的不均匀性及接头软化的机理，为预测和防止接头失效提供了基础。包括以下关键技术内容：

1)建立多层多道焊接热循环与焊缝微观组织演变的内在联系

结合数值模拟和实验测量，可获取焊缝内部任一点的热循环特征曲线。焊缝内部微观组织采用SEM、EDS、HR-TEM等先进检测分析手段，完成焊缝组织的准确分析；借助焊缝结晶热力学及动力学可建立热循环规律与组织演变之间的内在联系。

2)焊缝微观组织与力学性能的内在联系

根据L.Vigard定律，固溶体的点阵常数与溶质原子浓度呈线性关系，因此，可通过微区XRD检测结果获得点阵常数，进而获得溶质原子浓度。XRD相干衍射区平均晶粒尺寸d_XRD、晶格应变<e>与半高峰宽δ2θ、各衍射峰最高峰位置θ₀、X射线波长λ之间的关系如函数(2)所示：

线性回归分析(δ2θ)²/tan²θ₀与(δ2θ)/(tanθ₀sinθ₀)之间的关系，可得出d_XRD和<e>。采用XRD相干衍射区平均晶粒尺寸d_XRD和平均晶格应变<e²>^1/2计算位错密度，如式(3)所示，

根据溶质源自浓度、位错密度、焊缝晶粒尺寸和第二相颗粒尺寸和分布的研究结果，结合式(1)可获得基于焊缝微观组织的力学性能评价。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，基于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金窄间隙MIG焊接热源模型及材料本构模型，采用数值模拟方法，得到焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程；

步骤2，基于得到的焊接热循环规律及焊缝残余力演变过程，得到焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律、后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征；

步骤3，基于焊接工艺参数对焊接热循环特征的影响规律、焊接热循环对残余应力演变的影响规律，得到焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理；

步骤4，基于焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征，得到焊缝微观组织不均匀性特征，并对焊缝金属强化机制进行判断及评价；

步骤5，基于后续焊接热循环特征、结晶焊接热循环特征、焊缝微观组织不均匀性特征，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到焊接热循环调控焊缝组织性能机理；

步骤6，基于多层多道焊缝力学性能特征，得到焊缝力学性能不均匀性特征、焊、焊缝力学性能薄弱环节，并对焊接工艺参数进行优化；

步骤7，基于机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律，结合焊缝金属强化机制的判断及评价结果得到机械振动调控焊缝组织性能机理；

步骤8，基于位错与残余应力的关系得到机械振动调节焊缝残余应力的机理；

步骤9，基于得到的焊接工艺参数调节焊缝残余应力机理、焊接热循环调控焊缝组织性能机理、机械振动调控焊缝组织性能机理、机械振动调节焊缝残余应力的机理调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：

①构建单面窄间隙MIG多层多道焊接的柱状高斯热源模型，参考熔池形貌特征参数的测量值优化所述热源模型，并得出熔池形貌特征参数计算结果的误差；

②建立焊接填充材料和焊接基体材料的本构方程，焊缝及母材本构方程的设置中，应力、应变速率和温度之间的关系采用修正的本构方程表征，根据高温拉伸力学性能试验结果确定方程中的各项参数；

③建立数值模拟多层多道焊缝成形过程中焊接热循环及焊接残余应力演变的三维有限元模型；

④采用采用数值模拟方法，模拟多层多道焊接不同工艺参数条件下，各焊道的热循环过程和残余应力演变过程，建立从焊接工艺参数向结晶过程焊接热循环曲线峰值温度和平均冷却速率、后续焊接热循环过程峰值温度和焊接残余应力分布的映射；

⑤根据焊缝底部、中部和上部焊接热循环过程及焊接应力、应变演变过程，分析后续焊接热循环对已完成焊缝焊接残余应力的影响规律。

3.根据权利要求2所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：所述步骤1还包括：

调节工艺参数，提取焊接接头内部不同特征区域的焊接热循环曲线和不同特征区域的残余应力演变曲线；

采用红外高温摄像仪、X射线法和小孔法检测模拟结果的精确性。

4.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：步骤4中所述焊缝结晶组织特征及经历后续焊接热循环后的微观组织特征包括晶粒尺寸、第二相颗粒尺寸与密度、固溶体基体相溶质浓度、位错组态与密度、元素分布特征。

5.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：步骤4中所述焊缝微观组织不均匀性特征包括微观组织在焊缝底部、中部及上部之间的差异、在焊缝中部与近熔合区之间的差异和层间差异。

6.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：步骤6中所述焊缝力学性能不均匀性特征包括焊缝横截面显微硬度分布规律、焊缝上部、中部和底部分层切片试样的静态拉伸力学性能、拉伸断口形貌特征和元素分布规律。

7.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：所述步骤6包括：

采用金相试验、扫描电镜试验、X射线能谱分析、X射线衍射试验及高分辨透射电镜试验分析焊缝金属物相组成及分布特征；

采用显微硬度计检测显微硬度分布，采用静态拉伸实验检测力学性能；

采用断口分析方法，得到多层多道焊缝力学性能薄弱环节。

8.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：步骤7中所述机械振动对焊缝结晶组织的影响规律、后续焊接过程机械振动对微观组织的影响规律包括：

机械振动对焊缝结晶过程及后续焊接热循环过程晶粒形核和长大、第二相析出及位错分布的影响规律。

9.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：步骤5、步骤7中，所述焊缝金属强化机制的判断及评价的方法包括：

采用线截距法测定不同特征区域的晶粒尺寸；

透射电镜下，对所选焊缝特征区域随机选取10个以上视场，分析第二相颗粒平均尺寸及分布特征；

基于X射线衍射试验检测待测区域的物相分析谱和点阵常数，推算待测区域位错密度，分析位错强化对焊缝强度的贡献；

采用高分辨透射电镜试验观察位错分布特征；

根据点阵常数计算基体相溶质原子浓度，评价固溶强化效果。

10.根据权利要求1所述的一种基于焊接热循环及机械振动的焊缝组织性能调控方法，其特征在于：所述步骤9包括：

对与焊接工艺参数相匹配的机械振动工艺参数进行优化；

建立由焊接工艺参数及机械振动工艺参数向焊缝力学性能的映射，获得焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合；

基于焊接工艺参数和振动工艺参数的最佳组合调控焊缝微观组织性能及焊接残余应力分布。

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