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材料加工技術(shù)雜志
機(jī)械約束強(qiáng)度在鋁合金的激光焊接凝固裂紋的影響
摘要：機(jī)械約束強(qiáng)度在單面和雙面約束的條件下分別對(duì)硬化裂紋行為的影響。開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來模擬凝固在激光焊接過程中開裂行為。機(jī)械應(yīng)變和積累有關(guān)位移被用來分別分析裂紋萌生的易感性和傳播。結(jié)果表明，裂紋行為深受機(jī)械約束強(qiáng)度。更強(qiáng)的約束強(qiáng)度促進(jìn)裂紋的萌生單面和雙面約束條件。高約束強(qiáng)度往往會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展在單邊約束條件，并幫助抑制裂紋擴(kuò)展在雙面約束條件
1介紹
機(jī)械約束通常應(yīng)用在通常應(yīng)用在進(jìn)程之間保持良好的基本金屬的擬合和抑制焊接變形。機(jī)械約束在殘余應(yīng)力和變形的影響被Desai and Bag (2014)， Abid and Siddique (2005) and Jing (2012)以及其他人調(diào)查。除了對(duì)于上面提到的機(jī)械約束的影響，Cross(2005)指出，應(yīng)用機(jī)械約束也會(huì)影響在焊接凝固裂紋的行為的過程。Liu(1995)表明，橫向機(jī)械應(yīng)變附近的焊縫池與應(yīng)用約束會(huì)更大，這意味著凝固裂紋敏感性增加與約束。Dong等人(2005)在沒有約束的情況下在熔池尾部建立了一個(gè)焊接過程模型和分析機(jī)械應(yīng)變的變化。結(jié)果表明，約束將推動(dòng)焊接凝固裂紋的形成。然而，Bollinghaus和Cross (2006)得出結(jié)論，高水平的約束強(qiáng)度似乎防止開始和硬化裂紋傳播鋁合金的焊接接頭。在他們的研究中，所代表的約束強(qiáng)度和焊線的距離約束有關(guān)，約束和距離越短，強(qiáng)度越高。對(duì)于上述矛盾的結(jié)論還沒有給出解釋。直到現(xiàn)在， 據(jù)Coniglio和Cross(2013)所認(rèn)為的，在機(jī)械約束條件下焊接凝固裂紋的行為仍不清楚。這項(xiàng)工作的目的是探討在鋁合金的激光焊接過程中約束條件和焊接凝固裂紋之間的關(guān)系的行為。精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了研究在不同的約束強(qiáng)度下硬化裂紋行為。熱機(jī)模型，提出了計(jì)算機(jī)械應(yīng)變和位移積累不同的參數(shù)。機(jī)械約束強(qiáng)度對(duì)裂紋行為的影響討論了在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和瞬態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變條件數(shù)值分析的基礎(chǔ)上單面和雙面約束條件。
2實(shí)驗(yàn)程序
2.1 焊接安裝
AA6013-T6標(biāo)本大小為150毫米×125毫米×2.5毫米是用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。AA6013-T6的化學(xué)成分在表1中列出。AA6013容易熱裂解因?yàn)樗腟i和Mg成分分別大約是0.8%和1.0%?；贑icala等人(2005)的研究，含有0.7% Si或/和0.85%鎂的鋁合金熱裂紋敏感性高。在測(cè)試中采用yl - 10000激光系統(tǒng)加熱源。激光的波長(zhǎng)1064 nm，現(xiàn)貨化用激光束約為0.8毫米。激光火炬傾斜角度為7.5?防止燃燒傷害。15 L / min流量氬保護(hù)氣體和30?焊接方向保護(hù)熔池的表面氧化。丙酮被用來清潔焊接前氧化物和油。在焊接過程中，激光的頭保持靜止而艾爾標(biāo)本正在下面。
表1 AA 6013 - t6(wt. %)的化學(xué)成分
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
Eskin和Katgerman(2004)和Rappaz (1999) 等人表明，硬化裂紋行為受到許多因素的影響。在單面和雙面裂紋行為約束下單出機(jī)械約束強(qiáng)度的影響，分別測(cè)試設(shè)計(jì)如下。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，鋁合金板安放兩個(gè)夾板和螺栓，以確保良好的約束。標(biāo)本和夾板之間的絕緣層是避免他們之間的傳熱。熱輸入常數(shù)保證相同的熱過程和微觀結(jié)構(gòu)?；谶@些考慮，硬化裂紋行為只是受到機(jī)械約束強(qiáng)度的變化，它被定義為從焊縫中心線的距離約束邊(L)。L意味著更強(qiáng)的約束強(qiáng)度越小。每個(gè)測(cè)試是重復(fù)，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。如圖1所示，不同的約束強(qiáng)度可以通過分別改變L在單面和雙面約束的條件下獲得。此外， 在圖1（a）給出了在這項(xiàng)研究中沒有約束條件被認(rèn)為是與無限的單面或雙面約束條件與無限的L。約束強(qiáng)度對(duì)硬化裂紋行為的影響研究在單面約束條件。Ploshikhin (2007)等人認(rèn)為，從焊縫中心線的距離D自由邊在中心線硬化裂紋的萌生發(fā)揮了重要作用。臨界距離值，得到一些初步的試驗(yàn)。
圖1 三個(gè)約束條件:(a)沒有約束,(b)單面約束和(c)雙面約束
表2 用于單面約束研究的焊接參數(shù)
表3用于雙面約束的研究的焊接參數(shù)
中心線裂紋容易發(fā)生在D低于7.5毫米。試錯(cuò)法迭代過程后，激光功率設(shè)置為5.4千瓦，焊接速度設(shè)置為3.5米/分鐘。選擇這樣的熱輸入的原因是獲取無裂口焊縫沒有約束條件。如果使用更高的熱量輸入和裂紋開始沒有約束，約束強(qiáng)度的影響在單面約束條件將不區(qū)分因?yàn)榱鸭y開始在這兩種情況下(有/沒有約束條件)。因此，研究約束強(qiáng)度的影響在單邊約束條件的中心線裂紋，無裂口是獲得第一，然后單邊約束應(yīng)用于觀察不同約束強(qiáng)度的影響。表2列出了焊接參數(shù)用于單面約束測(cè)試。在這些焊接參數(shù)下，標(biāo)本會(huì)通過相同的熱過程，和裂紋行為的變化引起的單邊約束條件只是不同的約束強(qiáng)度。在焊縫兩邊保證足夠的間距提供應(yīng)用約束，距離D增加從7.5毫米到15毫米。當(dāng)熱輸入用于單面約束測(cè)試仍采用雙面約束測(cè)試，裂紋不能出現(xiàn)無論如何約束強(qiáng)度的變化。探討約束強(qiáng)度對(duì)裂紋行為的影響在雙面約束測(cè)試中，熱輸入用于單面測(cè)試需要被改變。經(jīng)過數(shù)次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋出現(xiàn)沒有約束條件時(shí)在雙面約束測(cè)試約束強(qiáng)度的影響下裂紋首先表現(xiàn)出。因此，焊接參數(shù)用于雙面約束測(cè)試進(jìn)行調(diào)整，以確保沒有約束裂縫的發(fā)生。Feng(1994)證明開始焊接在試樣邊緣將增加裂紋敏感性并且Wang等人(2015)揭示更高的激光功率光纖激光焊接將明顯促進(jìn)凝固裂紋萌生。在雙面約束的測(cè)試中，增加激光功率和在一個(gè)標(biāo)本邊緣焊接都被用來確保裂紋的發(fā)生沒有約束條件。經(jīng)過幾個(gè)初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最后激光功率設(shè)置為7.5千瓦。5毫米的距離L和10毫米的距離L被選為雙面不同約束強(qiáng)度條件。雙面約束測(cè)試中使用的焊接參數(shù)表3中列出。
表4 AA6013的熱物理性能和機(jī)械性能的溫度依賴
3數(shù)值模型
3.1 材料屬性
依賴溫度的熱物理性能和AA6013的力學(xué)性能的期間使用的模擬，這是列在表4中和從JMatPro軟件和高溫拉伸試驗(yàn)獲得。據(jù)Martikainen等的研究。(2011)脆性溫度范圍(BTR)是828 K和913 K之間。熔池流體流動(dòng)對(duì)傳熱的影響被認(rèn)為是通過改變熱導(dǎo)率超過溫度913 K。消費(fèi)和熔化潛熱的釋放也被認(rèn)為是在這個(gè)模型。材料的凝固收縮假設(shè)作為額外的熱膨脹，類似于魏等的處理。(2005) 楊氏模量和屈服應(yīng)力是通過高溫拉伸試驗(yàn)獲得的，試驗(yàn)溫度低于700 K時(shí)，假定小值溫度在700 K。
3.2硬化裂紋模型
使用兩個(gè)模型對(duì)硬化裂紋行為進(jìn)行了分析：裂紋萌生模型和裂紋擴(kuò)展模型。在裂紋萌生模型，只使用一套網(wǎng)，不需要考慮裂縫。機(jī)械應(yīng)變BTR被用來分析裂紋萌生的易感性。裂紋擴(kuò)展模型，上半部分的網(wǎng)格和下半部分網(wǎng)格部分沿著焊縫中心線耦合，如圖2所示。非耦合節(jié)點(diǎn)代表了裂紋形成的界面，這是坐落在BTR或固化焊接，耦合節(jié)點(diǎn)代表了焊接熔池和不熔化的區(qū)域。積累了橫向位移的BTR用于調(diào)查中心線裂紋擴(kuò)展的感性。Kong等人(2011)得出的結(jié)論是，熱源熱分析的建模是最關(guān)鍵的部分，因?yàn)樗鼪Q定熱輸入系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。由于激光焊接小孔的形成過程中，Hu和Rchardson (2006)表明，在激光焊接熱輸入通常被視為一體的熱源。在這項(xiàng)研究中， 由Moraitis和Labeas(2008)提出的一個(gè)移動(dòng)的錐形高斯分布熱通量被用來代表旅行激光的熱輸入。融化和凝固的材料是由焊縫池的增長(zhǎng)和收縮的模型。描述融化的材料應(yīng)力松弛，元素采用再生方法。元素的相干點(diǎn)溫度超過(913 K)將會(huì)被被殺(零壓力)在模型中， 并且大致的溫度降至低于相干點(diǎn)。焊縫金屬的凝固收縮被認(rèn)為是在模型中通過設(shè)置參考溫度固化金屬相干點(diǎn)和增加凝固金屬熱膨脹的體積收縮。
圖2 凝固裂紋擴(kuò)展模型的示意圖
3.3 模型的實(shí)現(xiàn)
使用商業(yè)軟件ANSYS進(jìn)行了計(jì)算，采用解耦的形變場(chǎng)分析方法。元素類型的固體熱分析中使用的90年和95年固體元素類型是用于力學(xué)分析。雖然標(biāo)本150毫米長(zhǎng)，但數(shù)值模型的尺寸將是40毫米，寬30毫米厚度是2.5毫米減少計(jì)算成本。細(xì)網(wǎng)格分布沿焊接梁5層厚度方向的元素。根據(jù)Tirand等人（2013）的工作研究不同的對(duì)流傳熱系數(shù)被用于與夾緊表面接觸，空氣和保護(hù)氣體。簡(jiǎn)化考慮，機(jī)械約束之間的交互和標(biāo)本是由固定節(jié)點(diǎn)設(shè)備在三個(gè)方向的位移。
4結(jié)果與討論
4.1 單邊約束情況下約束強(qiáng)度的影響
圖3分別顯示了焊縫形態(tài)的實(shí)驗(yàn)型約束和單面約束。除了裂縫行為兩個(gè)焊縫的寬度和整體外觀是相似的。標(biāo)本沒有約束，沒有中心線裂紋，但大量的橫向裂縫從熔合線焊縫中心啟動(dòng)和成長(zhǎng)，這幾乎是垂直于焊縫中心線。標(biāo)本的單邊約束和L 10毫米，無數(shù)的橫向裂縫中心線裂紋前發(fā)生。中心線硬化裂紋開始出現(xiàn)橫向裂縫，如圖3（b）所示。沿著中心線裂紋擴(kuò)展的道路，沒有觀察到更多的橫向裂縫。中心線裂紋的萌生和在各種約束強(qiáng)度在單邊約束情況擴(kuò)展如圖4所示。三個(gè)5毫米距離進(jìn)行測(cè)試，分別為10毫米和15毫米。圖中的虛線4代表裂紋的長(zhǎng)度，它隨著距離，L的增大而增大。結(jié)果在圖4中表明，約束條件對(duì)中心線裂紋有重大影響的行為。沒有約束為對(duì)象相比，單面約束條件促進(jìn)裂紋萌生和傳播，和約束強(qiáng)度越高意味著更明顯的促進(jìn)效果。
圖3 焊縫形貌: (a)沒有約束和(b)單面約束(L = 10mm)
圖四 硬化裂紋在在單面con-straint不同約束強(qiáng)度下的研究:(a)L = 5mm,(b)L = 10mm,(c)L = 15mm和(d)沒有約束
圖5給出了計(jì)算橫向機(jī)械壓力沿焊縫中心線不同焊線約束距離L(沒有約束，5毫米，10毫米和15毫米)。而沒有約束條件在BTR最大橫向應(yīng)變的1.38%，最大橫向應(yīng)變與L 5毫米，10毫米和15毫米是1.75%，分別為1.59%和1.5%。由于更高的機(jī)械應(yīng)變表示裂紋萌生的易感性，圖5的計(jì)算結(jié)果清楚地表明，單面約束會(huì)促進(jìn)裂紋萌生而沒有
圖5 橫向機(jī)械壓力沿焊縫中心線為各種con-straint強(qiáng)度在單面約束的研究
約束，約束強(qiáng)度越高在單面約束條件給出了裂紋萌生的可能性越高，而同意與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。
圖6給出了計(jì)算橫向位移分布在試樣不同距離L的單面約束。如實(shí)驗(yàn)觀測(cè)圖4所示，符合計(jì)算裂紋張開很小。明顯負(fù)位移發(fā)生在焊縫池的尾巴，和位于附近的免費(fèi)樣品。橫向位移代表裂縫的開放程度和表示中心線裂紋的傳播能力。圖7是裂紋的傳播在單面約束條件。從計(jì)算結(jié)果，不容易獲得裂紋擴(kuò)展的臨界位移。所以，用半定量方法，累積位移越高意味著裂紋更容易傳播。最大累積位移與約束BTR 5毫米的距離約為200米，最大累積位移與約束BTR 10毫米的距離約為190米，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，裂縫發(fā)展和約束5毫米的距離更長(zhǎng)的距離。
圖6 橫向位移分布在不同的約束強(qiáng)度的標(biāo)本的單邊約束的研究:(a)L = 5mm(b)L = 10mm。
圖7 計(jì)算累積橫向位移的BTR differentconstraint強(qiáng)度在單面約束上的研究
4.2 在雙面約束情況下約束強(qiáng)度的影響
圖8顯示了當(dāng)沒有約束和雙面約束(L 10毫米)焊縫形貌的照片。非常不同的裂縫現(xiàn)象被注意到。沒有約束，嚴(yán)重中心線裂紋試樣的邊緣，沿著焊縫中心線的傳播，一些橫向裂縫，如圖8(a)所示。雙面約束，裂紋擴(kuò)展是那么嚴(yán)重，最終停止。然而，眾多的發(fā)際線橫向裂縫啟動(dòng)兩岸的焊縫區(qū)，如圖8(b)所示。這表明中心線裂紋的傳播輕松累積應(yīng)變片和橫向裂縫的數(shù)量減少。圖9(c)顯示中心線沿著焊縫凝固裂紋發(fā)起和傳播在沒有機(jī)械約束。然而，中心線裂紋的傳播是抑制明顯雙面約束時(shí)應(yīng)用。增加約束強(qiáng)度減少距離10毫米到5毫米中心線裂紋進(jìn)一步傳播的預(yù)防，這意味著高約束強(qiáng)度將有效防止裂紋擴(kuò)展在雙面約束條件。
圖8 焊縫形貌: (a)沒有約束 (b)雙面約束(L = 10mm)
圖9 雙面約束硬化裂紋在不同約束強(qiáng)度下的研究:(a)L = 5mm,(b)L = 10mm和(c)沒有約束
圖9是很難顯示雙面約束的影響以來中心線裂紋萌生的中心線裂紋將在所有3例標(biāo)本的邊緣。圖10給出了計(jì)算橫向機(jī)械壓力沿焊縫中心線3例。基于圖10的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算橫向應(yīng)變1.16%會(huì)誘發(fā)裂紋萌生的雙面約束條件。應(yīng)該注意，臨界應(yīng)變的變化主要是由熱輸入在這項(xiàng)研究中采用的不同。與沒有約束條件相比，雙面約束顯然增加了橫向BTR機(jī)械應(yīng)變，最大橫向應(yīng)變與5毫米的距離約為2.2%，是在無約束情況下的兩倍。計(jì)算結(jié)果表明，雙面約束條件會(huì)促進(jìn)中心線裂紋的萌生而沒有約束情況下，雙面約束和約束強(qiáng)度越高表示越明顯的促進(jìn)效果。
圖10 橫向機(jī)械壓力沿焊縫中心線為各種con-straint雙面約束強(qiáng)度的研究
在圖11，模擬結(jié)果表明，裂縫打開廣泛沒有約束，但雙面約束的標(biāo)本有不顯明的裂紋。如圖12中所示累積的橫向位移的BTR雙面約束與約束距離5毫米和沒有約束. 積累的最大橫向位移的BTR 5毫米的情況約束距離達(dá)到76米，這是大大低于950的情況下，沒有約束。
圖11 橫向位移在標(biāo)本上的分布: (a)沒有約束 (b)雙面約束與約束距離5mm
圖12 累積的橫向位移的BTR雙面constraintcase沒有約束
這表明雙面約束將有效防止裂紋擴(kuò)展比較沒有約束。圖9的數(shù)值分析證實(shí)了實(shí)驗(yàn)觀察，雙面約束條件抑制中心線硬化裂紋的傳播。
4.3分析不同約束條件的影響
圖13展示了單邊約束對(duì)中心線裂紋行為的影響。在焊接過程中沒有約束，凝固收縮和熱收縮的主要原因是機(jī)械應(yīng)變。單邊約束時(shí)，額外的橫向機(jī)械應(yīng)變會(huì)誘導(dǎo)由于焊縫金屬萎縮的預(yù)防，如圖（13）所示。結(jié)果，總單邊約束條件下機(jī)械應(yīng)變大于一個(gè)沒有約束，并最終促進(jìn)中心線硬化裂紋萌生的可能性。裂紋擴(kuò)展，在裂紋尖端約束對(duì)位移的影響具有雙重角色。一方面，約束應(yīng)力與熱應(yīng)力將推動(dòng)橫向位移。另一方面，應(yīng)用約束和標(biāo)本之間的摩擦力會(huì)抑制橫向位移。最后在裂紋尖端位移是競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果這兩個(gè)相反的影響。在單邊約束條件，拉應(yīng)力起著主要的作用，最終增加了橫向位移在裂紋尖端，如圖7所示。與沒有約束相比，單面約束情況下會(huì)增加裂紋擴(kuò)展的可能性。圖14展示了雙面約束條件的影響?？倷C(jī)械應(yīng)變?cè)贐TR雙面約束大于無約束情況下，和雙面約束的裂紋萌生的可能性增加。雙面約束對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響還取決于之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果向外拉伸應(yīng)力和摩擦力引起的應(yīng)用限制。雙面約束條件，摩擦力橫向位移以來扮演著重要的角色在BTR嚴(yán)重下降的使用雙面約束，如圖12所示。所以，雙面約束顯然可以防止傳播中心線硬化裂紋的敏感性。
圖13單邊約束條件的影響(a)啟動(dòng)和(b)中心線硬化裂紋的傳播的示意圖
圖14 雙面約束條件影響的示意圖(a)啟動(dòng) (b)中心線硬化裂紋的傳播
5結(jié)論
約束的影響強(qiáng)度中心線硬化裂紋的萌生和擴(kuò)展分別進(jìn)行了研究在單面和雙面約束的條件下。主要結(jié)論概括如下：
（1）熱機(jī)模型對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展開發(fā)，基于數(shù)值模型、機(jī)械應(yīng)變和位移積累了裂紋萌生和傳播的有效指標(biāo)。積累更大的機(jī)械應(yīng)變和位移在BTR意味著裂紋萌生和傳播的可能性就越高。
（2）與沒有約束情況下相比，單面約束條件促進(jìn)中心線硬化裂紋的萌生和擴(kuò)展，并增加約束強(qiáng)度將進(jìn)一步提高推廣效果。雙面約束條件促進(jìn)裂紋萌生和防止裂紋擴(kuò)展而沒有約束情況。機(jī)械約束防止焊縫金屬的收縮，導(dǎo)致BTR額外的拉伸機(jī)械應(yīng)變，這影響裂紋萌生。機(jī)械約束引起的約束壓力和摩擦力之間的約束和標(biāo)本，應(yīng)用，競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果這兩個(gè)相反的因素最終決定裂紋擴(kuò)展。
感謝
作者欣然承認(rèn)金融支持由中國國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)51204109)的國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)51035004)。