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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(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬凝固在激光焊接過(guò)程中開(kāi)裂行為。機(jī)械應(yīng)變和積累有關(guān)位移被用來(lái)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(guò)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(méi)有約束的情況下在熔池尾部建立了一個(gè)焊接過(guò)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(kāi)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(méi)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(guò)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(guò)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(lái)清潔焊接前氧化物和油。在焊接過(guò)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(guò)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(guò)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(méi)有約束條件被認(rèn)為是與無(wú)限的單面或雙面約束條件與無(wú)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(méi)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(guò)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(wú)裂口焊縫沒(méi)有約束條件。如果使用更高的熱量輸入和裂紋開(kāi)始沒(méi)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(kāi)始在這兩種情況下(有/沒(méi)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(wú)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(guò)相同的熱過(guò)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(wú)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(guò)數(shù)次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋出現(xiàn)沒(méi)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(méi)有約束裂縫的發(fā)生。Feng(1994)證明開(kāi)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(lái)確保裂紋的發(fā)生沒(méi)有約束條件。經(jīng)過(guò)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(guò)改變熱導(dǎo)率超過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)(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(guò)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(méi)有約束，沒(méi)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(wú)數(shù)的橫向裂縫中心線裂紋前發(fā)生。中心線硬化裂紋開(kāi)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(méi)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(méi)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(méi)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(méi)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(méi)有約束，5毫米，10毫米和15毫米)。而沒(méi)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(méi)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(kāi)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(kāi)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B(niǎo)TR 5毫米的距離約為200米，最大累積位移與約束B(niǎo)TR 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(méi)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(méi)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(méi)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(méi)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(méi)有約束
圖9是很難顯示雙面約束的影響以來(lái)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?；趫D10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(méi)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(wú)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(méi)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(kāi)廣泛沒(méi)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(méi)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(méi)有約束。
圖11 橫向位移在標(biāo)本上的分布: (a)沒(méi)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(méi)有約束
這表明雙面約束將有效防止裂紋擴(kuò)展比較沒(méi)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(guò)程中沒(méi)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(méi)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(méi)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(wú)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(lái)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(kāi)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(méi)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(méi)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(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)51204109)的國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)51035004)。