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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A control method of weld microstructure and properties based on welding thermal cycle and mechanical vibration

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及高强铝合金焊接
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术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)技术方案本专利技术提供如下技术方案：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新，
申请(专利权)人：新兴际华应急装备技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11