1060铝合金激光焊焊缝晶粒生长及对接头力学性能的影响

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在保证焊缝成型良好的前提下,焊接热输入直接影响着焊接接头的工作环境适应性和使用寿命。而焊缝区域往往是焊接接头性能最为薄弱的部位,通过制定正确的焊接工艺增强焊缝金属的力学性能可以有效的提升工件的质量。晶粒生长情况与力学性能变化密切相关,因此分析不同焊接热输入下焊缝晶粒生长及对其力学性能的影响,具有优化焊接工艺、提升焊接接头使用性能的重要意义。至今有许多学者对于焊缝晶粒生长情况进行了相关研究,但其研究手段往往局限在细观模拟或试验其中一种。本文在前人得出的理论基础上,采取试验与数值模拟相结合的手段,以1060铝合金作为试验材料进行了激光焊焊接试验及电子背散热衍射(EBSD)观测;利用组合热源模型进行宏观有限元模拟分析焊接接头在不同热输入下的温度场、热流分布及熔池形态的变化规律;通过蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法对焊缝区域晶粒生长进行细观模拟并与EBSD测试结果进行对比,分析在焊缝成型良好的前提下,不同热输入所造成的宏观因素变化对于晶粒生长的尺寸、拓扑结构、织构特性的影响。最后对焊接接头进行力学性能试验,研究1060铝合金焊缝区域晶粒生长差异与其焊接接头力学性能之间的联系。研究结果表明随着热输入的降低,温度场等温线逐渐收缩,晶界迁移能降低造成晶粒尺寸减小同时熔池形态从椭圆状逐渐被拉长为泪滴状;热输入降低的过程中焊缝中心逐渐出现致密的等轴晶,其对柱状晶生长起抑制作用;柱状晶的生长形态从弯曲变为笔直,生长走向与热流矢量一致皆垂直于凝固边界前沿并且与焊缝中心线夹角越来越大;EBSD结果显示当热输入降低到75J/mm及58J/mm时焊缝区域出现强烈的立方织构,立方织构的产生有助于提升焊接接头的塑韧性,同时大部分柱状晶都沿着<100>方向生长具有明显的择优取向;拉伸试验结果显示随着热输入的降低,接头的抗拉强度及延伸率首先逐渐提升,并在热输入为75J/mm时到达峰值,随后在热输入降低到58J/mm时出现回落。降低热输入会导致晶粒尺寸缩小晶界强化作用增强从而提升接头塑性;柱状晶本身具有各向异性,其生长方向与拉伸力逐渐趋于平行,因此随着热输入降低抗拉强度首先产生了提升的趋势;焊缝区域立方织构的存在同样有助于改善其力学性能。但当焊接速度过快会产生气孔缺陷,同样影响焊接接头的性能,使其抗拉强度下降。
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