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1、镁合金焊接技术的研究与应用1、相关定义1.1、焊接热传导的相关概念焊接温度场的分析是研究焊接热力学分析的基础,焊接温度对材料的力学性能有显著的影响,许多材料的参数是焊接温度的非线性函数。焊接的热传导直接决定了焊缝区和焊接热影响区的显微组织转变和焊接变形。1.2、焊接内应力的基本概念焊接内应力是在没有外力的条件下平衡于焊件内部的应力。焊接内应力按照其产生原因可分为温差应力、相变应力和残余应力等几种:(一)温差应力(热应力)温差应力是由于焊件受热不均匀引起的,如果温差应力不高(低于材料的屈服极限),在焊件中不产生塑性变形,那么当焊件温度均匀化以后,
2、热应力随之消失。(二)相变应力金属在相变时其比热容也有所变化,也就是说其尺寸有所变化。如果温度升高,使局部金属发生相变,伴随这种相变所出现的体积变化将产生新的内应力,温差应力和相变应力都属于瞬时应力。(三)残余应力如果温差应力、相变应力达到了材料的屈服极限,使局部区域产生了压缩塑性变形,当温度恢复到原始的均匀状态后,就产生了新的内应力。这种内应力是温度均匀后残余在物体中的,故称之为残余应力。焊接过程中产生的残余应力可使焊缝部分或者完全断开,也可能造成结构的脆性断裂。拉伸残余应力降低疲劳强度和腐蚀抗力,压缩残余应力减小稳定性极限。相反,焊接残余应
3、力的有利影响(压缩应力对防止疲劳裂纹和腐蚀有利,拉伸应力则有利于稳定性)是次要的。由于影响因素较多,非线性、瞬时作用、以及温度相关性效应等都妨碍了正确的描述在各种情况下产生的残余应力,并使统一系统化的工作很难完成。实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统。它包括材料的焊接适应性,设计的焊接可靠性和制造的焊接可行性。一般材料设计的焊接可靠性就是基于焊接残余应力来评定的。同时,可以将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程,从而降低了焊接性各种现象的复杂性。可以用图4-1所示的工艺基础将焊接性分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。业已证明,这种
4、分解特别对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。37第四章铝合金筒体焊接应力应变场的数值模拟与结果分析图4-1显微组织度与温度、应力应变场之间的相互关系图4-2扩展的显微组织和温度、应力应变场之间的相互关系箭头表示相互的影响,实箭头表示强烈的影响,虚箭头表示较弱的影响,显微组织的转变不仅决定了材料的化学成分,也决定于其受热过程(特别是与焊接有关的过程),显微组织特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人注意。狭义上,焊接性可以理解为所要求的强度性能,影响强度性能的主要因素包括:化学成分、相变显微组织、焊接温度循环、焊后热处理、构
5、件形状、负载条件、氢含量等。因此可将图4-1扩展成图4-2以强调相变行为的影响,并显示出有限元分析中的基本的输入和输出参数。38第四章铝合金筒体焊接应力应变场的数值模拟与结果分析1.3、基于焊缝元素当量概念铝合金凝固裂纹判据的建立最初的预测焊缝性能和选择焊接参数的数值计算公式,主要是基于材料的化学成份,这些公式是近似应用于选择焊接参数或者焊后的热处理,以改善材料焊接性和获得必须的性能。针对钢铁冶金中碳当量的概念,本文引入铝合金”焊缝元素当量”概念,通过数学回归和神经网络模拟的方法初步得到铝合金凝固裂纹判据,分析”焊缝元素当量”与裂纹敏感性的定量
6、关系,从而建立起几种主要的合金元素与凝固裂纹形成之间的关系模型,预测凝固裂纹形成的位置和倾向,最终达到防止焊接过程中裂纹缺陷产生的目的。1.4.1铝合金热裂纹元素当量概念的引入碳当量的公式是确定淬硬性的表达式,首先针对中碳钢而提出了表达式,中碳钢的共晶分解是一次相在快速冷却过程中,形成马氏体作为基本产物。这些公式是经验公式,说明了合金元素对钢的相变过程的影响,这些公式成功的应用于各种钢的焊接性的预测,它表明了合金元素含量之间的存在的相互关系和焊接过程中在焊接接头中出现焊接冷裂纹的倾向。然而碳当量值只能在一定范围内概括地、相对地评价钢材地焊接性。
7、因为碳当量只表达了钢材地化学成分对焊接性的影响,其他如焊接的刚性、焊接时冷却速度、焊接热循环中的最高温度和高温停留时间等参数均会影响可焊性。例如同一化学成分的钢材,焊接过程中由于冷却速度不同,可以得到不同的焊缝组织。冷却速度快,易产生淬硬组织,焊接性就会变差,当钢材碳当PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn华中科技大学硕士学位论文8量值相等时,不能看成焊接性完全相同。在对钢铁进行焊接时,焊接接头冷却到Ms(马氏体转变的开始温度)时产生的裂纹是冷裂纹。大量研究表明:冷裂纹的产生时扩散氢、钢
8、材的淬硬倾向及接头所受的拘束度共同影响的结果。而碳当量能运用于冷裂纹敏感性的估算是由于,不考虑扩散氢以及拘束力的影响,碳的含量能较好的表征钢材的淬硬性
