高频微振复合激光焊热-力学效应及接头多尺度疲劳损伤机理

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51305253
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
25.0万
负责人：
卢庆华
依托单位：
上海工程技术大学
学科分类：
E0508.成形制造
结题年份：
2016
批准年份：
2013
项目状态：
已结题
起止时间：
2014-01-01 至2016-12-31

项目参与者：
闫华；李崇桂；马春伟；阮勤超；郭崇；张杰；
关键词：
激光焊接热-力学效应高频微振疲劳损伤

项目摘要

The safety and reliability of Ni-based superalloy welding structures used in nuclear level devices are particularly prominent because of the bad serviced environment. The new technology of laser/high-frequency micro-vibration hybrid welding is adopted to solve the outstanding problems of coarse grains and high crack sensitive in Ni-based superalloy welding. The coordinated control of vibration welding process parameters and the optimization of energy regulation will be achieved. By studying the molten pool temperature field and melt behavior of laser/high-frequency micro-vibration hybrid welding, the dynamic process of the laser welding based on energy regulation will be understood deeply and the mechanism of thermodynamic effect on joint forming will be explored. Multi-scale fatigue crack initiation, propagation and evolution rule will be investigated. A three-dimension refined simulation model will be developed to predict the damage behavior of welded joint through the meso-mechanics finite element analysis. The joint fatigue damage mechanism will be researched to reveal the internal relationship of laser/high-frequency micro-vibration hybrid welding process parameters and fatigue damage evolution. This project will provide a theoretical and technical basis for the applications of Ni-based superalloy in special engineering welded structures.

核级设备中使用的Ni基高温合金焊接构件由于工作环境恶劣，构件的安全性和可靠性问题尤为突出。针对Ni基高温合金焊接接头组织粗大、裂纹敏感性高这一突出问题，提出高频微振复合激光焊接新技术，实现Ni基高温合金激光焊过程中振动和焊接工艺参数协调控制，建立能量调控优选准则。通过研究高频微振复合激光焊接过程熔池温度场和熔体行为，深化基于能量调控的激光焊接动态过程的认识，探析热-力学效应对接头成形的影响机制。研究不同尺度的接头疲劳损伤产生、扩展和演化规律，通过细观力学有限元分析，建立三维精细化损伤演化模型，掌握接头疲劳损伤机理，结合接头性能分析结果，揭示高频微振复合焊接工艺参数与疲劳损伤演化的内在关联。本项目的研究成果可为Ni基高温合金在特种工程焊接结构中安全可靠的长期运行奠定理论和技术基础。

结项摘要

随着科学技术的不断飞速发展，传统焊接技术已经无法满足日益增长的社会发展需求。本项目以高温合金焊接接头组织粗大、裂纹敏感性高为出发点，提出高频微振复合激光焊接新思路，在激光焊接中有效耦合高频微振，达到优化接头成形、细化组织、提高力学性能、延缓裂纹扩展的目的。首先，研制了基于超磁致伸缩材料（GMM）的高频微振平台。得到了激振器电压恒定时的频率-电流关系曲线以及不同频率下的电流-加速度关系曲线。为了进一步提高激振器效率，比较了有无导磁部件的情况下磁力线的分布，并得到了GMM棒沿轴线方向上的磁感应强度值变化曲线。试验验证了超磁致伸缩激振器代替传统偏心轮式激振器进行的高频微振可适应激光焊的焊接热循环快、接头狭窄且深宽比大的特点，能满足高频微振下激光焊过程的稳定、协调控制。研究了高频微振激光焊接接头成形机制。Inconel 718镍基高温合金焊缝区存在枝晶偏析，析出相为γ/Laves共晶；随着振动加速度增大，枝晶间白色析出相减少，甚至消失。振动频率增大，接头显微硬度整降低，在919Hz时，焊缝区显微硬度达最大值。探讨了Inconel 718镍基合金液化裂纹萌生的微观机制，建立了高频微振激光焊接的温度场模型，研究不同位置点的温度时间历程。另发现，当裂纹尺寸低于某阈值时，施加高频振动后，加速晶界原子扩散，减小低熔共晶组成原子在晶界聚集，降低裂纹源生成几率；但当裂纹尺寸高于该阈值时，高频振动将加快裂纹扩展。明确了微观结构对高频微振复合激光焊接头疲劳性能的影响。研究发现，当疲劳载荷为54%σb和55%σb时，振动的施加可增加焊接接头疲劳寿命。施振焊接后，疲劳裂纹扩展区中较小的气孔未形成疲劳源，不阻碍疲劳裂纹扩展，可见贝纹线；在瞬断区中疲劳断口快速扩展，出现凸脊，韧窝等形貌。振动会促进接头疲劳性能。当振动频率远离材料本身固有频率时，焊缝疲劳极限显著增加；当振动频率接近材料本身固有振动阻尼频率时，焊缝组织改变，影响疲劳性能。