鋁-鋼異種金屬焊接接頭界面形成機理研究.pdf

1、本文針對鋁/鋼異種金屬焊接過程中接頭界面上微觀組織演變機理的分析難題，以脈沖旁路耦合電弧GMAW(Pulsed Double-electrode gas metal arc welding。Pulsed DE-GMAW)方法對鋁/鋼實施焊接，基于蒙特卡羅(Monte Carlo。MC)及元胞自動機(Cellular Automaton。CA)模型的優(yōu)點，建立起多物相、多取向數(shù)值模型對鋁/鋼 Pulsed DE-GMAW焊接界面微觀組織的

2、演變機理進(jìn)行探究，并輔助以實驗分析對模型進(jìn)行驗證分析。
　　在MC模擬晶粒生長方法的基礎(chǔ)上，提出晶體形核與生長優(yōu)先取向方法，即提出優(yōu)先生長取向因子，優(yōu)先取向因子影響效應(yīng)借鑒CA方法，即建立雙層網(wǎng)格MC模型。采用該方法來建立格點跟蹤模型，對晶體從液相中形核到長大的整個連續(xù)過程進(jìn)行了模擬研究，通過格點跟蹤方法對模擬過程中固相分?jǐn)?shù)的變化情況和晶粒大小進(jìn)行統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明所建立的模型能很好的反映晶粒形核與生長過程，所構(gòu)建的格點跟蹤方

3、法可以精確的統(tǒng)計固相分?jǐn)?shù)及晶粒大小的變化情況，模擬過程中固相分?jǐn)?shù)的變化與蒙特卡羅步(Monte Carlo Steps,MCS)之間滿足S型曲線分布，晶粒長大指數(shù)為0.477，接近理論值0.5。
　　將所建立的雙層網(wǎng)格MC模型引入鋁/鋼Pulsed DE-GMAW焊接界面微觀組織模擬中，以實際焊接過程中的熱循環(huán)曲線為溫度參考，并建立Fe、Al量元素在焊縫界面上的一維非穩(wěn)態(tài)擴散模式，對界面上金屬間化合物Fe2Al5及FeAl3的生長

4、過程進(jìn)行模擬研究。研究表明Fe2Al5晶粒在鋁-鋼初始界面上率先形核并朝鋁側(cè)生長，且很快在界面上生長成連續(xù)層狀。隨后Fe2Al5晶粒朝鋼側(cè)生長呈現(xiàn)“板條”狀。隨著焊縫溫度降低 FeAl3晶粒在鋁側(cè)形核并朝鋁中生長，晶粒形態(tài)呈現(xiàn)“針狀”。FeAl3比Fe2Al5對焊接熱輸入更為敏感，后者在界面上生成量遠(yuǎn)大于前者。
　　結(jié)合Fe2Al5晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，將其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理幾何抽象化，提出關(guān)于Fe2Al5晶體生長的空位擴散機制，建立空

5、間多取向生長模型，并應(yīng)用在雙層網(wǎng)格MC模型基礎(chǔ)上對界面主要生成物相Fe2Al5晶體生長過程進(jìn)行模擬研究。研究表明Fe2Al5晶體c軸與形核界面的夾角對晶粒生長形態(tài)存在一定影響，不同形核取向下的晶粒生長存在明顯的競爭生長現(xiàn)象，而夾角為90o的晶粒生長競爭優(yōu)勢明顯，使得界面上生長的Fe2Al5呈現(xiàn)“舌狀”分布，而通過改變Fe2Al5生長前沿的元素富集，使得形成平整界面，這與實際的試驗結(jié)果非常符合。鋁/鋼焊接過程中Fe2Al5的生長形態(tài)與晶粒

6、的c軸取向相關(guān)，且合金元素在Fe2Al5晶粒生長前沿的富集對其生長形態(tài)及生成厚度有明顯影響。
　　為了研究上述模擬研究的正確性，基于電子背散射衍射技術(shù)(Electron Backscattered Diffraction，EBSD)對鋁/鋼Pulsed DE-GMAW焊接界面上微觀組織晶粒形態(tài)、種類、取向及尺寸進(jìn)行分析，并分析了熱輸入對其生長形態(tài)影響規(guī)律。研究表明Fe2Al5晶粒在界面呈“板條”狀形態(tài)，其晶體c軸方向為生長優(yōu)先方向