【摘 要】
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先进高强钢（Advanced High Strength Steel,AHSS）具有很好的吸能性,在实现汽车轻量化和提高车身安全性能方面起着非常重要的作用;同时,激光焊接以其高效高柔性的优势,成为车身薄壁构件高质高效制造的重要手段。然而,在AHSS薄板高速激光焊接过程中,焊接接头不同位置的峰值温度、加热/冷却速度梯度极大,导致高度不均匀的组织、性能和残余应力分布,对焊接数值模拟技术提出了更高的要求
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目“微观多相协调机制下超大功率激光焊接应力不均匀行为及多重调控”,编号:5190051502
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先进高强钢（Advanced High Strength Steel,AHSS）具有很好的吸能性,在实现汽车轻量化和提高车身安全性能方面起着非常重要的作用;同时,激光焊接以其高效高柔性的优势,成为车身薄壁构件高质高效制造的重要手段。然而,在AHSS薄板高速激光焊接过程中,焊接接头不同位置的峰值温度、加热/冷却速度梯度极大,导致高度不均匀的组织、性能和残余应力分布,对焊接数值模拟技术提出了更高的要求:薄板激光焊接熔池尺寸往往为毫米甚至亚毫米量级,瞬态温度场难以准确预测;激光焊接固态相变模型超快加热条件下模拟精度低,同时焊接过程存在严重的马氏体回火软化问题,相关的固态相变模型亟待完善;固态相变往往伴随着多种相产物,各产物具有不同的流动应力行为,导致AHSS激光焊接过程应力对应变适应规则的多变性。围绕上述问题,本文以马氏体钢1700MS为研究对象,开展了考虑马氏体回火的激光焊接热-冶金-力学耦合数值模拟研究,主要内容如下:（1）根据激光焊接热-冶金-力学耦合数值模拟相关模型的建立和验证需求,开展了以焊接工艺试验为主、以回火热模拟和力学拉伸试验为辅的试验研究,为热源模型、马氏体回火模型、流动应力模型的建立和验证提供了数据支撑。进行了焊接接头的显微硬度和残余应力测试,用于微观组织和应力场模拟结果的验证。阐明了马氏体回火软化是导致焊接接头力学性能降低的主要原因,受其影响形成了中间软（热影响区）两边硬（焊缝区及母材）的焊接接头,受力过程中硬质区加快了软化区的断裂失效。（2）针对亚毫米级熔池瞬态温度场预测难的问题,进行了基于粒子群算法确定热源系数的激光焊接温度场模拟。根据小孔半径和倾斜角,建立了一种更接近真实激光加载的双柱体倾斜热源模型。基于熔池的上/下宽和长度,提出了一种考虑熔池三维尺寸的模拟误差评价方法。结合群智能算法,引入了基于粒子群算法的热源系数优化方法。利用MATLAB和ANSYS软件开发了热源系数优化程序,验证了热源模型的多工艺参数适应性,实现了亚毫米级熔池三维尺寸的准确预测,模拟误差的最小值和平均值分别为2.32%和3.93%。（3）针对固态相变模型超快加热条件下模拟精度低和马氏体回火模型缺失的问题,构建了考虑马氏体回火的激光焊接固态相变模型。考虑相变迟滞的影响,改进了非等温奥氏体相变模型。研究了加热速度对奥氏体晶粒生长过程的影响规律,引入了基于奥氏体晶粒尺寸的马氏体相变起始温度预测方法。推导了非等温马氏体回火模型,结合马氏体回火热模拟试验结果优化了模型参数。完善固态相变模型后,根据温度场模拟结果进行了焊接微观组织模拟,利用硬度测试结果验证了模型的准确性,接头硬度的平均相对误差为4.84%。（4）针对材料固态相变过程中复杂多变的流动应力行为,集成开发了马氏体钢1700MS激光焊接热-冶金-力学耦合本构模型。基于热弹塑性本构关系,分析了影响焊接过程应力-应变关系的主要因素。根据1700MS的真实应力应变曲线,结合温度敏感系数优化了流动应力模型的参数,考虑奥氏体、马氏体和回火马氏体的加工硬化特性进行了模型重构。考虑相变伴生应变（体积应变、塑性应变）,揭示了固态相变对应变增量的影响规律。利用ANSYS软件的UPFs模块,开发了相应的USERMAT子程序,进行了基于热-冶金-力学耦合的激光焊接应力场模拟,模拟结果与试验结果具有良好的一致性。对比分析了固态相变对应力场的影响规律,结合焊接过程屈服强度和热应变随温度变化曲线,深入研究了残余应力和塑性应变的演变过程。
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