【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及铝合金焊接领域，特别是涉及一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法。
技术介绍
1、铝合金在航空航天结构减重、动车车体轻量化及武器装备制造等领域具有广泛的应用，由于其高比强度、高比刚度和极佳的耐腐蚀性能等特点而备受青睐。但在焊接过程中，铝合金面临一些难题。铝合金中的活泼元素(如mg、li等)在高温和氧气存在下容易氧化、蒸发和烧损，焊接过程中出现元素流失或燃烧现象，导致焊接区域出现裂缝和微观缺陷。另外，铝合金焊接的软化区大小较宽，高温区不易控制，容易产生热变形和热裂纹等缺陷，导致焊缝强度不足，韧性较差，影响其在实际应用中的性能和寿命。
2、目前，为了改善铝合金焊接的质量和性能，通常采用调整焊接工艺参数或改变焊丝成分等策略。例如，控制焊接功率、速度和预热温度等参数可以在一定程度上改善铝合金焊接的质量和性能。但这些方法仍然存在着一些局限性，无法满足需求更高性能的焊接材料的要求。
3、为了解决上述问题，引入填充纳米颗粒的方法可以有效控制焊缝组织，并弥补焊接过程中元素烧损的影响和物理性质的改变。填充纳米颗粒可以提供细小的外部约束，并在焊缝界面形成均匀的纳米颗粒分布，通过灵活地改变焊丝成分和颗粒添加量的比例，可以控制焊缝中的凝固过程，优化晶界构造和微观组织。同时，纳米颗粒还可以抑制焊接过程中的热应力和变形，降低焊缝表面和内部的裂纹数量和大小。这种纳米填料技术还可以延长焊丝的长效使用寿命，从而提高铝合金焊接接头的质量和性能。
4、因此，开发具有更高强度和更低密度的新型铝合金焊丝，并引
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法。该方法基于填充纳米颗粒的高强度焊丝来增强铝合金焊缝的强韧性。通过优化焊丝成分、选择合适的纳米颗粒种类和含量，生成适用于铝合金的高强度焊丝成分设计空间。填充纳米颗粒的焊丝抑制焊接过程中的元素烧损、热裂纹和气孔等缺陷的产生，提高焊缝的强度和韧性，改善焊接接头质量和可靠性。
2、为达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的。
3、一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，包括：
4、(1)焊丝成分设计：设定合金元素和纳米颗粒的种类和含量，并计算不同纳米颗粒对合金相平衡转变和热物性参数的影响，生成适用于铝合金的高强度焊丝成分设计空间；
5、(2)焊丝成分优化：基于仿真数据建立焊丝成分和力学性能之间的数据库，并建立焊丝成分、密度和抗拉强度之间的关联模型，优化纳米颗粒含量，形成可靠的筛选准则，以实现铝合金专用高强度焊丝的优化设计；
6、(3)焊丝制备：采用高温合成方法制备含有纳米陶瓷颗粒的铝合金铸锭，并使用多道次轧制工艺将其制成铝合金专用高强度焊丝；
7、(4)焊接：采用填充纳米颗粒增强焊丝对铝合金进行焊接，并建立“焊丝成分-工艺参数-微观组织-力学性能”的关联模型，实现铝合金焊缝强度和韧性的协同提升。
8、进一步地，步骤(1)所述的纳米颗粒为tic、tib2、sic等陶瓷颗粒，在高温下，纳米颗粒被熔化并与熔池混合，形成均匀的颗粒分布；同时，作为强化相存在于焊缝中，能够有效地阻碍位错滑移和孔洞扩展，提高焊缝的强度和韧性。
9、进一步地，步骤(1)所述的铝合金专用高强焊丝成分设计空间将合金元素与纳米颗粒的含量视为设计变量，是每种合金元素与纳米颗粒的成分范围和变化步长所决定的，其设计原则为提高焊丝强度、降低密度的同时，保证焊丝的强度和韧性。
10、进一步地，步骤(2)所述的铝合金专用高强焊丝优化设计的可靠筛选准则为选择析出相体积分数、固溶窗口、凝固区间和密度四个基本组织参数作为筛选条件，获取焊丝成分-焊接参数-焊缝组织-焊缝性能的关系数据。
11、更进一步地，基于获得的“焊丝成分-焊接参数-焊缝组织-焊缝性能”定量关系，以服役性能为输入量，基于人工神经网络建立“服役性能-焊接参数-焊丝成分”反演模型，结合设计准则，对合金成分进行多目标优化和筛选。
12、更进一步地，合金成分多目标优化方法为基于“服役性能-焊接参数-焊丝成分”反演模型快速预测出合金成分，减少试验和测试的时间和成本，并有效提高合金材料的研发效率和成功率；在进行多目标优化和筛选时，需结合设计准则，综合考虑合金成分、焊接参数和服役性能等因素，对合金成分进行筛选和优化，得到最终的合金组成方案。
13、进一步地，模拟不同纳米颗粒含量下铝合金焊缝的微观组织特征演变过程及力学性能，综合考虑焊缝的强度、韧性选择最优焊丝成分，实验验证铝合金的相转变规律和焊丝成分设计流程的准确性。
14、进一步地，在铝合金专用高强焊丝制备过程中，采用高温合成方法包括熔融法，通过在高温条件下将纳米陶瓷颗粒与铝合金材料相融合，实现颗粒的均匀分布；制得的铝合金铸锭经过多道次轧制工艺，通过多次的轧制和拉伸过程，使铝合金材料得到细化和拉伸，提高其强度和塑性
15、进一步地，焊接过程采用激光填丝焊接方法进行，通过控制激光功率、光束焦点位置和焊接速度，使填充纳米颗粒增强焊丝与母材的熔合达到最佳状态，从而实现铝合金的高效、高质量焊接；填充的纳米颗粒可以提供有效的强化相，改善焊缝的宏观和微观结构，增强焊缝的强度和韧性。
16、本专利技术具有的优点和积极效果有：
17、本专利技术的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，通过填充纳米颗粒的高强度焊丝，提高铝合金焊缝的强韧性。纳米颗粒能够均匀分散在焊缝中，有效地阻碍位错滑移和孔洞扩展，提高焊缝的强度和韧性。同时，纳米颗粒可以抑制焊接过程中的元素烧损、热裂纹和气孔等缺陷的产生，从而改善焊接接头的质量和可靠性。此外，纳米颗粒的引入可以改善焊缝的凝固过程，减少应力集中和裂纹倾向，提高焊缝的耐腐蚀性能。一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法为铝合金焊接提供了可靠的解决方案，扩展了铝合金的应用领域，特别是在航空航天和交通运输等重要领域。
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1.一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述纳米颗粒为TiC、TiB2、SiC等陶瓷颗粒，在高温下，纳米颗粒与熔池混合，形成均匀的颗粒分布；同时，作为强化相存在于焊缝中，能够有效地阻碍位错滑移和孔洞扩展，提高焊缝的强度和韧性。
3.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述铝合金专用高强焊丝成分设计空间将合金元素与纳米颗粒的含量视为设计变量，是每种合金元素与纳米颗粒的成分范围和变化步长所决定的，其设计原则为提高焊丝强度、降低密度的同时，保证焊丝的强度和韧性。
4.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，铝合金专用高强焊丝优化设计的可靠筛选准则为选择析出相体积分数、固溶窗口、凝固区间和密度四个基本组织参数作为筛选条件，获取焊丝成分-焊接参数-焊缝组织-焊缝性能的关系数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝
6.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，模拟不同纳米颗粒含量下铝合金焊缝的微观组织特征演变过程及力学性能，综合考虑焊缝的强度、韧性选择最优焊丝成分，实验验证铝合金的相转变规律和焊丝成分设计流程的准确性。
7.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述铝合金专用高强焊丝制备过程中，采用高温合成方法包括熔融法，通过在高温条件下将纳米陶瓷颗粒与铝合金材料相融合，实现颗粒的均匀分布；制得的铝合金铸锭经过多道次轧制工艺，通过多次的轧制和拉伸过程，使铝合金材料得到细化和拉伸，提高其强度和塑性。
8.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述焊接过程采用激光填丝焊接方法进行，通过控制激光功率、光束焦点位置和焊接速度，使填充纳米颗粒增强焊丝与母材的熔合达到最佳状态，从而实现铝合金的高效、高质量焊接；填充的纳米颗粒可以提供有效的强化相，改善焊缝的宏观和微观结构，增强焊缝的强度和韧性。
...【技术特征摘要】
1.一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述纳米颗粒为tic、tib2、sic等陶瓷颗粒，在高温下，纳米颗粒与熔池混合，形成均匀的颗粒分布；同时，作为强化相存在于焊缝中，能够有效地阻碍位错滑移和孔洞扩展，提高焊缝的强度和韧性。
3.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述铝合金专用高强焊丝成分设计空间将合金元素与纳米颗粒的含量视为设计变量，是每种合金元素与纳米颗粒的成分范围和变化步长所决定的，其设计原则为提高焊丝强度、降低密度的同时，保证焊丝的强度和韧性。
4.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，铝合金专用高强焊丝优化设计的可靠筛选准则为选择析出相体积分数、固溶窗口、凝固区间和密度四个基本组织参数作为筛选条件，获取焊丝成分-焊接参数-焊缝组织-焊缝性能的关系数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于填充纳米颗粒增强焊丝的铝合金焊缝强韧性方法，其特征在于，所述合金成分多目标优化方法为基于“服役性能-焊接参数-焊丝成分”反演模型快速预测出合金成分，减少试验和测试的时...
【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，李悦，王建峰，刘云浩，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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