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轻金属焊接学术前沿及其研究领域

　　摘要：本文综述了2008年8月国家自然科学基金委员会工程与材料科学部在西安临潼召开的“轻金属焊接关键基础研究”中青年学术论坛所得出的轻金属焊接学术前沿及其研究领域。该论坛是在国家重大需要及学科发展两大背景下，为了凝练轻金属焊接中的共性基础研究问题而召开的，论坛特别邀请了国内30余位专家学者进行了为期2天的学术交流与研讨，与会代表达到90余人。经与会学者充分研讨提出了四个值得重视的学术前沿，即：轻金属焊接工艺与力学行为相关理论基础、轻金属焊接结构可靠性与寿命评价的基础研究、轻金属焊接机理及焊接技术优化、轻金属焊接数值模拟与仿真技术。该论坛的召开对于凝练轻金属焊接中的共性基础科学问题，发挥我国中青年学者的积极性，促进轻金属焊接基础研究成果在整体焊接结构制造业中的应用具有极其重要的意义。
　　关键词：轻金属焊接模拟与仿真 可靠性与寿命评估 焊接力学行为
　　中图分类号：TG 146.2
　　
　　
　　1．引言
　　
　　
　　随着我国航空航天等国家重大项目的实施，轻金属在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本方面独具优势，是国家重点发展与应用的新型结构材料。焊接是轻金属结构制造的关键工艺之一，随着日益严格的服役环境和高可靠性的需求，对焊接技术同步发展也提出了更新的要求。由于轻金属自身的特点，在焊接方面存在一系列的急需解决的关键基础问题，如焊接过程中的热质传递规律、焊缝成形及控制规律、焊接接头力学行为及评价方法、焊接结构可靠性及寿命预测理论与技术等，这些关键基础问题对高能束流焊接工艺及焊接结构服役行为的影响中尤为突出，严重制约着轻金属焊接结构的制造与应用[1-4]。
　　在国家重大需要及学科发展两大背景下，为了凝练轻金属焊接中的共性基础研究问题，2008年8月20～22日，由国家自然科学基金委员会工程与材料学部主办、西安交通大学金属材料强度国家重点实验室承办、北京航空制造工程研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室和北京工业大学焊接研究所支持的“轻金属焊接关键基础研究”中青年学术论坛在西安临潼召开。
　　西安交通大学材料学院张建勋教授担任论坛主席，北京航空制造工程研究所巩水利研究员、北京工业大学李晓延教授和国家自然科学基金委员会彭芳瑜教授担任论坛副主席。论坛受到主办单位和承办单位的高度重视，国家自然科学基金委员会工程与材料学部黎明副主任、工程与材料学部机械学科王国彪主任和流动项目主任彭芳瑜教授出席论坛。西安交通大学蒋庄德副校长出席开幕式并致欢迎词，他对基金委集全国焊接领域知名专家参加的这次会议交由交通大学承办表示感谢，并讲到在国家启动大飞机项目过程中，轻金属即铝合金、钛合金等焊接关键基础研究显得尤为重要，这次会议对焊接研究将会起到较大的促进作用。黎明副主任在开幕式上的讲话中对论坛的宗旨与目的做了说明，在充分肯定轻金属焊接在先进制造领域中重要性的同时，希望通过本次论坛就轻金属焊接技术的关键基础研究问题和发展战略提出更多建议。王国彪主任主持开幕式并在会上介绍了国家自然科学基金委员会机械学科22年来对焊接研究的支持情况。关桥院士和林尚扬院士分别在开幕式上致辞，对论坛的举办表示祝贺并对中青年学者提出了希望。
　　受国家自然科学基金委材料与工程科学部邀请并出席了论坛的代表有30余名，其他中青年代表60余名，分别来自国内30余所大学与科研单位。国内焊接领域的老一辈知名专家对本次论坛也给予热情支持，关桥院士、林尚扬院士、陈剑虹教授、陈丙森教授、霍立兴教授等受邀出席论坛并组成了学术委员会，关桥院士任论坛学术委员会主席。论坛有20余位专家教授做了相关研究及其进展学术报告，表1是受邀出席论坛的代表姓名、单位及报告名称。同时在22日上午全体代表对轻金属焊接基础研究关键问题进行了学术研讨（图2）。随后分两组进行了学术交流，40余位青年学者报告了各自的相关研究成果。
　　论坛特邀关桥院士做了“轻金属焊接整体结构在飞行器上的应用与关键技术的基础研究”的学术报告。报告中，关桥院士针对运载工具和大型飞机制造中的关键焊接技术，如高能束焊接和固相焊接技术，分别从焊接力学、结构强度、损伤容限、疲劳破坏和寿命评估、结构应力与变形控制、焊接过程数值模拟等方面报告了目前的研究进展，并强调中青年学者应从国家重大工程专项实践中提炼出急需解决的关键基础研究问题。林尚扬院士指出，该论坛的召开对于凝练轻金属焊接技术中的共性基础研究问题，发挥中青年学者的积极性，促进轻金属焊接基础研究成果在整体结构制造中的应用具有重要意义，认为本次论坛召开及时，主题明确，代表性广泛，学术水平高。
　　本文试图将本次论坛的报告交流及讨论情况作初步总结归纳，如有遗漏，敬请谅解与批评指正。
　
　　
　　　2 学术前沿与研究领域与会代表
　　
　　
　　结合各自的研究工作，从国家重大工程需求出发，紧紧围绕轻金属焊接急需解决的关键基础问题，如轻金属焊接过程中的热质传递规律、焊缝成形及控制规律、焊接接头力学行为及评价方法、整体焊接结构可靠性及寿命预测理论与技术等进行了热烈讨论，并在以下四个方面形成了共识：
　　2.1 轻金属焊接工艺与力学行为相关理论基础关桥院士在特邀报告中结合航空航天装备对轻合金焊接的需求，强调轻金属焊接整体结构的概念，认为轻金属重要承力结构的特殊力学行为是必须研究的重要课题。张建勋教授报告了轻金属焊接，特别是高能束焊接力学性能的大梯度及尺度效应基础性研究，指出由于焊接过程的大梯度热效应导致的组织与力学性能不均匀性、大梯度残余应力、焊缝与HAZ尺寸因素及其对整体焊接结构力学行为的复合影响是极为重要的基础科学问题，对于这种带有大梯度特性的焊接接头力学行为的研究远没有达到像对均匀材料研究那样全面和深入，这将是未来需要深入探讨和研究的前沿性课题[5-6]。李晓延教授强调了轻金属高能束流焊接接头力学不均匀性的特殊性，认为应深入研究组织与性能的相关性[7]。巩水利研究员报告了国内外及作者所在的高能束流加工技术重点实验室的研究工作，提出当前以及今后在轻金属焊接中值得关注和需要深入探讨的力学问题，如焊接接头残余应力分布规律，焊接接头的力学性能受焊缝成形特征的影响，以及焊接缺陷与力学性能关系等[8]。方洪渊教授介绍了随焊冲击碾压、随焊旋转挤压、双向预置应力和随焊电磁冲击等几种控制轻金属焊接应力与变形的新方法[9]。单际国教授报告了焊接气孔缺陷对镁合金激光焊接接头力学性能的影响，认为焊接缺陷对轻合金焊接接头力学性能的影响值得关注。赵海燕副教授报告了铝合金薄板结构在焊后夹具撤除时发生的失稳变形，提出将夹具作用下的焊接应力计算和夹具撤除后的失稳变形计算分开研究的方法[10]。
　　在研讨中，霍立兴教授和陈丙森教授认为应深入研究轻金属焊接接头的力学行为及其对整体结构的影响。陈剑虹教授强调应重视中轻金属焊接接头的不均匀大变形力学行为的研究。方洪渊教授强调了焊接结构制造中残余应力与变形的控制及其对热裂倾向的影响。孟庆森教授介绍了通过控制异质接头应力梯度提高焊接接头性能的实验结果，并强调重视钛合金焊接的研究。
　　与会专家认为，轻金属焊接力学行为与焊接方法、焊接工艺密切相关，开展轻金属焊接力学行为相关理论基础研究对于分析焊接接头力学特点，优化焊接方法和工艺，提高焊接接头力学性能具有重要的理论指导作用[11-12]。其主要研究领域应包括如下：
　　(1) 轻金属焊接区非均匀、大梯度和多尺度组织与残余应力的定量表征;(2) 轻金属焊接接头组织性能与瞬态应力的演变规律及其控制技术；(3) 焊接接头与结构服役强度的梯度及尺度效应；(4) 焊接结构力学行为的焊接工艺依赖性。
　　2.2 轻金属焊接结构可靠性与寿命评价的基础研究巩水利研究员报告了大厚度钛合金电子束焊接接头断裂与疲劳寿命分散性的问题，提出应加强研究轻金属焊接接头断裂与疲劳寿命的影响机制。李晓延教授以铝合金和钛合金的焊接为例，介绍了焊缝、热影响区中的组织特征及其演变对焊接接头疲劳性能的影响；从焊接变形、接头硬度变化等角度分析了焊接方法和工艺的影响；从焊接接头断口形貌及断裂韧性变化等方面探讨了断裂机理及评价方法；从疲劳失效机理、疲劳强度评价及寿命评估等方面讨论了轻金属焊接接头及结构寿命分析的方法；并就轻金属焊接中组织、性能及寿命变化特征研究方面存在的问题和可能的研究途径进行了讨论。郭海丁教授以航空发动机典型转动部件失效为例，认为应加强疲劳失效机理和评价方法研究，期望在疲劳数据的积累与共享方面得共识与支持。张彦华教授认为完整性是焊接结构抵抗结构性破坏的重要属性，是焊接结构系统安全的保证，并就基于风险准则的焊接结构完整性分析方法进行探讨。王文先教授介绍了动载荷条件下镁合金焊接接头的断裂行为，报到了开展的加载速率对断裂行为的研究结果，同时对焊接裂纹产生与扩展行为进行了分析。
　　在研讨中，关桥院士提出要抓紧开展大厚度尺寸高能束流焊接以及铝合金搅拌摩擦焊接接头的断裂与疲劳行为研究。陈剑虹教授指出轻金属结构如全铝汽车的结构安全性和强度问题应引起足够重视，建议关注轻金属整体焊接结构的破坏失效设计理念的国内外差异并开展相关研究工作。霍立兴教授和陈丙森教授分别介绍了断裂与疲劳评价的最新国际标准，建议在开展相关研究中予以关注和参考。熊华平研究员指出钛合金结构件的安全性疲劳性能以及数据收集积累是应关注的问题，研究提高钛合金结构件的疲劳性能的方法也很重要。
　　断裂与疲劳破坏是焊接结构失效的主要形式,轻金属焊接结构的断裂与疲劳破坏受组织演变和服役条件的重要影响。目前,轻金属焊接接头的断裂与疲劳破坏的机理及其对整体焊接结构失效的影响尚不完全清楚，也缺乏相应的评价方法，同时预测轻金属焊接整体结构断裂与疲劳寿命的理论和技术尚不完善[13-15]。因此，开展如下相应的研究工作显得非常重要。
　　(1) 轻金属焊接接头的断裂与疲劳破坏机理及其评价方法;(2) 轻金属焊接接头的损伤机理及其影响因素；(3) 轻金属焊接接头的组织和形状对断裂及疲劳寿命影响;(4) 复杂工况下轻金属焊接结构的寿命预测方法与工程评价技术。
　　2.3 轻金属焊接机理及焊接技术优化关桥院士在特邀报告中全面介绍了轻金属焊接整体结构制造中的关键焊接技术以及高能束、固相连接制造技术的创新发展。武传松教授强调了当前激光电弧复合焊接应关注的关键问题，如复合热源条件下小孔形成机制、复合热源对焊接接头组织与性能的影响等。田志凌教授介绍了典型铝合金的激光电弧复合焊接接头的组织与性能特点。巩水利研究员提出了深入研究高能束流焊接熔池行为特别是热质传递规律、缺陷形成机理及预防策略对焊接接头力学性能影响的重要意义。李晓延教授报告了不同焊接方法和工艺参数对焊接接头组织和性能的影响，认为焊接工艺方法和焊接参数的优化是改善焊接接头性能的有效途径之一。
　　针对轻金属固相连接技术,栾国红高工对搅拌摩擦焊技术及其进展作了介绍。杨新岐教授综述了目前铝合金搅拌摩擦焊研究及存在的问题。邹家生教授介绍了搅拌摩擦点焊的现状与发展。张田仓研究员介绍了典型钛合金线性摩擦焊的实验研究结果。
　　在轻金属焊接其它方面,刘黎明教授报告了通过采用复合焊接方法和填充金属的设计，能够有效地改善镁合金与异质金属间界面组织结构、元素分布特征，进而实现提高焊接接头强度的目的。李晓红高工就钛合金活性剂焊接技术研究结果进行了系统介绍。孟庆森教授报告了外加电场对镁铝异质合金扩散焊接头界面组织与性能的影响。张柯柯教授介绍了一种软钎料及其钎焊接头的界面行为。
　　在研讨中，肖荣诗教授认为轻金属焊接方法上的发展应重点发展量大面广，带有共性且能成为国名经济发展主战场的焊接方法，如激光焊接等。刘黎明教授指出高能束等新的焊接方法成为轻金属焊接的有效方法，但在获得如何稳定焊接接头的新工艺上应起足够重视。罗健教授提出除以焊接工艺方法来提供优质焊接接头的方法外，也可附加外力场或其他场的方法来解决，如搅拌摩擦焊接中，电阻热和摩擦热相结合的导电搅拌摩擦焊接方法应受到关注。
　　轻金属焊接机理及焊接技术优化的研究是轻金属焊接关键基础研究的重要问题之一。经讨论这方面的基础研究问题包括：
　　(1) 焊接热源与轻金属的相互作用机理；(2) 轻金属固相焊接机理与技术；(3) 焊接熔池行为、接头组织演变和界面行为；(4) 焊接缺陷产生机理及影响因素；(5) 焊接过程稳定性和焊接质量控制。
　　2.4 轻金属焊接数值模拟与仿真技术轻金属焊接数值模拟与仿真技术是开展轻金属焊接基础研究，如焊接热过程、焊缝成形以及焊接应力变形等不可或缺的研究手段[16-18]。张建勋教授认为随着焊接计算学的发展，基于热力偶合弹塑性有限元方法能较准确反映焊接过程的温度场、应力场和变形规律，但是由于焊接热源模型、大型焊接结构和焊接接头的大梯度特征均使得焊接计算规模庞大，探索高效有效的计算方法是当务之急[19-20]。武传松教授认为数值模拟是轻金属材料复合热源焊接技术研究的重要手段，报告了在激光电弧复合焊接的数值模拟中，应该考虑复合热源的能量耦合机制，同时应考虑激光、电弧与焊接溶池的作用机制，激光与电弧的能量耦合机制，复合热源焊接冶金，以及焊接接头的应力-应变场与变形控制规律。陈怀宁研究员介绍了数值计算在焊接残余应力测试中的应用。赵海燕副教授通过采用优化单元剖分和杂交单元显著提高计算效率。王宏副教授报告了采用数值模拟技术开展的激光深熔焊溶池热力学和动力学行为研究的结果。
　　在研讨中，关桥院士、林尚扬院士、陈丙森教授、霍立兴教授等均对轻金属焊接的数值模拟与仿真技术的发展给予了充分的肯定，并提出了多项建议，强调要加强焊接过程机理认识，注重焊接物理模型的建立以及计算方法的高效优化。方洪渊教授等指出企业已经开始对模拟计算有需求，这是非常可喜的。但有两点要注意：一是要做精做细，以进行科学研究；二是进行大型计算研究以满足工程应用。经过研讨形成如下研究方向：
　　(1) 轻金属焊接过程中传热传质物理模型建立；(2) 轻金属焊接过程中熔池行为研究；(3) 焊接应力与变形过程数值模拟；(4) 焊接疲劳与断裂的数值模拟和寿命预测；(5) 焊接研究中的高效数值计算技术。
　　
　　
　　3 结束语
　　
　　
　　本次“轻金属焊接关键基础研究”中青年论坛是一次高规格、高层次和高水平的学术前沿研讨会，有利于凝练轻金属焊接中的共性基础问题，促进轻金属整体焊接结构在制造业中的广泛和深入应用。在关桥院士、林尚扬院士等老一辈焊接专家的热情支持下,来自不同院校和科研院所的中青年学者围绕轻金属焊接关键基础研究问题展开了热烈研讨。达成以下共识：
　　（1）轻金属是国家重点发展与应用的新型结构材料，其在提高材料利用率、减轻整体结构重量、降低生产成本等方面独具优势。焊接是轻金属结构制造的关键加工工艺之一，随着日益严格的服役环境和高可靠性的需求，对其焊接技术的同步发展提出了更新的要求。
　　（2） 论坛归纳出了轻金属焊接关键基础研究中值得关注的四个方面的学科前沿，即：轻金属焊接工艺与力学行为相关理论基础、轻金属焊接结构可靠性与寿命评价的基础研究、轻金属焊接机理及焊接技术优化、轻金属焊接数值模拟与仿真技术等，并归纳了若干研究领域。

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