搅拌摩擦修复/改性对铝合金深冷设备焊接结构完整性的影响机理

The proposal will be started to be conducted from the structural integrity proposition. On the basis of friction stir processing technology, the weld of 5083 aluminum alloy in cryogenic equipment will be processed via friction stir repair / modification. It will be focused of the effect mechanisms of metallurgical weld-defects and weld-microstructure evolutions, and weld size changes on the welding structural integrity under low temperature condition. The healing path, evolution model and the relationship with the microstructure evolution behavior via friction stir repair of different-typed welding metallurgy defects will be investigated. It will be established of low-temperature structure integrity assessment system of friction stir weld repair / modification structures, from the perspective of the inhibitation to crack damage and service life extension by the newly formed microstructure. In addition, the crack-inhibitation mechanism will be researched for the relationship establishment of "defect healing / microstructure evolution → mechanical properties response at low temperature, damage evolution and failure → low temperature welding structure integrity". It will be performed of stress and strain finite element analysis on the container / pipeline structure with friction stir repair / modification welds, combined with the key performance test data, to research on properies evaluation method of cryogenic equipment processed via friction stir repair / modification at low temperature. The research can accelerate the application proceed of the new process, friction stir repair / modification, in the manufacturing field of special equipment. Meanwhile, in the application aspects of supervision and inspection, safety evaluation of special equipment will be layed important scientific foundation through the study in this proposal.

从结构完整性命题出发，基于搅拌摩擦加工技术提出对深冷特种设备用5083铝合金的熔焊缝进行搅拌摩擦修复/改性，重点研究冶金缺陷演化、焊态组织演变、焊缝尺寸改变对低温条件下焊接结构完整性的影响机理。探明不同类型熔焊冶金缺陷在搅拌摩擦修复中的愈合路径、演化模式及其与搅拌区组织演变的行为联系；建立搅拌摩擦修复/改性熔焊缝结构低温完整性评价体系，从微结构对裂纹损伤的抑制作用和延寿视角，揭示修复/改性产生的新组织结构对裂纹损伤扩展的阻滞机制模型，建立“缺陷愈合/组织演变→低温机械性能响应及损伤演变与失效→低温焊接结构完整性”关系桥梁；开展对搅拌摩擦修复/改性熔焊缝的容器/管道结构应力应变有限元计算分析，结合关键性能测试数据，研究搅拌摩擦修复/改性的深冷设备在低温承压、承载条件下的综合性能评估方法。本研究可为加快推动搅拌摩擦加工新工艺在特种设备制造领域及其监督检验、安全评价环节的应用奠定重要的科学基础。

基于搅拌摩擦焊接（FSW）与搅拌摩擦加工（FSP）技术原型，通过工艺研究实现了对5083铝合金熔化焊缝结构的FSP改性及其含缺陷局部结构的FSP修复（搅拌摩擦修复，FSR）；获得了显著区别于原始焊接铸态组织的FSP细晶化改性或修复的微观组织，研究了FSP修复/改性不同焊接方法、不同相对熔宽尺度的熔焊缝所获得细晶结构的完整性问题。（1）工艺与数值模拟方面：数值分析了具有共性特征的铝合金FSP产热、温度分布及材料流动机制，为FSP修复/改性工艺试验及机理分析奠定了一部分理论基础；针对铝合金对接激光焊试制的含未焊透缺陷和气孔缺陷窄焊缝、铝合金等离子弧焊试制的含气孔缺陷和不含明显缺陷的宽焊缝，采用了不同搅拌轴肩和不同搅拌针宽度及针长的搅拌头，基于不同特征工艺参数制备了多组FSP修复或改性样件。（2）机理研究方面：科学描述和考察了熔焊缝在FSP修复区及搅拌针行进方向前沿的冶金缺陷演化、焊态组织演变特征，定性或部分定量地探明了气孔和类裂纹未焊透等不同类型的熔焊冶金缺陷在FSP修复中的愈合路径、演化模式及其与搅拌区组织演变的行为联系，有助于揭示熔焊缺陷或熔焊组织经搅拌后的演变路径和形态；（3）性能评价与结构完整性理论方面：建立了FSP修复/改性熔焊缝在常温、低温环境下结构完整性的基本评价方法，通过性能测试评价了修复/改性结构在常/低温条件的基本力学性能及失效模式，根据对比测试结果综合分析了熔焊缝在经搅拌后的缺陷愈合及晶粒细化对新结构力学性能的影响，探讨了修复/改性结构对容器/管道筒体模型的承载承压影响。此外，探索了水下FSP修复/改性的工艺原型和数值分析，探索了异种合金层状复合板界面缺陷FSP修复的工艺可行性，探索了本研究衍生出的搅拌摩擦增材制造（FSAM）工艺原型。仍有待解决的问题是，原有熔焊缺陷愈合行为与FSP修复新生搅拌缺陷的竞争关系、FSP修复产生的轴肩下压量和表面环纹对修复样件结构完整性（特别是疲劳性能）不利影响的评价与处理。