鋁合金點(diǎn)焊組織的模擬與研究

1、文章來(lái)源 畢業(yè)論文網(wǎng) 鋁合金點(diǎn)焊組織的模擬與研究文章來(lái)源 畢業(yè)論文網(wǎng) 摘 要：電阻點(diǎn)焊的組織決定焊接接頭熔核的性能，熔核的性能決定焊接的質(zhì)量。通過(guò)模擬 點(diǎn)焊接頭的組織，可預(yù)測(cè)在不同點(diǎn)焊參數(shù)下接頭的組織形態(tài)和力學(xué)性能等，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)尋 求最佳焊接工藝來(lái)改善焊件性能的目的。研究鋁合金點(diǎn)焊相變組織的分布規(guī)律，對(duì)優(yōu)化點(diǎn)焊 設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)有重要的指導(dǎo)作用，本文通過(guò)應(yīng)用有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)6082 鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬與研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而得出電阻點(diǎn) 焊對(duì)6082鋁合金的組織轉(zhuǎn)變的影響。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，為鋁合 金點(diǎn)焊基礎(chǔ)理論研究提供了1種有效

2、的分析手段。 關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；金相組織 ；鋁合金；電阻點(diǎn)焊 abstract te microstructure of resistance spot welding decide performance of nuclear fusion in welded joint, the performance of nuclear fusion decide welding quality. by simulation, we can predict microstructure and mechanical properties of spot welding in different par

3、ameters, so as to achieve the best welding performance by seeking to improve the welding processes. research on the distribution of microstructure in aluminum spot welding, have an important role in on the design and optimization of process parameters of spot welding. the paper through the applicati

4、on of finite element simulation software to simulate and research the resistance spot welding of aluminum alloy of 6082, and verify it through experiments, so as to know affection resistance spot welding to aluminum alloy of 6082. experiments show that numerical simulation and experimental results a

5、re consistent, providing an effective analysis for spot welding on aluminum alloy. key words: numerical simulation; microstructure; aluminum alloy; resistance spot welding 1、鋁合金在航空航天、船舶制造、機(jī)車(chē)和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。轎車(chē)采用 鋁合金制造車(chē)身較采用鋼板制造車(chē)身可減輕車(chē)體重量6o%左右，能顯著降低燃料消耗和減少 環(huán)境污染。但是，鋁合金點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題限制了點(diǎn)焊在鋁合金汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用，鋁合金 點(diǎn)焊的熔

6、核形狀不規(guī)則，尺寸大小不1，熔核在凝固時(shí)極易形成縮孔、縮松和氣孔，由于冷 卻速度較快，熔核的結(jié)晶組織主要是從熔合線(xiàn)向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶。在這方面，吉林工業(yè)大學(xué) 的趙熹華等人通過(guò)采用熔核的孕育處理技術(shù)做了詳細(xì)的研究，將柱狀晶組織變?yōu)榈容S晶組 織，取得了良好的效果1。但是，該技術(shù)如何工程化的問(wèn)題還正在研究之中。如果能對(duì)點(diǎn)焊 的相變組織進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得到鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程溫度場(chǎng)和相變組織的分布規(guī)律，從微 觀上改變焊接質(zhì)量，對(duì)提高和穩(wěn)定點(diǎn)焊質(zhì)量具有重要意義。 鋁合金點(diǎn)焊是1個(gè)高度非線(xiàn)性的力、熱、電相耦合的復(fù)雜過(guò)程，隨著焊接研究的深入， 溫度，相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)越來(lái)越受到人們的重視。y.ueda

7、等人曾提出溫度，相 變，熱應(yīng)力之間的耦合關(guān)系式，j.ronda 等人利用該耦合模型對(duì)焊接接頭進(jìn)行了有限元計(jì)算。 ronda 等2用統(tǒng)1的方法推導(dǎo)了相變規(guī)律和相變塑性，建立了相容的 tmm 模型，并形成了系 統(tǒng)理論。yang 等3在熱冶金耦合方面也作了深入的研究。他們?cè)谀M溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、熱循 環(huán)以及熔池形狀時(shí),采用瞬時(shí)、3 維、湍流條件下的熱傳輸和流體流動(dòng)模型。 本文基于有限元專(zhuān)業(yè)焊接模擬軟件動(dòng)態(tài)模擬焊接的全過(guò)程，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，考慮了材 料熱物理性能與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系，以及相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變 場(chǎng)的耦合計(jì)算，揭示了鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程溫度場(chǎng)和相變組織的分布規(guī)律，其結(jié)果有助于

8、更好地 了解焊接過(guò)程中熔體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、凝固組織細(xì)化和產(chǎn)生缺陷的原因,為正確選擇點(diǎn)焊工藝參 數(shù)等提供理論指導(dǎo)。 2 點(diǎn)焊相變?cè)砣酆?、塑性環(huán)及其周?chē)覆慕饘俚?部分構(gòu)成了點(diǎn)焊接頭。在良好的點(diǎn)焊焊接循環(huán)條件 下，接頭的形成過(guò)程是預(yù)壓、通電加熱和冷卻結(jié)晶3個(gè)連續(xù)階段所組成。 （1）預(yù)壓階段：在電極壓力的作用下清除1部分接觸表面的不平和氧化膜，形成物理觸點(diǎn)，為焊接電 流的順利通過(guò)及表面原子的鍵合作準(zhǔn)備。（2）通電加熱階段：在熱與機(jī)械力作用下形成塑性環(huán)、熔核，并 隨著通電加熱的進(jìn)行而長(zhǎng)大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開(kāi)始，由于邊緣效應(yīng)，使焊件接觸面邊緣 處溫度首先升高，接著由于金屬加熱膨脹，接觸面和電

9、流場(chǎng)均擴(kuò)展并伴有繞流現(xiàn)象，而靠近電極的焊接區(qū) 金屬散熱較有利，從而在焊接區(qū)內(nèi)形成了回轉(zhuǎn)雙曲面的加熱區(qū)，其周?chē)a(chǎn)生了較大的塑性變形。隨著通電 加熱的持續(xù)，電極與工件接觸表面增加，表面金屬的冷卻增強(qiáng)，而焊接區(qū)中心部位由于散熱困難溫度繼續(xù) 升高，形成被塑性環(huán)包圍的回轉(zhuǎn)4方形液態(tài)熔核。繼續(xù)延長(zhǎng)通電時(shí)間，塑性環(huán)和熔核不斷長(zhǎng)大。當(dāng)焊接溫 度場(chǎng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，最終獲得橢圓形液態(tài)熔核，周?chē)菍⑷酆司o緊包圍的塑性環(huán)。（3）冷卻結(jié)晶階段：使 液態(tài)熔核在壓力作用下冷卻結(jié)晶。由于材質(zhì)和焊接規(guī)范特征不同，熔核的凝固組織可有3種：柱狀組織、 等軸組織、“柱狀+等軸”組織。 由于點(diǎn)焊加熱集中、溫度分布陡、加熱與冷卻速度極快，

10、若焊接參數(shù)選用不當(dāng)，在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)出現(xiàn) 裂紋、胡須、縮孔、結(jié)合線(xiàn)伸入等缺陷，可通過(guò)減慢冷卻速度和段壓力等措施來(lái)防止缺陷產(chǎn)生。 3 點(diǎn)焊熔核有限元仿真點(diǎn)焊是1個(gè)多因素及多重非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，考慮其可作為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，對(duì)等厚 板的焊接取l4平面進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假定電極壓力恒定。 本文采用簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)2d模型建立6082鋁板點(diǎn)焊的簡(jiǎn)化模型。出于簡(jiǎn)化模型的目的，假設(shè)上下兩塊鋁 板在與電極端面直徑對(duì)應(yīng)的中心部分以及電極端面是粘連的，假設(shè)電極-工件間及工件間的接觸行為屬于無(wú) 滑動(dòng)接觸。焊接電流為恒流，材料的熱物理性能隨溫度變化，忽略電流的趨表效應(yīng)、接觸面的熱電效應(yīng)和 接觸熱阻4,

11、5。模型的網(wǎng)格采取自由劃分，共含1996個(gè)固體單元，2120個(gè)節(jié)點(diǎn)。被連接材料為6082鋁合金， 板厚2.0 mm，采用cucr合金電極，端部直徑6 mm，端部曲面半徑40 mm。 3.1 材料屬性 材料的熱物理性能參數(shù)是溫度的函數(shù)，在模擬中，材料的熱物理性能除了密度和潛熱外，其他如比熱、 導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率等均隨溫度變化。材料在相變和熔化時(shí)存在潛熱，模擬中將潛熱在相變溫度區(qū)間均勻折 算為比熱容，以模擬其產(chǎn)熱效果。 6082鋁合金是al-mg-si系鋁合金，該合金的組織比較簡(jiǎn)單，主要合金元素為mg、si ,另外還有少量的fe 、zn 、cu 、mn，主要組織組成物為mg2si，mg/si比為1.

12、73，大部分合金不是含過(guò)量鎂就是含過(guò)量的硅。當(dāng)鎂過(guò)量時(shí)，合金的抗蝕性好，但強(qiáng)度與成形性能低；當(dāng)硅過(guò)量時(shí)，合金的強(qiáng)度高，但成形性能及焊 接性能較低，抗晶間腐蝕傾向稍好。 3.2 工藝參數(shù) 采用直流焊接電源，焊接電流為14 ka，電極壓力為1.5 kn，焊接時(shí)間為15個(gè)周波(相應(yīng)頻率50 hz)。 具體方案見(jiàn)表1：  3.3 焊接溫度場(chǎng)的模擬 焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力與變形計(jì)算以及焊接質(zhì)量控制的前提，焊件在快速 加熱和冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)的正確描述是進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變和焊后接頭力學(xué)性能分析的前提條件。焊接溫度場(chǎng)的 準(zhǔn)確計(jì)算必須建立起準(zhǔn)確的熱傳遞數(shù)學(xué)模型和符合焊接生產(chǎn)實(shí)際的物理模

13、型，并應(yīng)用有限元 軟件的校正工 具，根據(jù)具體的焊接工藝和條件對(duì)熱源進(jìn)行校正；考慮了材料熱物理性能參數(shù)與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系，建立 了焊接過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和物理模型6,7。 在焊接過(guò)程中，由熱源傳給焊件的熱量，主要是以輻射和對(duì)流為主，而母材和焊接材料獲得熱能后， 熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過(guò)程中所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變 化問(wèn)題8。因此研究焊接溫度場(chǎng)，是以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)?shù)乜紤]輻射和對(duì)流作用。 焊件上某點(diǎn)瞬時(shí)的溫度分布稱(chēng)為溫度場(chǎng)，可以表示為： t t ( x , y , z , t ) 式中 t 為焊件上某點(diǎn)的瞬時(shí)溫度，(x , y , z)是某點(diǎn)的坐標(biāo)，t

14、是時(shí)間。 因此非線(xiàn)性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程可以表示為：  式中 c、為材料的比熱容、密度，t為溫度場(chǎng)的分布函數(shù)，t為時(shí)間，kx , ky , kz分別為x , y , z方向 上的導(dǎo)熱系數(shù)； q是內(nèi)熱源。 溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí), 將模型的對(duì)稱(chēng)面定義為絕熱邊 界條件, 即  其他周?chē)砻娑x為換熱邊界條件, 即 式中 是材料的熱導(dǎo)率，n是邊界表面外法線(xiàn)方向，是表面換熱系數(shù)，ta是周?chē)橘|(zhì)溫度，ts是物體表面 溫度。 3.4 點(diǎn)焊相變組織的模擬 3.4.1 相變潛熱 焊接過(guò)程中伴隨著相的轉(zhuǎn)變，在有限元計(jì)算中其產(chǎn)生的相變潛熱以焓的形式表示9，即  式中 (t )c(

15、t ) 分別為材料的密度和比熱，均為溫度的函數(shù)。 在某1溫度增量區(qū)間，所產(chǎn)生的總的相變潛熱表示為各相值的疊加，即  式中：aj為第j 相的相變潛熱，v j 為第j 相的轉(zhuǎn)變體積比,且 å v j   = 1 ；n是材料中相的個(gè)數(shù)。相的轉(zhuǎn)變體積比,且     ；n是材料中相的個(gè)數(shù)。3.4.2 相變模擬原理 對(duì)于鋁合金的相變模擬，主要通過(guò)鋁合金的回復(fù)與再結(jié)晶原理，如圖1。如果材料有經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)，當(dāng) 最高溫度高于重結(jié)晶溫度時(shí)，重結(jié)晶開(kāi)始發(fā)生并產(chǎn)生影響。材料重結(jié)晶的比例不僅取決于最高溫度，也

16、取 決于熱循環(huán)過(guò)程。可以用如下公式來(lái)計(jì)算： 等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：  非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)附加規(guī)律： 3.5 模擬計(jì)算結(jié)果 3.5.1 溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果 如圖 2 為焊接時(shí)間 250ms 時(shí) l4 平面所成的溫度分布，再通過(guò) sysweld 有限元軟件，分別在熔核區(qū) 中心，熔合線(xiàn)，熱影響區(qū)，母材組織上取4個(gè)固體單元，形成如圖 3 所示的溫度曲線(xiàn)。由圖 2，3 可以看出 在焊接過(guò)程中，熔核中心的最高溫度可達(dá) 720，且長(zhǎng)時(shí)間溫度維持在 700左右；熔合線(xiàn)附近可達(dá) 600， 也長(zhǎng)時(shí)間維持在這個(gè)溫度；熱影響區(qū)最高溫度可達(dá) 500左右；而母材最高溫度只達(dá)到 300左右。  3.5.

17、2 相變組織的模擬結(jié)果 通過(guò)有限元模擬可得到如圖4所示結(jié)果，6082鋁合金點(diǎn)焊結(jié)果會(huì)出現(xiàn)明顯不同的3相分布分別為：母 材、熱影響區(qū)和熔核區(qū)組織。   4 結(jié)果分析和討論由模擬分析結(jié)果可以看出， 6082 鋁合金點(diǎn)焊會(huì)出現(xiàn)比較明顯的3種組織的分布，再根據(jù)模擬所用的 焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，然后進(jìn)行金相組織觀察（試樣用凱勒試劑浸蝕）。可以得到圖 5圖 9 的微觀組織 圖。    由圖 5 可見(jiàn)，6082 鋁合金點(diǎn)焊組織有著明顯的3個(gè)組織相分布，中間的小圓為熔核部分，外圓為熱影 響區(qū)，外邊即為母材，與模擬的相變結(jié)果（圖 4 所示）完全相同。 鋁合金的主

18、要熱處理方式是固溶處理和時(shí)效處理，通過(guò)第2相的沉淀硬化來(lái)提高強(qiáng)度、硬度等性能。 6082 鋁合金為 t4 狀態(tài)（固溶處理自然時(shí)效）是經(jīng)固溶、時(shí)效后的合金，其主要強(qiáng)化相是 mg2si。在焊 接熱循環(huán)的影響下，鋁合金基體中的這些沉淀相粒子將發(fā)生再次固溶、析出和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)焊接前的基體 產(chǎn)生或多或少的破壞。它們的熔點(diǎn)為 595，焊接加熱溫度超過(guò)這1熔點(diǎn)時(shí),部分強(qiáng)化相就會(huì)熔解10。 圖 6 為母材組織，其鋁合金基體上分布著粗大且呈長(zhǎng)條形的析出相；圖 7 為熔核中心組織，其內(nèi)組織 主要為細(xì)小的等軸晶粒；圖 8 為處于塑性環(huán)熔合線(xiàn)周?chē)慕M織，靠近熔合線(xiàn)的熔核區(qū)主要是柱狀晶粒和部 分等軸晶粒，靠近熔合線(xiàn)的熱

19、影響區(qū)為粗大的晶粒；圖 9 為熱影響區(qū)中心組織，其鋁合金基體上的析出相 細(xì)小且呈圓粒狀。 從圖 4 可以得知，在塑性環(huán)內(nèi)的熔核區(qū)中心最高溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 595，可達(dá) 720左右，且比較長(zhǎng)時(shí)間 的維持在 700，這個(gè)溫度使熔核區(qū)中心的晶粒完全的熔化，在鋁合金基體上的第2相重新熔化和固溶， 化合物因固溶而進(jìn)1步減少。在鋁合金基體上分布著彌散的，細(xì)小的第2相對(duì)晶界移動(dòng)起著重要的阻礙作 用，第2相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，數(shù)量越多，則阻礙晶粒長(zhǎng)大的能力越強(qiáng)，所形成的晶粒也就越細(xì)小，且在熔核區(qū) 內(nèi)合金元素溶入的比較多，在很大程度上阻礙了晶界的移動(dòng)，焊接為快速加熱，金屬內(nèi)存在的晶格畸變現(xiàn) 象來(lái)不及回復(fù)，自擴(kuò)散系數(shù)增加，使合金再結(jié)晶晶核增多，造成晶粒細(xì)小，所以在熔核中心冷卻后形成的 組織為細(xì)小的等軸晶粒；由于點(diǎn)焊冷卻速度較快，靠近熔合線(xiàn)的熔核區(qū)的結(jié)晶組織主要是從熔合線(xiàn)向內(nèi)生 長(zhǎng)的柱狀晶。運(yùn)用圖 1 描述的鋁合金重結(jié)晶