鋁合金點焊組織的模擬與研究

1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 鋁合金點焊組織的模擬與研究文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 摘 要：電阻點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。通過模擬 點焊接頭的組織，可預測在不同點焊參數(shù)下接頭的組織形態(tài)和力學性能等，從而實現(xiàn)通過尋 求最佳焊接工藝來改善焊件性能的目的。研究鋁合金點焊相變組織的分布規(guī)律，對優(yōu)化點焊 設計和工藝參數(shù)有重要的指導作用，本文通過應用有限元模擬軟件進行數(shù)值模擬，對6082 鋁合金電阻點焊過程中的組織轉變進行模擬與研究，并通過實驗進行驗證，從而得出電阻點 焊對6082鋁合金的組織轉變的影響。試驗驗證表明，數(shù)值模擬與試驗結果吻合良好，為鋁合 金點焊基礎理論研究提供了1種有效

2、的分析手段。 關鍵詞：數(shù)值模擬；金相組織 ；鋁合金；電阻點焊 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、機車和汽車制造業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。轎車采用 鋁合金制造車身較采用鋼板制造車身可減輕車體重量6o%左右，能顯著降低燃料消耗和減少 環(huán)境污染。但是，鋁合金點焊所存在的問題限制了點焊在鋁合金汽車生產(chǎn)中的應用，鋁合金 點焊的熔

6、核形狀不規(guī)則，尺寸大小不1，熔核在凝固時極易形成縮孔、縮松和氣孔，由于冷 卻速度較快，熔核的結晶組織主要是從熔合線向內(nèi)生長的柱狀晶。在這方面，吉林工業(yè)大學 的趙熹華等人通過采用熔核的孕育處理技術做了詳細的研究，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，該技術如何工程化的問題還正在研究之中。如果能對點焊 的相變組織進行有限元模擬計算，得到鋁合金點焊過程溫度場和相變組織的分布規(guī)律，從微 觀上改變焊接質(zhì)量，對提高和穩(wěn)定點焊質(zhì)量具有重要意義。 鋁合金點焊是1個高度非線性的力、熱、電相耦合的復雜過程，隨著焊接研究的深入， 溫度，相變和熱應力之間的耦合效應越來越受到人們的重視。y.ueda

7、等人曾提出溫度，相 變，熱應力之間的耦合關系式，j.ronda 等人利用該耦合模型對焊接接頭進行了有限元計算。 ronda 等2用統(tǒng)1的方法推導了相變規(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。他們在模擬溫度場、速度場、熱循 環(huán)以及熔池形狀時,采用瞬時、3 維、湍流條件下的熱傳輸和流體流動模型。 本文基于有限元專業(yè)焊接模擬軟件動態(tài)模擬焊接的全過程，進行數(shù)值模擬時，考慮了材 料熱物理性能與溫度的非線性關系，以及相變潛熱對溫度場的影響，實現(xiàn)溫度場和應力應變 場的耦合計算，揭示了鋁合金點焊過程溫度場和相變組織的分布規(guī)律，其結果有助于

8、更好地 了解焊接過程中熔體的運動狀態(tài)、凝固組織細化和產(chǎn)生缺陷的原因,為正確選擇點焊工藝參 數(shù)等提供理論指導。 2 點焊相變原理熔核、塑性環(huán)及其周圍母材金屬的1部分構成了點焊接頭。在良好的點焊焊接循環(huán)條件 下，接頭的形成過程是預壓、通電加熱和冷卻結晶3個連續(xù)階段所組成。 （1）預壓階段：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，為焊接電 流的順利通過及表面原子的鍵合作準備。（2）通電加熱階段：在熱與機械力作用下形成塑性環(huán)、熔核，并 隨著通電加熱的進行而長大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開始，由于邊緣效應，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、流場均擴展并伴有繞流現(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)形成了回轉雙曲面的加熱區(qū)，其周圍產(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，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4方形液態(tài)熔核。繼續(xù)延長通電時間，塑性環(huán)和熔核不斷長大。當焊接溫 度場進入準穩(wěn)態(tài)時，最終獲得橢圓形液態(tài)熔核，周圍是將熔核緊緊包圍的塑性環(huán)。（3）冷卻結晶階段：使 液態(tài)熔核在壓力作用下冷卻結晶。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，在結晶過程中會出現(xiàn) 裂紋、胡須、縮孔、結合線伸入等缺陷，可通過減慢冷卻速度和段壓力等措施來防止缺陷產(chǎn)生。 3 點焊熔核有限元仿真點焊是1個多因素及多重非線性的復雜問題。在進行數(shù)值模擬時，考慮其可作為軸對稱問題，對等厚 板的焊接取l4平面進行分析。為簡化計算，本文假定電極壓力恒定。 本文采用簡化的軸對稱2d模型建立6082鋁板點焊的簡化模型。出于簡化模型的目的，假設上下兩塊鋁 板在與電極端面直徑對應的中心部分以及電極端面是粘連的，假設電極-工件間及工件間的接觸行為屬于無 滑動接觸。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、接觸面的熱電效應和 接觸熱阻4,

11、5。模型的網(wǎng)格采取自由劃分，共含1996個固體單元，2120個節(jié)點。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、 導熱系數(shù)、電阻率等均隨溫度變化。材料在相變和熔化時存在潛熱，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量鎂就是含過量的硅。當鎂過量時，合金的抗蝕性好，但強度與成形性能低；當硅過量時，合金的強度高，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，焊接時間為15個周波(相應頻率50 hz)。 具體方案見表1：  3.3 焊接溫度場的模擬 焊接溫度場的準確計算是焊接冶金分析、殘余應力與變形計算以及焊接質(zhì)量控制的前提，焊件在快速 加熱和冷卻過程中溫度場的正確描述是進行組織轉變和焊后接頭力學性能分析的前提條件。焊接溫度場的 準確計算必須建立起準確的熱傳遞數(shù)學模型和符合焊接生產(chǎn)實際的物理模

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

14、是時間。 因此非線性瞬態(tài)熱傳導問題的控制方程可以表示為：  式中 c、為材料的比熱容、密度，t為溫度場的分布函數(shù)，t為時間，kx , ky , kz分別為x , y , z方向 上的導熱系數(shù)； q是內(nèi)熱源。 溫度場計算時, 將模型的對稱面定義為絕熱邊 界條件, 即  其他周圍表面定義為換熱邊界條件, 即 式中 是材料的熱導率，n是邊界表面外法線方向，是表面換熱系數(shù)，ta是周圍介質(zhì)溫度，ts是物體表面 溫度。 3.4 點焊相變組織的模擬 3.4.1 相變潛熱 焊接過程中伴隨著相的轉變，在有限元計算中其產(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 相的轉變體積比,且 å v j   = 1 ；n是材料中相的個數(shù)。相的轉變體積比,且     ；n是材料中相的個數(shù)。3.4.2 相變模擬原理 對于鋁合金的相變模擬，主要通過鋁合金的回復與再結晶原理，如圖1。如果材料有經(jīng)過溫度循環(huán)，當 最高溫度高于重結晶溫度時，重結晶開始發(fā)生并產(chǎn)生影響。材料重結晶的比例不僅取決于最高溫度，也

16、取 決于熱循環(huán)過程?？梢杂萌缦鹿絹碛嬎悖?等溫反應動力學：  非等溫反應動力學附加規(guī)律： 3.5 模擬計算結果 3.5.1 溫度場的模擬結果 如圖 2 為焊接時間 250ms 時 l4 平面所成的溫度分布，再通過 sysweld 有限元軟件，分別在熔核區(qū) 中心，熔合線，熱影響區(qū)，母材組織上取4個固體單元，形成如圖 3 所示的溫度曲線。由圖 2，3 可以看出 在焊接過程中，熔核中心的最高溫度可達 720，且長時間溫度維持在 700左右；熔合線附近可達 600， 也長時間維持在這個溫度；熱影響區(qū)最高溫度可達 500左右；而母材最高溫度只達到 300左右。  3.5.

17、2 相變組織的模擬結果 通過有限元模擬可得到如圖4所示結果，6082鋁合金點焊結果會出現(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 結果分析和討論由模擬分析結果可以看出， 6082 鋁合金點焊會出現(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)進行試驗驗證，然后進行金相組織觀察（試樣用凱勒試劑浸蝕）?？梢缘玫綀D 5圖 9 的微觀組織 圖。    由圖 5 可見，6082 鋁合金點焊組織有著明顯的3個組織相分布，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效處理，通過第2相的沉淀硬化來提高強度、硬度等性能。 6082 鋁合金為 t4 狀態(tài)（固溶處理自然時效）是經(jīng)固溶、時效后的合金，其主要強化相是 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、析出和長大過程，對焊接前的基體 產(chǎn)生或多或少的破壞。它們的熔點為 595，焊接加熱溫度超過這1熔點時,部分強化相就會熔解10。 圖 6 為母材組織，其鋁合金基體上分布著粗大且呈長條形的析出相；圖 7 為熔核中心組織，其內(nèi)組織 主要為細小的等軸晶粒；圖 8 為處于塑性環(huán)熔合線周圍的組織，靠近熔合線的熔核區(qū)主要是柱狀晶粒和部 分等軸晶粒，靠近熔合線的熱

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)中心最高溫度遠遠高于 595，可達 720左右，且比較長時間 的維持在 700，這個溫度使熔核區(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1步減少。在鋁合金基體上分布著彌散的，細小的第2相對晶界移動起著重要的阻礙作 用，第2相質(zhì)點越細小，數(shù)量越多，則阻礙晶粒長大的能力越強，所形成的晶粒也就越細小，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，焊接為快速加熱，金屬內(nèi)存在的晶格畸變現(xiàn) 象來不及回復，自擴散系數(shù)增加，使合金再結晶晶核增多，造成晶粒細小，所以在熔核中心冷卻后形成的 組織為細小的等軸晶粒；由于點焊冷卻速度較快，靠近熔合線的熔核區(qū)的結晶組織主要是從熔合線向內(nèi)生 長的柱狀晶。運用圖 1 描述的鋁合金重結晶