鋁合金點焊組織的模擬與研究

1、鋁合金點焊組織的模擬與研究摘要：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)通過尋求最正確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展數(shù)值模擬，對6082鋁合金電阻點焊過程中的組織轉變進展模擬與研究，并通過實驗進展驗證，從而得出電阻點焊對6082鋁合金的組織轉變的影響。試驗驗證說明，數(shù)值模擬與試驗結果吻合良好，為鋁合金點焊根底理論研究提供了一種有效的分析手段。關鍵詞：數(shù)值模擬；金相組織；鋁合金；電阻點焊

2、AbstratTeirstruturefresistanespteldingdeideperfranefnulearfusinineldedjint,theperfranefnulearfusindeideeldingquality.Bysiulatin,eanpreditirstrutureandehanialprpertiesfspteldingindifferentparaeters,sastahievethebesteldingperfranebyseekingtiprvetheeldingpresses.Researhnthedistributinfirstrutureinaluin

3、usptelding,haveaniprtantrleinnthedesignandptiizatinfpressparaetersfsptelding.Thepaperthrughtheappliatinffiniteeleentsiulatinsftaretsiulateandresearhtheresistanespteldingfaluinuallyf6082,andverifyitthrughexperients,sastknaffetinresistanespteldingtaluinuallyf6082.Experientsshthatnuerialsiulatinandexpe

4、rientalresultsarensistent,prvidinganeffetiveanalysisfrspteldingnaluinually.Keyrds:Nuerialsiulatin;irstruture;Aluinually;Resistanesptelding1、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6%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消費中的應用，鋁合金點焊的熔核形狀不規(guī)那么，尺寸大小不一，熔核在凝固時極易形成縮孔、縮松和氣孔，由于冷卻

5、速度較快，熔核的結晶組織主要是從熔合線向內生長的柱狀晶。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，獲得了良好的效果1。但是，該技術如何工程化的問題還正在研究之中。假如能對點焊的相變組織進展有限元模擬計算，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量，對進步和穩(wěn)定點焊質量具有重要意義。鋁合金點焊是一個高度非線性的力、熱、電相耦合的復雜過程，隨著焊接研究的深化，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等人曾提出溫度，相變，熱應力之間的耦合關系式，J.Rnda等人利用該耦合模型對焊接接頭進展

6、了有限元計算。Rnda等2用統(tǒng)一的方法推導了相變規(guī)律和相變塑性，建立了相容的T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化的研究。他們在模擬溫度嘗速度嘗熱循環(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，進展數(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，提醒了鋁合金點焊過程溫度場和相變組織的分布規(guī)律，其結果有助于更好地理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

7、環(huán)及其周圍母材金屬的一局部構成了點焊接頭。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三個連續(xù)階段所組成。1預壓階段：在電極壓力的作用下去除一局部接觸外表的不平和氧化膜，形成物理觸點，為焊接電流的順利通過及外表原子的鍵合作準備。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展而長大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開場，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

8、工件接觸外表增加，外表金屬的冷卻增強，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)包圍的回轉四方形液態(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。由于材質和焊接標準特征不同，熔核的凝固組織可有三種：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，假設焊接參數(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一個多因素及多重非線性的

9、復雜問題。在進展數(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平面進展分析。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局部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4,5。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，采用ur合金電極，端部直徑6，端部曲面半徑40。3.1材料屬性材料的熱物理性能參

10、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-g-Si系鋁合金，該合金的組織比擬簡單，主要合金元素為g、Si,另外還有少量的Fe、Zn、u、n，主要組織組成物為g2Si，g/Si比為1.73，大局部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14KA，電極壓力為1.5KN，焊接時

11、間為15個周波(相應頻率50Hz)。詳細方案見表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、剩余應力與變形計算以及焊接質量控制的前提，焊件在快速加熱和冷卻過程中溫度場的正確描繪是進展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)學模型和符合焊接消費實際的物理模型，并應用有限元軟件的校正工具，根據(jù)詳細的焊接工藝和條件對熱源進展校正；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，熱的傳播那么是以熱傳導為主。焊接傳熱過程中所研究的內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：TT(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、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,即其他周圍外表定義為換熱邊界條件,即式