鋼軸對稱件閃光對焊焊接工藝和接頭溫度場與組織模擬

PAGEPAGE17目錄目錄………………1摘要、關(guān)鍵字……………………2一、緒論…………3二、閃光對焊焊接工藝研究與分析…………14三、第三章閃光對焊焊接溫度場測定及其有限元分析……18四、閃光對焊焊接熱影響區(qū)組織研究………24五、參考文獻……………………30摘要利用較優(yōu)的工藝參數(shù)進行焊接實驗研究其焊接溫度場分布。通過溫度檢測系統(tǒng)實測了45鋼軸對稱件閃光對焊焊接過程的溫度場分布，確定了軸向溫度T(x)與軸向距離X之間的關(guān)系為lnT(x)：尉口+k+彩+彬)；同一橫截面上的徑向溫度由表及里逐漸升高，呈拋物線規(guī)律變化；以焊接熱循環(huán)過程中的峰值溫度TP為基準(zhǔn)，將焊接熱循環(huán)曲線分為升溫段和降溫段分別進行擬合處理，得到了不同測溫點的焊接熱循環(huán)曲線?；谟邢拊治鼋⒘碎W光對焊焊接過程熱電耦合的二維軸對稱簡化模型，該模型中結(jié)合閃光對焊的實際及材料物性參數(shù)隨溫度變化的特性，考慮了接觸電阻及相變潛熱對產(chǎn)熱過程的影響，模擬得到了閃光對焊焊接加熱過程任一時刻溫度分布及任一位置焊接熱循環(huán)。模擬與實測兩者比較驗證了所建熱電耦合二維簡化模型的合理性。基于45鋼軸對稱件閃光對焊焊接溫度場的實測，采用MC模擬與理論分析結(jié)合的方法研究了焊接HAZ奧氏體晶粒長大，考慮了晶粒長大動力學(xué)及溫度對晶粒長大的影響。根據(jù)EDB模型確定了奧氏體晶粒長大動力學(xué)方程，確定了模擬時間MCS與實際時間t、實測溫度T(t)之間的關(guān)系方程，以VB為運行環(huán)境，再現(xiàn)了焊接HAZ晶粒長大的動態(tài)演變過程，模擬和實測的晶粒大小結(jié)果基本相吻合。MC模擬指出溫度梯度使焊接HAZ中晶粒長大尺寸僅為整體受熱時的70％左右，焊接加熱階段對晶粒長大的貢獻為25％～30％左右。關(guān)鍵詞：閃光對焊；正交試驗；溫度場；有限元模擬：MC方法；焊接HAZ；晶粒長大ABSTRACTThethreepointbendingtestindicatedthattheplasticityofweldingjointwasworsethanthatofthematrix．Theanalysisofmicrostructureisasfollows：thegrainsizeisfinergraduallyfromtheweldtotheoverheatedzonetothephasechangeZonewiththepeaktemperaturefallalongwiththedistancegoingupawayfromtheweld，theausteniticgrainsizeoftheoverheatedzoneislargeandWidmanstatenstructureisformed，whichisthecauseofthetoughnessfelt．ThemicrostrucmretransformationandthegrainsizedistributionwereanalyzedindifferentzonesofweldingHAZ．Andtheinteractionsofthetemperature，microstructureandperformancewerediscussed．Theflashbuttweldingtemperaturedistributionsofaxisymmetric45steelbasedontheoptimizedparametersweremeasuredbythetemperaturetestsystem．TherelationbetweentheaxialtemperatureT(x)andthedistancexWasdescribedastnr(x)=K(a+bx+cx2+凼3)，theradialtemperatureofthesamecross—sectionrosefromtheexteriortotheinteriorandassumedparabolaregularity．TheweldthermalcyclecurveofflashbuttweldingHAZWasdividedintocalefactionandrefrigerationphasesbypeaktemperatureTp，andWasfitted．Asimplifiedthermoelectriccoupling2-DaxialsymmetrymodelofflashbuttweldingWasfoundedbasedonfiniteelementanalysis．Withthefactofflashbuttweldingandthecharacteristicofmaterialpropertiesvariedwimtemperature．theinfluencesofthecontactresistanceandthephasechangelatentheatonheatgenerationprocesswereconsideredinthismodel．Thetemperaturedistributionofeachtimeandtheweldthermalcycleofeachpositionintheheatingprocesswereobtainedinthesimulation．Thecomparisonofthesimulatedresultsandthemeasuredvalnesprovedtherationalityofthesimplifiedmodel．Basedonthemeasurementoftemperaturedistributionsofaxisymmetric45steelinflashbuttwelding，itstudiedtheaustenitegraingrowth州thMCsimulationandtheoreticalanalysis，theinfluencesofthegraingrowthkineticsandthetemperature011graingrowthwereconsidered．TheaustenitegraingrowthkineticsWasdeducedinflashbuttweldingHAZwitllEDB，andtherelationshipofMCstep，actualtimeandactualtemperaturewasdetermined．UnderthebackgroundofVB，thedynamicevolutionaryprocedureofgraingrowthinflashbuttweldingHAZWasreappeared．a(chǎn)ndtheMCsimulatedresultWasinagreementwitllthemeasuredvalue．ThetemperaturegradientinthesimulationmakesthegrainsizeintheweldingHAZas70％ofthatinbulkheatingandtheweldingheatingprocessmakesthegraingrowonly25％～30％orSOofthefinalgrainsize．Keywords：flashbuttwelding，orthogonaltest，temperaturefield，finiteelementsimulation,MCmethod，weldingheataffectedzone，graingrowth第一章緒論焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)加工工藝與技術(shù)為工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展做出重要的貢獻。它廣泛地應(yīng)用于石油化工、航空航天、核動力工程、微電子工程、橋梁、船舶，以及各種金屬結(jié)構(gòu)等工業(yè)部門。焊接技術(shù)在推動我國的經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展方面起著重要的作用。電阻焊的加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)(HeatAffectedZone，簡稱HAz)小，許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用這種方法實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接。閃光對焊作為電阻焊的一種，具有高速高效、無須對被焊工件進行預(yù)處理、焊縫強度高、焊接過程簡單等優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于汽車、航天和其他工程領(lǐng)域中。同時閃光對焊在異種金屬及新型材料焊接中也有一定的應(yīng)用。由于閃光對焊與熔化焊有著本質(zhì)的區(qū)別，有必要對其熱傳導(dǎo)及組織變化等方面進行深入研究。1．1閃光對焊技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用及特點1．1．1閃光對焊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用閃光對焊是電阻焊工藝的一種，電阻對焊主要適用于小截面工件的焊接，如小截面線材、管材、鏈環(huán)及截面積小于200mm2的低碳鋼棒材等。對于大截面工件的對焊，如鋼軌、輸油輸氣管道、電站鍋爐、石油鉆桿等要用閃光對焊。從焊接物理本質(zhì)來看，閃光對焊時雖然也產(chǎn)生液態(tài)會屬，但在接頭中不存在由液相凝固而形成的鑄造組織，因此不能歸入熔化焊一類，屬于固相焊接，這是閃光對焊的突出特點，是其與熔化焊最主要的區(qū)別。有些利用熔化焊很難實現(xiàn)焊接的材料如高速鋼、球墨鑄鐵和灰鑄鐵等都可成功的采用閃光對焊。某些異種金屬的焊接，如銅和鋁等，采用熔化焊幾乎是不可能的，卻能以閃光對焊解決。國內(nèi)外閃光對焊典型的應(yīng)用有鋼軌和管道的焊接，航空航天工業(yè)中如航空發(fā)動機活塞環(huán)的焊接，汽車制造業(yè)中如汽車輪輞的焊接，另外如錨鏈、鋼窗以及刀具的焊接也大都采用閃光對焊的方法。閃光對焊是將焊件裝配成對接接頭，接通電源并使焊件被焊端面緩緩移近到局部接觸，利用產(chǎn)生的電阻熱使接觸點迅速被加熱至高溫熔化，產(chǎn)生強烈的金屬飛濺，形成閃光(即燒化過程)，然后繼續(xù)移近焊件被焊接端面，使之進一步閃光和加熱直至整個焊接端面在一定深度范圍內(nèi)達到預(yù)定溫度，最終迅速施加項鍛力完成焊接的過程。閃光焊技術(shù)幾乎是和電阻焊技術(shù)同時出現(xiàn)的。1885年美國人E．Thomson教授取得了電阻對焊的專利，這是有關(guān)電阻焊的最早記錄。1886年第一臺電阻對焊機誕生。1903年德國人首先使用了閃光對焊技術(shù)20世紀(jì)50～70年代，前蘇聯(lián)、美國、德國、日本、瑞士以及其他一些國家，對閃光對焊的基本理論及閃光焊機的研制進行了大量的工作，使閃光焊技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面l、在工件的送進控制上，由最早的手動杠桿、電動凸輪逐漸過渡到液壓系統(tǒng)控制；2、在控制電壓的方式上，由搭片式、插刀式的級數(shù)轉(zhuǎn)換器，發(fā)展到水銀引燃管，再發(fā)展到晶閘管：3、在閃光焊接的供電波形上，由傳統(tǒng)的單相交流，發(fā)展到三相次級整流；4、在焊機容量方面，一些大容量的可以焊接大截面工件的閃光焊機也被研制出來。上世紀(jì)60～70年代，原西德公司生產(chǎn)的大型閃光焊機，功率達4×103kW，頂鍛力達700t，可焊接截面積為lxl05mm2的工件；日本生產(chǎn)的3×103kW薄板閃光對焊機，可焊接寬度為1800mm，厚度為6．5mm的鋼板。隨著工業(yè)的發(fā)展，需焊接工件的截面也越來越大，對焊機需用容量的要求也增大。為了節(jié)省功率并滿足大截面工件閃光焊接的需要，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)都對閃光焊的工藝過程進行了一系列的研究，并取得了顯著成果，研究成功了程序控制降低電壓閃光對焊、脈沖閃光對焊和有限自適應(yīng)閃光對焊等新工藝。進入20世紀(jì)80年代，計算機技術(shù)也開始應(yīng)用到閃光對焊過程的控制與參數(shù)檢測中。這些措施都大大擴大了閃光對焊的應(yīng)用范圍，提高了閃光焊焊接接頭的質(zhì)量。我國對閃光對焊的研究起步晚，且跟國外有一定的差距。在焊機的研制生產(chǎn)方面，上世紀(jì)50年代我國生產(chǎn)了凸輪預(yù)熱交流閃光焊機LM一180，其額定功率為150kW，送進速度由凸輪曲線決定，不能改變，無法適應(yīng)不同工件的需要。之后成都電焊機廠陸續(xù)研制了UN系列閃光對焊機，如用于m16～25m鋼筋對焊的UN一150『^J光焊機，用于焊接截面積為450mm2的摩托車輪圈的UNQ．125型閃光焊機等。上海電焊機廠生產(chǎn)了容量為250kW的帶鋼閃光對焊機，該機采用液壓傳動，焊接截面積達到了l，350mm2。在閃光焊技術(shù)理論研究方面，國內(nèi)一些研究單位也做了一些工作，取得了一定的成績。如鐵道部鐵道科學(xué)研究院通過對自適應(yīng)連續(xù)閃光焊焊接過程的原理研究，提出了建立閃光焊最佳參數(shù)的方法；武漢鍋爐廠的科技工作者根據(jù)1976年國際焊接年會提出的“能量控制法”，對鍋爐鋼管的閃光焊進行了研究。2021年清華大學(xué)機械系研制成功了500kW次級整流式大型拖車軸頭閃光焊機，該焊機用工控機作為控制核心，同時備有手動控制系統(tǒng)，采用位移傳感器和液壓系統(tǒng)，利用預(yù)熱閃光焊工藝成功焊接了截面為6,488mm2的工件，該項目2021年被教育部鑒定為“總體達到國際先進水平，部分技術(shù)位于國際領(lǐng)先地位”，其研制成功填補了國內(nèi)空白Ill。雖然進行了上述的一些研究工作，但就目前情況來看，與國外先進閃光焊技術(shù)相比，我國的整體技術(shù)水平還很落后，國內(nèi)在應(yīng)用閃光焊焊接大型構(gòu)件(如鋼軌、汽車輪輞)時，閃光焊機還主要依靠進口。由上述閃光對焊機的發(fā)展可以看出，設(shè)備取決于工藝，因此為了制造出滿足特定焊接要求的閃光對焊機需要對其焊接工藝進行研究。1．1．2閃光對焊的工藝特點根據(jù)工藝不同，可將閃光對焊分為連續(xù)閃光對焊和預(yù)熱閃光對焊兩種。連續(xù)閃光對焊焊接循環(huán)由閃光、頂鍛、保持、休止等程序組成。其中閃光、頂鍛兩個連續(xù)階段組成連續(xù)閃光對焊接頭形成過程，保持、休止等是對焊操作中為形成牢固接頭所必須的程序預(yù)熱閃光對焊與連續(xù)閃光焊不同之處是在閃光階段前增加了預(yù)熱程序。閃光階段是閃光對焊加熱過程的核心。閃光開始時，由于焊件端面上存在微小的凹凸不平，只有小部分區(qū)域相接觸，電流沿接觸點流過，這些點上很大的電阻和電流密度使金屬迅速升溫熔化，熔化金屬形成連接兩個端面的過梁，由于過梁中部電流密度最大，不容易散熱，使金屬快速升溫到沸騰溫度，過梁內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽使其與表面之間形成巨大的壓力差和溫度差，有的過梁爆破飛出，形成絢麗的火花，閃光對焊由此得名。端面燒損的微區(qū)脫離接觸，但工件仍在緩慢移近中，又在新的接觸點上產(chǎn)生過梁并爆發(fā)閃光。由此可見閃光過程即是液體過梁不斷形成和爆破的過程。另外閃光過程還可以燒掉焊接端面上的臟物和不平，降低焊前對焊件端面的準(zhǔn)備要求；液體過梁爆破時產(chǎn)生的金屬蒸汽和其他氣氛(如CO、C02等)排擠大氣，減少了端面氧化，形成自保護；閃光后期焊件端面上形成的液體金屬層，為頂鍛時排除氧化物和污染了的金屬提供有利條件。當(dāng)焊件對口及其附近區(qū)域獲得合適的溫度分布時即可進入頂鍛階段，此過程為一快速的鍛擊過程。開始時，動夾具突然加速使對口間隙迅速減小，過梁斷面增大而不再爆破，閃光驟然停止，對口及鄰近區(qū)域開始承受愈來愈大的擠壓力。這一過程中焊件端口的液態(tài)金屬被徹底排出，使焊縫中不殘留由液態(tài)金屬凝固而產(chǎn)生的鑄造組織：排除了過熱金屬及氧化雜質(zhì)，造成潔凈金屬的緊密貼合，提高焊縫接頭的純凈度：對口和鄰近區(qū)域在擠壓力的作用下獲得適當(dāng)?shù)乃苄宰冃危龠M焊縫高溫金屬的再結(jié)晶過程，從而形成牢固的焊接接頭。預(yù)熱階段是預(yù)熱閃光對焊工藝特有的，是閃光前期對焊件進行預(yù)熱升溫而使焊件達到良好焊接狀況的步驟。預(yù)熱可以提高焊件的端面溫度，以便在較高的起始頂鍛速度或較低的設(shè)備功率下順利地丌始閃光，并可減少閃光留量，節(jié)約材料；預(yù)熱時加熱區(qū)域較寬，使頂鍛時易于產(chǎn)生塑性變形，并能降低焊后的冷卻速度，有利于可淬硬金屬材料的對焊∞，5，61。閃光對焊焊接工藝的主要規(guī)范參數(shù)有：1、調(diào)伸長度L調(diào)伸長度是閃光對焊的一個主要參數(shù)，是指焊件伸出夾鉗電極端面的長度。2、閃光留量△f閃光留量隨截面積的增大而增加，一般選擇略大于臨界閃光留量，這樣實際閃光留量稍有波動也不會影響溫度分布，保證頂鍛前溫度分布的一致性。3、閃光速度vf除少量小截面焊接性良好的焊件外，一般均采用加速閃光。4、閃光電流密度Jf(或次級空載電壓U20)對焊件的加熱有重要的影響。它與焊接方法、材料性質(zhì)和焊件端面尺寸等有關(guān)，通常在較寬的范圍內(nèi)變化。連續(xù)閃光對焊、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的金屬材料、展開形端面的焊件，Jf應(yīng)取高值；預(yù)熱閃光對焊、大斷面的焊件，Jf取低值。例如，在額定功率情況下，低碳鋼閃光時的Jf平均值為5-15A／ram2，最大值為20～30A／mm2；頂鍛時J。(頂鍛電流密度)為40-、-60A／mm2。在實際生產(chǎn)中，常常是給出次級空載電壓U20，一般取在1．5～14V之間。選擇原則是在保證穩(wěn)定閃光的條件下，盡量選用較低的U20。5、頂鍛留量△。由封閉間隙所需的距離、排除端面液體金屬層所需的距離、補償凹坑不平所需的距離和保證材料獲得必要的塑性變形所需的距離等四部分組成。過小的頂鍛留量將導(dǎo)致材料塑性變形不足而引起局部不能形成共同晶粒，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。過大的頂鍛留量將導(dǎo)致軋制纖維的嚴(yán)重扭曲而影響力學(xué)性能，嚴(yán)重時還可能會產(chǎn)生裂紋。6、頂鍛速度V。頂鍛的目的之一是將氧化物擠出接頭，氧化物必須在接頭冷卻到某溫度之前被擠出。通常V。略大些對獲得優(yōu)質(zhì)接頭有利。7、頂鍛壓力F。頂鍛壓力是為了達到預(yù)定的塑性變形量而施加的力，其值隨材料的熱強性能和加熱溫度分布而異。8、夾緊力Fc夾緊力Fc是為防止焊件在夾鉗電極中打滑而施加的力。9、預(yù)熱溫度T，和預(yù)熱時間h等。一般認(rèn)為預(yù)熱次數(shù)多些、每次短接時間短些有利于材料的均勻加熱，但次數(shù)過多、短接時間過短則會導(dǎo)致預(yù)熱過慢?；谒x擇的焊接規(guī)范參數(shù)，預(yù)熱階段結(jié)束時要求沿整個焊件端面(尤其是展開形焊件，如板材等)得到均勻的預(yù)熱，并達到所要求的溫度值13,61。閃光階段結(jié)束時必須滿足對口處會屬盡量不被氧化；對VI端面加熱均勻；沿零件長度方向獲得合適的溫度分布：端面上有一層較厚的液態(tài)金屬層等。頂鍛階段結(jié)束時對121及其鄰近區(qū)域要獲得足夠且適當(dāng)?shù)乃苄宰冃?。閃光對焊焊接工藝的規(guī)范參數(shù)選擇適當(dāng)時，可以獲得幾乎與母材等性能的優(yōu)質(zhì)接頭。化央渣及魏氏組織等缺陷影響焊接接頭的拉伸及彎曲性能，使接頭強度降低，脆性增大；而焊縫區(qū)的金相組織變化與焊縫區(qū)域的溫度場、焊接工藝參數(shù)及焊縫區(qū)域出現(xiàn)的缺陷組織等多種因素密切相關(guān)，如果沒有正常合格的金相組織，閃光對焊焊接接頭的性能將受影響。鋼鐵研究總院瞵J對400MPa級超細(xì)晶粒Q235熱軋帶肋鋼筋閃光對焊焊接接頭的組織和性能研究發(fā)現(xiàn)其焊縫有輕微脫碳現(xiàn)象，組織以粗大針狀鐵素體和塊狀鐵素體為主，只有少量珠光體存在，熔合線附近的晶粒也較粗大；焊縫硬度偏低，靠近熔合線的粗晶區(qū)硬度最高。對閃光對焊的系統(tǒng)性研究鮮見報道，本文擬對45熱軋鋼的閃光對焊焊接工藝及焊接溫度場與接頭組織、性能之間的關(guān)系進行綜合研究。1．2焊接過程數(shù)值模擬概述焊接過程的研究主要體現(xiàn)在焊接熱過程、冶金過程及焊接接頭組織情況等幾個方面，以往研究主要以試驗手段為基本方法，其模式為“理論～試驗～生產(chǎn)”，但大量的焊接試驗增加了生產(chǎn)成本，且費時費力。隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，引發(fā)了虛擬制造技術(shù)的熱潮，這其中就包括對焊接過程的數(shù)值模擬。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，為焊接生產(chǎn)朝“理論～數(shù)值模擬～生產(chǎn)”模式的發(fā)展創(chuàng)造了條件，使焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗到科學(xué)、由定性到定量的飛躍。焊接數(shù)值模擬是以試驗為基礎(chǔ)并采用一組控制方程束描述一個焊接過程或一個焊接過程的某一個方面，采用分析或數(shù)值方法求解以獲得對該過程的定量認(rèn)識，如焊接溫度場、焊接熱循環(huán)、焊接HAZ的硬度、焊接區(qū)的強度、斷裂韌性等。焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵是確定被研究對象的物理模型及其控制方程。1、焊接熱過程的數(shù)值模擬；2、焊接熔池液體流動及形狀尺寸的數(shù)值模擬：3、電弧物理；4、焊縫金屬凝固和焊接接頭相變過程的數(shù)值模擬；5、焊接應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展過程的數(shù)值模擬；6、非均勻焊接接頭力學(xué)行為的數(shù)值模擬；7、焊接接頭組織變化和熱影響區(qū)氫擴散的數(shù)值模擬；8、特種焊接過程的數(shù)值分析，如電阻點焊、陶瓷金屬連接、激光焊接、摩擦焊接和瞬態(tài)液相焊接等；’9、焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌性、疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬等。焊接作為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝，在材料加工領(lǐng)域一直占有重要地位。近二十幾年來，很多學(xué)者都對數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用進行了研究，取得了不少成果。國際上比較著名的學(xué)者，如日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授長期從事焊接熱彈塑性理論的研究，創(chuàng)建了“計算焊接力學(xué)”的新興學(xué)科。美國MIT的K．Masubuchi教授在焊接殘余應(yīng)力和變形以及焊接結(jié)構(gòu)分析方面有深入地研究。瑞典的L．Karlsson教授和加拿大的A．Goldak教授等在焊接熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力分析以及焊接接頭組織性能預(yù)測方面作了許多研究并取得了不少成果。奧地利的H．Cerjac教授在計算機輔助焊接性方面進行了研究。日本的A．Matsunawa教授和M．Ushio教授分別在焊接熔池和電弧物理方面進行了深入地分析等，國際上有關(guān)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的交流也十分活躍。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代初才開始焊接數(shù)值模擬的研究工作，近些年來也取得了不少成果。西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)較早在焊接傳熱和熱彈塑性應(yīng)力分析方面作了許多工作近十年來焊接數(shù)值模擬技術(shù)不斷向深度、廣度發(fā)展，研究工作已普遍由建立在溫度場、電場、應(yīng)力應(yīng)變場基礎(chǔ)上的宏觀尺度的模擬進入到以研究組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段；由單一的溫度場、電場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場、組織模擬進入到耦合集成階段；由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的特定問題，包括解決特種焊接模擬及工藝優(yōu)化問題，解決焊接缺陷消除等問題；由孤立研究轉(zhuǎn)向與生產(chǎn)系統(tǒng)及其它技術(shù)環(huán)節(jié)集成等。1．3焊接溫度場數(shù)值模擬的意義及研究狀況焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終，可以說一切焊接物理化學(xué)過程都是在熱過程中發(fā)生和發(fā)展的，例如焊接溫度場決定了焊接應(yīng)力場和應(yīng)變場，還與冶金、結(jié)晶、相變過程有著不可分割的聯(lián)系，成為影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一，因此焊接熱過程的準(zhǔn)確測量和計算是進行焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變分析和對焊接過程進行控制的前提。國內(nèi)1981年西安交通大學(xué)唐慕堯等人首先編制了有限元熱傳導(dǎo)分析程序，計算了薄板焊接二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場，計算中未計及材料熱物性的非線性及工件表面的熱損失。之后上海交通大學(xué)在焊接熱傳導(dǎo)數(shù)值分析方面作了許多工作，陳楚等人提出了求解非線性熱傳導(dǎo)問題的變步長外推法，建立了焊接溫度場的計算模型和相應(yīng)的計算機程序，程序中考慮了材料熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化以及表面散熱的情況，能進行固定熱源或移動熱源、薄板或厚板、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或非準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)二維溫度場的有限元分析，并在脈沖TIG焊接溫度場以及局部干法水下焊接溫度場等方面進行了實例分析。對于三維問題，國內(nèi)外也是近十年來才剛開始研究，上海交通大學(xué)汪建華等人和日本大阪大學(xué)合作對三維焊接溫度場問題進行了一系列的有限元研究，探究了焊接溫度場的特點和提高精度的若干途徑，并對幾個實際焊接問題進行了三維焊接熱傳導(dǎo)的有限元分析。蔡洪能等人建立了運動電弧作用下的表面雙橢圓分布模型，并在此基礎(chǔ)上研制了三維瞬態(tài)非線性熱傳導(dǎo)問題的有限元程序，程序中利用分析節(jié)點熱焓的方法對低碳鋼(A3鋼)板的焊接溫度場進行了計算，計算結(jié)果和實驗值吻合得很好。西安交通大學(xué)的段權(quán)、張新國等人習(xí)利用有限元方法對焊接接頭的非線性熱傳導(dǎo)問題進行研究，得出焊接熱循環(huán)曲線，非線性數(shù)值分析表明在金屬相變溫度附近采用經(jīng)典線性方法的結(jié)果偏差較大，并指出在模擬焊接接頭溫度場分布時必須考慮材料熱傳導(dǎo)參數(shù)的非線性特征。1．3．2電阻焊焊接溫度場數(shù)值模擬的研究進展由于閃光對焊的熱過程很復(fù)雜，目前這方面的文獻較少，相關(guān)方面對于點焊及電阻對焊的研究較多，同樣作為電阻焊方法，它們有一些共同點。Greenwood早在1961年運用有限差分方法建立了第一個描述點焊過程的軸對稱熱傳導(dǎo)模型。該模型考慮了溫度對材料物性參數(shù)的影響和工件內(nèi)部產(chǎn)生的焦耳熱，并預(yù)測出快速加熱時將在電極周邊下方形成環(huán)狀熔核，指出早期階段高溫區(qū)集中于電極與工件接觸區(qū)域的邊緣，這一結(jié)論在后來得到了Kmser等人的試驗驗證，但該模型沒有考慮接觸電阻和熔化潛熱等因素。ES．Myers等人認(rèn)為這樣的簡化將帶來很大的誤差，并指出任何準(zhǔn)確的點焊溫度場數(shù)值模擬都要在充分了解接觸電阻行為的基礎(chǔ)上才能成為可能。后來，J．Ruge也發(fā)表了類似的數(shù)值模型。BenRly和Greenwood等人研究了中碳鋼點焊過程中接觸電阻對溫度場分布的影響，指出接觸電阻僅在加熱初期起作用，并且隨著加熱的進行，接觸電阻很快穩(wěn)定下來。1967年，W．Rice等人建立了一維差分模型對碳鋼點焊過程進行研究，指出接觸電阻對點焊的熱行為影響不大，它在焊接過程中很快達到恒定值f矧。H．A．Nied在1984年提出了一個電阻點焊過程的有限元模型，對電阻焊作了開創(chuàng)性的工作。他建立了完整的電～熱～力三者耦合的數(shù)學(xué)模型，該模型可以用來分析壓力和焊接循環(huán)，預(yù)測溫度分布、熱膨脹及其應(yīng)力和熔核的幾何尺寸等，加深了對點焊過程的認(rèn)識。此后Tsai，Browne，Zajac等都采用有限元的方法對點焊過程作了進一步的研究。1989年國內(nèi)吳水海采用了電熱耦合有限元法對點焊時電位分布和溫度分布進行了研究。1991年哈爾濱工業(yè)大學(xué)曹彪建立了低碳鋼點焊的有限元模型，考慮了點焊過程中接觸面的變化和接觸壓力對接觸電阻的影響，但未考慮變形對熱、電分析的影響。吉林工業(yè)大學(xué)王春生等人建立三維有限差分模型分析了異質(zhì)材料點焊的熱、電耦合行為及點焊熔核的形成過程。2021年上海交通大學(xué)龍昕等人建立了鍍鋅鋼板電阻點焊的軸對稱有限元模型模擬了電阻點焊過程中電極與工件的溫度場分布，模型中采用標(biāo)定法來解決接觸電阻產(chǎn)熱的問題，運用生死單元技術(shù)解決鍍鋅鋼板焊接時鍍鋅層熔化的模擬問題。2021年清華大學(xué)常保華采用基于顯微接觸理論的接觸電阻模型對點焊過程進行了模擬。天津大學(xué)吳志生等用數(shù)值模擬的方法研究了鋁合金點焊溫度場及電極導(dǎo)電導(dǎo)熱性能對電極端面溫度的影響。吉林大學(xué)楊黎峰p”對鋁合金點焊熔核流場及熱場進行了有限元分析。相對于電阻點焊而言，電阻對焊的研究起步較晚，電阻對焊在頂鍛階段具有較大的塑性變形，所以增加了問題的復(fù)雜性。為此Dawson率先采用有限元對不銹鋼棒的電阻對焊過程進行了模擬，隨后Eggert對不銹鋼棒、Nied對鈦合會板的電阻對焊進行了模擬，選用的都是六節(jié)點三角形單元、純粘塑性材料模型。模型中忽略了應(yīng)變對材料強度的影響。2021年西安交通大學(xué)吳豐順等人采用電、熱、塑性變形耦合的有限元法，模擬了直流電阻對焊過程，探討了變形過程中電場、溫度場、變形之間以及變形過程中界面夾雜物消除率和變形之間的相互關(guān)系。閃光對焊盡管與點焊和電阻對焊有相似之處，但其焊接過程中有電弧現(xiàn)象、材料的熔化、物質(zhì)的燒損及較大的塑性變形等增加了問題的復(fù)雜性。目前關(guān)于閃光對焊溫度場數(shù)值模擬的文獻較少?；谄湓阼F軌接長方面的應(yīng)用，2021年中鐵山海關(guān)大橋集團p3J對高錳鋼閃光對焊的溫度場進了數(shù)值模擬，建立了軸對稱的有限元模型，考慮了隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)及接觸電阻，利用單元生死技術(shù)模擬了物質(zhì)燒損過程，提出了熱電耦合的模擬方法。西南交通大學(xué)的焊接研究所J對U，lMn鋼軌對焊頂鍛階段的熱、力行為進行了模擬。北京工業(yè)大學(xué)的王維斌對超細(xì)晶粒鋼直流閃光對焊過程進行了研究，他根據(jù)直流電阻陽光對焊的焊接特點，以連續(xù)介質(zhì)電熱原理為基礎(chǔ)，建立了可以表示閃光對焊的物質(zhì)燒損和傳熱的電熱耦合模型，該模型可以準(zhǔn)確的分析閃光對焊過程溫度場與分布特征，并最終實現(xiàn)了整個焊接過程的電、熱、力順序耦合分析。從目前發(fā)表的資料而言，國外對閃光對焊溫度場的模擬基本無紀(jì)錄。1。4焊接接頭微觀組織的研究方法及研究狀況焊接熱影響區(qū)平均晶粒尺寸和晶粒大小的分布情況是焊接接頭極為重要的微觀特征，這一特征直接決定著焊接件的焊接接頭諸如強度、韌性、硬度、抗腐蝕性及沖擊韌性等許多性能。因此對焊接熱影響區(qū)晶粒大小的分布情況進行研究就顯得非常重要。為了了解焊接過程對材料性能的影響，利用數(shù)值模擬的方法可以動態(tài)的再現(xiàn)焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變過程，隨著人們對焊接過程的逐步認(rèn)識和計算機技術(shù)的發(fā)展，過去被認(rèn)為難以實現(xiàn)的焊接接頭組織模擬受到了前所未有的關(guān)注，并取得了令人振奮的結(jié)果。1．4．1焊接接頭微觀組織的研究方法國內(nèi)外較早普遍采用的方法是利用模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(SimulatingHAZContinuousCoolingTransformation，簡稱SHCCT)曲線對焊接熱影響區(qū)的微觀組織及性能進行研究，這種方法充分利用SHCCT圖的特點，無需大量的試驗，但其使用面窄，通用程度不夠，而且SHCCT圖的建立本身也很復(fù)雜，需要高精度的測試儀器和大量的試驗工作。另外H．Cerjak等開發(fā)的綜合性計算程序“HAZ．CALCULATOR”，提供了大約50個冶金計算法，可用于各種狀態(tài)的低合金鋼的性能研究，這種方法建立在大量試驗的基礎(chǔ)上，可靠性高，但費用較昂貴。隨著對焊接熱動力學(xué)認(rèn)識的深入，利用建立數(shù)學(xué)模型的方法對焊接熱影響區(qū)的組織演化進行研究變得切實可行，并越來越受到重視。這種方法使用面廣，可在計算機上實現(xiàn)，試驗成本低，而且通過建模可以在更高的水平上加深對焊接熱影響區(qū)物理化學(xué)過程的理解。目前模擬焊接接頭微觀組織的方法主要有確定性方法和概率性方法。確定性方法是指在給定時刻，一定體積熔體內(nèi)晶粒的形核密度和生長速率都是確定的函數(shù)，該函數(shù)可通過實驗求得。運用確定性方法建立的模型可成功預(yù)測微觀組織的特征，如等軸晶的平均尺寸和柱狀晶的縱向生長等。王永生等人p6J從晶粒長大的基本理論出發(fā)，考慮了焊接條件下的影響因素，綜合焊縫金屬合金元素對奧氏體晶粒長大的影響，建立了一個在連續(xù)冷卻條件下基于碳原子擴散速率的低合會鋼焊縫金屬奧氏體晶粒尺寸的計算模型。華中科技大學(xué)的張國棟等人印l建立了基于夾雜物惰性界面非擴散形成的針狀鐵素體連續(xù)轉(zhuǎn)變動力學(xué)模型，該模型可以用來研究焊縫中針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變特征，包括轉(zhuǎn)變溫度范圍，轉(zhuǎn)變程度以及與焊縫化學(xué)成分、工藝參數(shù)、相變溫度之間的關(guān)系，相變過程中的最大可能轉(zhuǎn)變趨勢等。上述方法多是基于相變熱力學(xué)和相變動力學(xué)建立確定性模型來實現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變的模擬，忽略了與晶體學(xué)相關(guān)的因素，無法反應(yīng)晶粒生長的幾何和拓?fù)淝闆r。因此有必要應(yīng)用統(tǒng)計的方法來預(yù)測焊接熱影響區(qū)晶粒生長及最終晶粒大小?；诟怕市运枷胩岢隽穗S機性模擬方法，即蒙特卡洛(MonteCarlo，簡稱MC)方法和元胞自動機(CellularAutomata，簡稱CA)方法避免了上述問題。MC法與CA法模擬晶粒長大時，在能量的計算方法上均是以晶粒長大物理原理為基礎(chǔ)，按照概率的方法通過自由能增量進行計算。在微觀組織模擬時，MC方法是以界面能最小為原理、概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，并以隨機抽樣為手段對晶粒生長過程進行模擬。MC法沒有分子動力學(xué)中的迭代問題，也沒有數(shù)值不穩(wěn)定的情況，確保了其收斂性，MC法的收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)，這是它的優(yōu)點，且其誤差容易確定。另外，MC法的計算量小，所需機時少。CA法最早是由VonNeumann和Ulam作為生物機體的一種可能的理想模型而提出的，隨后它們被逐漸引入到數(shù)學(xué)、物理和材料科學(xué)等更加廣泛的領(lǐng)域。其在材料科學(xué)中的應(yīng)用也是近幾十年才發(fā)展起來的。CA法是物理體系的一種理想化，是一類離散模型的統(tǒng)稱，或者可以說是一種建立模型的基本思想和方法，該思想是將研究整體離散成有限個胞，將時間離散成時問步，每個胞的狀態(tài)隨時J’日J(rèn)的變化按一定規(guī)則變化，變化中只受相鄰胞的影響實現(xiàn)局部的相互作用。近年來發(fā)展了一種新的模擬方法，即相場法也逐漸成為人們的研究熱點。相場法是一種計算技術(shù)，通過引入相場這一新變量而得名。相場理論是建立在統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上，并以Ginzburg．Landau相交理論為基礎(chǔ)，通過微分方程反映擴散、有序化勢及熱力學(xué)驅(qū)動力的綜合作用。相場方程的求解結(jié)果可以描述金屬系統(tǒng)的固液界面的形態(tài)、曲率以及界面的移動。目前相場法主要應(yīng)用于模擬凝固過程的枝晶生長情況，還沒有被用于焊接接頭的組織模擬Lj”。1．4．2焊接接頭微觀組織MC模擬研究進展MC方法在焊接接頭微觀組織模擬中的應(yīng)用最廣泛。該方法適用于研究材料中的隨機過程及現(xiàn)象，是將研究對象劃分為很多小的單元，每個單元為一個單晶，給每個單元賦值為其取向數(shù)，通過計算與取向值對應(yīng)的相鄰單元間的能量變化，確定晶粒的長大，通過系統(tǒng)總能量最小化來完成結(jié)構(gòu)的演化模擬。MC方法是在20世紀(jì)40年代首次作為一種獨立的科學(xué)方法被提出來的，并首先應(yīng)用于核武器的研制、粒子傳輸?shù)阮I(lǐng)域。1983年以Anderson、Srolovitz等為首的美國EXXON研究組首先提出了二維MC算法，應(yīng)用于二維的晶粒長大動力學(xué)模擬，后又將其應(yīng)用于模擬晶粒長大的尺寸分布、拓?fù)鋵W(xué)和局部動力學(xué)研究。從此引起了廣大學(xué)者的重視并進一步將其應(yīng)用于再結(jié)晶、多晶材料的晶粒長大、有序一無序疇轉(zhuǎn)變等多種金屬學(xué)和物理學(xué)的仿真過程。Brown和Spittle最先利用MC方法建立了晶粒長大的概率模型。后來的研究者PanpingZhu和Smith考慮了材料的界面能與體積能，并結(jié)合連續(xù)性方程將Brown和Spittle的方法進行了改進。1994年P(guān)aillard等人應(yīng)用MC技術(shù)在二維網(wǎng)絡(luò)上模擬鐵硅合金的正常和異常晶粒生長，得出用MC法模擬晶粒長大的可行性。同年Radhakrishnan和Zacharia提出了改進的MC算法，以獲得MC模擬與晶粒尺寸和時間之間的關(guān)系。1995年他們使用改進的MC模型深入研究焊接熱影響區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)及邊界的釘扎作用，從此利用MC方法模擬焊接熱影響區(qū)微觀組織得到了迅速發(fā)展。1996年Gao等人[4H提出了2個不同的模型，基于實驗數(shù)據(jù)(ExperimentaldataBasedModel簡稱EDB)的模型和晶界遷移(GrainBoundaryMigrationModel，簡稱GBM)的模型來模擬金屬、合會的正常晶粒長大，使MC模擬能夠應(yīng)用于整個焊接過程，并結(jié)合MC方法將GBM模型應(yīng)用于馬口鐵再結(jié)晶區(qū)等溫晶粒長大的分析，還探討了EDB模型在連續(xù)加熱的鈦合金晶粒長大中的應(yīng)用，并進一步將兩種模型應(yīng)用于實際工藝生產(chǎn)過程中，得出了等溫過程和連續(xù)加熱過程中晶粒長大的規(guī)律。此后的學(xué)者對焊接熱影響區(qū)晶粒長大模擬的研究均是基于這兩種模型進行的。國內(nèi)學(xué)者對MC方法應(yīng)用于晶粒長大的模擬也進行了不少研究。1994年陳禮清等利用平面三角形點陣及MC模擬方法較好的重現(xiàn)了二維多晶體晶粒的長大規(guī)律，淬態(tài)生長指數(shù)的模擬值為O．45，基本符合理論預(yù)測值。鐘曉征，陳偉元等[43-45l以MC法為基礎(chǔ)，使用改進的Q．Statepotts算法對多晶材料的正常和異常晶粒長大過程進行可視化模擬，并對正常晶粒生長形貌演化也進行了可視化研究，不同模擬時間下正常晶粒的形貌演化圖與生長動力學(xué)相符合，逼真度較好，且生長指數(shù)模擬值達到O．47，且改進算法能有效減少仿真計算時間，便于在普通的實驗環(huán)境上實現(xiàn)正常晶粒生長形貌演化的計算機模擬。宋曉燕等利用三維MC技術(shù)模擬了較完整的單相材料正常晶粒長大的過程，獲得了晶粒長大動力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)的全面信息。山東大學(xué)張繼祥等人也對現(xiàn)有的MC法作了進一步的改進，得出了更加符合實際物理過程的擇優(yōu)算法。近年來對焊接組織及熱影響區(qū)的模擬主要集中在純金屬方面。莫春立等人利用EDB模型對單相鐵素體不銹鋼的焊接HAZ晶粒長大過程進行了動態(tài)模擬，很好地反映了晶粒長大的動力學(xué)過程，并預(yù)測了HAZ中晶粒的分布以及溫度梯度對晶粒長大的影響。屈朝霞等結(jié)合大量的焊接熱模擬試驗，建立并確定了400MPa新一代鋼鐵材料脈沖MAG焊的焊接HAz晶粒長大動力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上繪制出了新一代鋼鐵材料焊接HAZ的奧氏體晶粒長大圖。陳東等人通過MC模擬與理論分析相結(jié)合的方法對超級鋼TIG焊HAz奧氏體晶粒長大的過程進行了研究，綜合考慮了溫度梯度、晶界液化及析出相粒子等因素對HAz奧氏體晶粒長大的影響。就已經(jīng)對高強度合金鋼軌閃光對焊的顯微組織進行了研究15“。國內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與北京鋼鐵研究總院合作L321對Q235C超細(xì)晶粒鋼閃光對焊溫度場進行有限元模擬的基礎(chǔ)上，考慮了晶粒長大動力學(xué)及溫度梯度的影響，利用EDB模型將MC方法應(yīng)用于計算閃光對焊接頭焊接HAz晶粒的大小及分布，同時研究了接頭中溫度梯度對奧氏體晶粒長大的影響，確定了一次奧氏體晶粒度與溫度梯度的關(guān)系。本文擬結(jié)合閃光對焊焊接HAz實際金相組織的測量，采用上述方法建立合理的模型模擬閃光對焊焊接熱影響區(qū)晶粒的長大及分布，再現(xiàn)焊接接頭的晶粒演變過程。第二章閃光對焊焊接工藝研究與分析閃光對焊作為一種固相焊接的方法，是在熱～機械(力)聯(lián)合作用下進行的，通常比熔化焊的工藝條件好，在交通、建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。合理的焊接工藝參數(shù)是實現(xiàn)高質(zhì)量焊接的重要條件。本章鑒于閃光對焊技術(shù)的工藝參數(shù)繁多，采用正交試驗設(shè)計的方法，通過適量的試驗次數(shù)來確定軸對稱件45鋼較優(yōu)的閃光對焊焊接工藝參數(shù)組合，并反映出各參數(shù)組合之間的內(nèi)在關(guān)系。利用單一水平正交表L9(34)進行試驗方案的設(shè)計，根據(jù)第一章中敘述的閃光對焊的主要規(guī)范參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)為試驗因子，每個因子選擇三個位級數(shù)進行45鋼的閃光對焊焊接工藝研究，以焊接接頭的抗拉強度為考核指標(biāo)，將焊接接頭的力學(xué)性能符合要求的組合最終確定為其較優(yōu)的焊接土藝參數(shù)。2．1試驗設(shè)計概述試驗設(shè)計(ExperimentalDesign)是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，經(jīng)濟科學(xué)地安排試驗的一項科學(xué)技術(shù)，其主要內(nèi)容是討論如何合理安排試驗和正確分析試驗數(shù)據(jù)，從而達到盡快獲得優(yōu)化試驗方案的目的【52】。試驗設(shè)計能從影響試驗結(jié)果特征值(指標(biāo))的多種因素中判斷出哪些因素顯著與不顯著，并能由此推導(dǎo)出預(yù)測數(shù)學(xué)模型，對設(shè)計能達到的指標(biāo)值及其波動范圍給以定量的估計。常用的試驗設(shè)計方法有：正交試驗設(shè)計法、均勻試驗設(shè)計法、單純形優(yōu)化法、雙水平單純形優(yōu)化法、回歸正交設(shè)計法、序貫試驗設(shè)計法等。本章采用了正交試驗設(shè)計方法對閃光對焊焊接工藝進行研究分析。目前在材料研究領(lǐng)域中正交設(shè)計和均勻設(shè)計是最主要的試驗設(shè)計方法，它們分別用于熱處理、鑄造、焊接、材料開發(fā)和表面處理等方面，基本涵蓋了材料研究中的各個領(lǐng)域，兩種方法各有所長，給研究者提供了一定的便利。正交試驗法是在實際經(jīng)驗與理論認(rèn)識的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一種只需做少數(shù)次試驗而又能反映出試驗條件完全組合內(nèi)在規(guī)律的方法，這種方法的數(shù)據(jù)點分布均勻，可用相應(yīng)的級差分析方法、方差分析方法、回歸分析方法等對試驗結(jié)果進行分析，從而引出許多有價值的結(jié)論。2．1．1正交試驗設(shè)計法正交試驗法是研究與處理多因素試驗的一種科學(xué)方法。它利用規(guī)格化的表格，即正交表，科學(xué)的挑選試驗條件，合理安排試驗。其優(yōu)點在于能從很多試驗條件中選出代表性強的少數(shù)次條件，并能通過對少數(shù)次試驗條件的分析，找出較好的生產(chǎn)條件即最優(yōu)或較優(yōu)的試驗方案。用正交表安排多因素試驗的方法就稱為正交試驗設(shè)計法。正交試驗設(shè)計中的基本概念主要有考核指標(biāo)、試驗因素及因素位級數(shù)三個。1、考核指標(biāo)是在試驗設(shè)計中，根據(jù)試驗?zāi)康亩x定的用來衡量試驗效果的量值(指標(biāo))。定量或定性的考核指標(biāo)均可?？己酥笜?biāo)可以是一個或數(shù)個。本章采用閃光對焊焊接接頭的力學(xué)性能作為考核指標(biāo)。2、試驗因素指當(dāng)試驗條件變化，試驗考核指標(biāo)也發(fā)生變化時，影響考核指標(biāo)取值的量，也稱為試驗因子，一般記為A，B，C等，對應(yīng)于正交表的列標(biāo)號。本章確定45鋼閃光對焊工藝參數(shù)時選用調(diào)伸長度、輸出電流百分比(閃光電流密度)、閃光時間、次級空載電壓等四個焊接參數(shù)為試驗因素。3，位級指試驗因素所處的狀態(tài)。一般試驗方案是由若干個試驗因素所組成的若干組合，因素在試驗方案中變化的狀態(tài)，就稱為位級(水平)。本章根據(jù)經(jīng)驗值及試驗條件確定每個試驗因素有3個位級。2．1．2正交表原理及其選擇正交表是運用組合數(shù)學(xué)理論在IF交拉丁方的基礎(chǔ)上構(gòu)造的～種規(guī)格化的表格。正交表的符號是：Ln(j1)其中：L為正交表的代號；n為正交表的行數(shù)(試驗次數(shù)、試驗方案數(shù))；j為正交表中的數(shù)碼(因素的位級數(shù))；i為正交表的列數(shù)(試驗因素的個數(shù))；N=j*i為全部試驗次數(shù)(完全因素位級組合數(shù))。常用的正交表有L4(23)、L8(27)、L16(215)、L9(34)、L16(45)等。正交表是依據(jù)正交性原理設(shè)計的，其正交性主要體現(xiàn)在整齊可比性和均衡分散性兩個方面。l、整齊可比性在同一張正交表中，每個因素的每個位級出現(xiàn)的次數(shù)是完全相同的。由于每個因素的每個位級試驗結(jié)果中與其他因素的每個位級參與試驗的幾率是完全相同的，這就保證各個位級中最大程度的排除了其他因素位級的干擾，因而能最有效地進行比較和做出展望，容易找到好的試驗條件。2、均衡分散性在同一張J下交表中，任意兩列(兩個因素)的位級搭配(橫向形成的數(shù)字對)是完全相同的。正交表安排的試驗條件均衡地分散在因素位級的完全組合之中，因而具有很強的代表性，容易找到好的試驗條件阮531。正交試驗設(shè)計法之所以具有很高的效率，J下是由于正交表的這蹲個特性，在應(yīng)用正交表時必須要用這兩個性質(zhì)對所用的正交表進行檢查、驗證。選擇合適的正交表是試驗?zāi)軌虺晒M行的關(guān)鍵一步。正交表的選擇主要考慮以下幾個方面：考慮因素的個數(shù)：一批允許作試驗的次數(shù)；有無重點考察的因素。實際上選擇正交表時也和考慮因素的位級個數(shù)有關(guān)，即位級數(shù)的確定與正交表的選擇這兩個問題是相互牽連的，經(jīng)常放在一起考慮。2．2閃光對焊焊接工藝試驗方案的確定設(shè)計好正交試驗方案是發(fā)揮正交試驗優(yōu)越性的首要環(huán)節(jié)。進行正交試驗首先要明確試驗?zāi)康模_定考核指標(biāo)，然后挑因素，選位級，確定因素位級表，進而選擇適宜的正交表。本章對直徑為m16mm，長度為100mm的45鋼閃光對焊焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究，考核指標(biāo)為焊接接頭的抗拉強度，單位為MPa，它越大說明焊接效果越好，所選擇的工藝參數(shù)越優(yōu)。針對第一章中對閃光對焊主要焊接工藝參數(shù)的介紹，本章擬選擇調(diào)伸長度L、輸出電流百分比Jf(閃光電流密度)、閃光時間t、次級空載電壓U20等四個焊接參數(shù)為試驗因素，不考慮各因素之間的交互作用，即選用同位級正交試驗方案，每個因素確定3個位級，具體因素位級如表2．1，各試驗因子的位級取值根據(jù)經(jīng)驗手冊及試焊結(jié)果確定?；谇笆稣槐淼倪x用標(biāo)準(zhǔn)確定利用單一水平正交表b(34)進行試驗方案的設(shè)計。正交試驗的設(shè)計方案確定好后，就可依此進行試驗了，總共進行9組試驗。試驗過程一定要嚴(yán)格按照方案規(guī)定的條件組合進行，不允許更改條件。試驗順序沒有硬性規(guī)定，試驗操作要嚴(yán)格認(rèn)真并準(zhǔn)確地記錄好每號試驗的結(jié)果，互相之間不能混淆。2．3閃光對焊焊接工藝試驗2．3．1試驗材料焊接工藝試驗中使用的材料為45鋼，其化學(xué)成分如表2．3所示f54】：2．3．2試驗設(shè)備試驗中的閃光對焊機是由廣卅I市聯(lián)十邦機械制造生產(chǎn)的UN80S型閃光對焊機，焊件夾緊裝置為氣缸加壓，頂鍛系統(tǒng)為手動杠桿和滑動導(dǎo)軌。為保證焊機正常工作，附屬設(shè)備有與夾緊裝置相連的空氣壓縮機即2021系列V-0．4／10型空氣壓縮機、電源的供電裝置及對銅電極進行冷卻的水循環(huán)系統(tǒng)等。UN80S閃光對焊機具體技術(shù)參數(shù)及焊機外觀分別如表2．4和圖2．1所示。表2．4UN80S閃光對焊機技術(shù)參數(shù)焊接接頭及母材抗拉強度測量用拉伸試驗機為長春試驗機廠生產(chǎn)的WE．30A型液壓式萬能試驗機，最大負(fù)荷300kN，圓試樣夾持直徑范圍ep5～24mm。試驗機外觀如圖2．2所示。2．3．3焊接工藝試驗為了保證達到更好的焊接效果，首先要進行焊前準(zhǔn)備，主要工作是對焊件進行清理，如焊接端口表面加工平整、去除氧化膜、油漬等。尤其焊接端口表面加工平整，保證焊接開始時有足夠的接觸面積，確保焊接端面加熱均勻；去除焊件表面的氧化膜及油漬等以保證電極與焊件之間接觸良好，保證電流通暢使焊件得到良好的加熱。另外還需對UN80S閃光對焊機各部分進行調(diào)試，保證頂鍛系統(tǒng)、夾緊裝置及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等工作正常，調(diào)整四個夾緊電極的V形槽保持同心等。按照表2．2所制定的試驗計劃對直徑為由16mm，長度為100mm的45熱軋鋼共進行9組閃光對焊焊接試驗，每組試驗焊接四個試樣分別進行接頭抗拉強度的測量。由于UN80S閃光對焊機的頂鍛系統(tǒng)采用手動加壓，在焊接的過程中，要注意將頂鍛力等參數(shù)固定為同等條件。2．3．4焊接接頭的拉伸試驗按照GB2651--89《焊接接頭拉伸試驗方法》將焊接接頭加工成拉伸試樣在WE．30A型液壓式萬能試驗機l上進行拉伸試驗。具體加工尺寸如表2．5和圖2．3所示。其中Ls為焊后熱影響區(qū)最大寬度。參照上述標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際條件加工尺寸如下：do=10mm、D=16mm、h=40mm、r=5mm。拉伸試驗前在焊接試樣的焊縫處劃線，以方便確定拉伸斷裂的具體位置。表2．5焊件拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)加工要求對母材抗拉強度的考察，具體尺寸按照GB6397--86《金屬拉伸試驗方法》進行加工，見表2．6及圖2．4。母材加工尺寸為：d=10mm、l=100mm、D=16mm、h=40mm、r=5nun。表2．6圓形金屬拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)加I：要求2．3．5試驗結(jié)果及分析焊接接頭拉伸后的部分試樣外觀如圖2．5(a)、(b)所示。在試驗過程中只有3％的試樣斷于焊縫處，符合無復(fù)試要求。圖2．6(a)、(b)分別表示對焊接接頭進行拉伸時，斷裂于夾持附近位置及焊縫處的應(yīng)力o～應(yīng)變￡曲線。圖2．6(a)的o～￡曲線變化分析如下：1、彈性階段最開始階段隨著應(yīng)力增加試樣產(chǎn)生變形，應(yīng)力與應(yīng)變兩者成比例線性關(guān)系，此過程為彈性階段，即符合E=o／e虎克定律；2、屈服階段隨著應(yīng)力增加進入屈服階段后，即位錯開始滑移、交滑移和位錯源增值等，應(yīng)力保持基本不變而應(yīng)變不斷增加，此時對應(yīng)的應(yīng)力為屈服極限；3、加工硬化階段繼續(xù)加載，試樣繼續(xù)變形，進入強化及冷作硬化階段，即位錯纏結(jié)、增加應(yīng)力迫使位錯增值源繼續(xù)啟動產(chǎn)生新位錯并滑移，應(yīng)力到達最高點即強度極限Ob；4、裂紋萌生、擴展與試樣斷裂階段隨后試樣局部發(fā)生劇烈收縮，變形都在縮頸處發(fā)生，頸縮處變得越來越小，局部真實應(yīng)力不斷增大，直至試樣被拉斷，即試樣應(yīng)力集中處、位錯集中處等部位萌生裂紋、裂紋擴展直至試樣斷裂的過程。5、試樣斷裂斷面的形貌出現(xiàn)頸縮時，頸部變化的幾何形狀使該處的單軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閺?fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，即除正應(yīng)力外還有切應(yīng)力分量，試樣最終常以錐杯狀的斷口斷裂，如圖2．5(a)中所示，即材料的外層是剪切破壞，內(nèi)部是拉伸破壞，試驗結(jié)果表明試樣的斷裂處均離焊縫處較遠(yuǎn)。圖2．6(b)的o～￡曲線顯示試樣在加工硬化階段已發(fā)生斷裂，試樣的斷裂形貌如圖2．5(b)下面試樣所示。試驗結(jié)果表明該試樣ob值不符合強度要求，斷口斷裂于焊縫處且比較齊平，表現(xiàn)為脆性斷裂，斷面上存在一長軸約1．75mm、短軸約1．1mm的橢圓形空洞缺陷，分析此缺陷產(chǎn)生的原因為焊接頂鍛速度較低，導(dǎo)致焊接對口處金屬發(fā)生氧化，液體金屬及夾雜物沒有被完全排擠出所致。第三章閃光對焊焊接溫度場測定及其有限元分析閃光對焊焊接過程主要包含了端面金屬熔化、液體過梁不斷形成和爆破的閃光過程及快速施加頂鍛力的頂鍛過程，它是一個涉及電弧干擾、材料熔化凝固、物質(zhì)燒損和熱量傳導(dǎo)等的復(fù)雜過程。焊接熱過程貫穿整個焊接的全過程，加熱或冷卻過程金屬的相變、焊接應(yīng)力與變形等都是在焊接熱過程中發(fā)生和發(fā)展的，高溫停留時間、冷卻速度等熱循環(huán)參數(shù)會對焊件的組織狀態(tài)、力學(xué)性能、氫擴散以及焊接冷裂紋產(chǎn)生重要影響。因此對焊接溫度場的分析是研究焊接過程機理以及其他參量場的前提。通常對焊接溫度場的研究有兩種途徑：其一是建立在理論基礎(chǔ)上的溫度場計算；其二是實際測量溫度場。閃光對焊的焊接時間極短，在高度集中熱源的作用下把大量的熱傳給焊件，其熱過程具有很強的瞬時性；另外焊接熱源主要集中在對口處使焊件的加熱和冷卻極不均勻，形成梯度很大的溫度場；材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化，是溫度的函數(shù)；焊接冷卻過程中伴隨相變產(chǎn)生相變潛熱等?？梢姾附舆^程十分復(fù)雜，至今所使用的數(shù)學(xué)分析方法幾乎全是建立在很多假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，由于這些假設(shè)并不完全符合焊接實際，因此數(shù)學(xué)分析的各種焊接傳熱學(xué)計算必須與溫度場的實際檢測相結(jié)合才能達到更好的效果。本章擬采用熱電偶測溫的方法對45鋼軸對稱件閃光對焊焊接過程的溫度變化情況進行實測，確定實際焊接加熱及冷卻過程的溫度變化規(guī)律：并進一步利用有限元分析軟件ANSYS對閃光對焊熱電耦合過程的溫度變化進行數(shù)值模擬，然后將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行比較分析。3．1閃光對焊焊接溫度場的測量目前檢測溫度的方法很多，從感受溫度的途徑主要分為接觸法和非接觸法兩大類。接觸測量法測溫時，感溫元件(傳感器)直接與被測介質(zhì)接觸，測量方法比較簡單且直觀，可靠性也較高，是應(yīng)用最多的一類。但是利用這種方法進行溫度測量時，由于多方面因素的影響，其測溫精度較低。接觸法測溫儀表或元器件有熱電偶、液體溫度計、電阻式溫度計等。隨著生產(chǎn)和科研實踐中對測溫精度要求的提高，某些情況下不允許測溫元件接觸被測物體，從而發(fā)展了非接觸測溫方法。非接觸測溫儀表或元器件主要有亮度溫度計、輻射溫度計、比色溫度計等[56,57]。本章采用接觸測溫法對45鋼軸對稱件閃光對焊的溫度分布進行測量，利用的測溫儀表或元器件為鎳鉻(Nicr)～鎳硅(Nisi)熱電偶。3．1．1熱電偶測溫原理兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B連接在一起組成閉合回路，如圖3．1所示。如果對接點1加熱，使得接點1和2的溫度不同，例如T>To，在回路中就產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，該電動勢通常被稱為熱電勢。熱電偶就是利用這個原理進行溫度測量的。A、B稱為熱電極。接點1通常利用焊接的方法連接在一起，測溫時將它置于被測溫度場中，稱為測量端(或工作端、熱端)。接點2一般要求恒定在某一溫度下，稱為參考端(或自由端、冷端)。熱電偶工作時的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。異種材質(zhì)熱電極接觸因其內(nèi)部的電子密度不同，在接觸處電子擴散形成電場，其方向與電子擴散方向相反阻止擴散，當(dāng)擴散作用與電場的阻礙作用相等時，在兩接觸點處分別形成接觸電勢導(dǎo)致接點間產(chǎn)生電勢差；溫差電勢是電極兩端存在溫度梯度而產(chǎn)生的電勢，高溫電極的電子能量大于低溫端的電子能量造成電子的定向向低溫端移動，從而在電極兩端形成電勢差，即溫差電勢?？梢灾喇?dāng)電極材料一定時，熱電勢只與兩端溫度有關(guān)，即EAB(T，To)=EAB(T)一EAa(To)(3．1)熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度(T和To)函數(shù)的差。若冷端溫度T0保持不變，則為T的單值函數(shù)。通過測出熱電勢的值即能間接知道測量端的溫度[57,58】。由于熱電偶能進行溫度～電勢的轉(zhuǎn)換，而且其體積小、測溫范圍廣、物理化學(xué)性能穩(wěn)定，因此在溫度測量中獲得廣泛的應(yīng)用。熱電偶的熱電勢與溫度關(guān)系特性可以用三種方法表示：列表法、數(shù)學(xué)表示法、作圖法15”。通常使用的是列表法，即“分度表”。分度表是通過大量的實驗測試得到，而非理論計算所得。首先以標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極為對比基準(zhǔn)測出熱電極材料在一系列溫度點的電勢值，然后進行數(shù)學(xué)函數(shù)擬合，使之能表示任意溫度下的電勢～溫度關(guān)系。鑒于同種熱電偶工作范圍相對寬，通常一個函數(shù)式無法準(zhǔn)確表達整個范圍的電勢～溫度關(guān)系，即采用分段不同多項式擬合，楣鄰兩個多項式連接處必須光滑過渡，然后利用計算機計算出每度的電勢值得到對應(yīng)熱電偶的分度表。數(shù)學(xué)表示法就是用一個公式把熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系表示出來，一般是制定分度表時計算得到的。所謂作圖法就是把熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系用曲線在坐標(biāo)紙上表示出來，通常將其稱為熱電勢與溫度關(guān)系特性曲線。本章利用列表法即直接查表法實現(xiàn)熱電勢到溫度的轉(zhuǎn)換。3．1．2熱電偶測溫實驗利用前述正交試驗法得到的較優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合進行焊接，通過熱電偶測溫的方法對直徑為016mm的45熱軋鋼閃光對焊焊接過程的溫度進行測量，得到其徑向、軸向溫度分布規(guī)律及各測量點溫度隨時間的變化規(guī)律。整個熱電偶測溫系統(tǒng)主要包括焊接、熱電勢信號采集放大和數(shù)據(jù)收集等三部分。焊接部分主要包含閃光對焊機系統(tǒng)及被焊接件。熱電勢信號采集放大部分包括測溫儀器、信號放大電路等兩部分。熱電偶可實現(xiàn)將溫度量(。C)轉(zhuǎn)換為電壓量(mV)，放大電路可同時實現(xiàn)對采集參量的放大及降噪減少干擾等功能。數(shù)據(jù)收集部分實現(xiàn)對電壓量的讀取、保存及顯示。3．1．2．1熱電偶的選擇及絕緣保護措施閃光對焊過程的溫度測量采用鎳鉻一鎳硅熱電偶，分度號K，其中鎳鉻一端為正極，鎳硅端為負(fù)極，該種熱電偶具備性能穩(wěn)定、抗氧化能力強、電動勢比較大、相對線性度好、測溫精度比較高等特點，可測量0--13000C的溫度，長期工作溫度為0-'900。C，在工業(yè)上應(yīng)用較廣泛。熱電偶測溫時須使兩熱電極間絕緣，熱電極與測溫孔壁絕緣，否則最終測得的溫度數(shù)據(jù)無效。本章實驗中對焊接好的熱電偶首先用專用雙孔陶瓷套管穿過，避免了熱電極之間以及與盲孔壁的接觸，同時減少了空氣介質(zhì)對熱電極的干擾。確保陶瓷套管外徑與盲孔直徑相當(dāng)，以防止測溫時熱電偶從盲孔脫出，降低外界空氣對盲孔的冷卻作用，有利于保證實測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。焊接部分與數(shù)據(jù)收集及信號放大部分距離較遠(yuǎn)，裸露于空氣中的熱電偶絲及補償導(dǎo)線上套絕緣套，以避免偶絲之間的接觸，隔絕空氣及電磁對熱電偶絲的干擾。盡量延伸熱電偶到溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，冷端與放大裝置相連。3。1．2．2溫度～電壓信號放大系統(tǒng)熱電偶將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓量后進行輸出。鑒于所得電壓信號很微弱，只有幾十毫伏左右，需進行放大，為此設(shè)計了放大電路，該電路還應(yīng)具備降噪抗干擾等作用。實際設(shè)計放大電路如圖3．2所示，集成運算放大器的型號為LM324N，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3．3，包含了四個獨立的高增益、頻率補償?shù)倪\算放大器，芯片正常工作采用15V直流穩(wěn)壓電源供電。放大器的工作原理圖見圖3．4，放大倍數(shù)B=RF瓜l。65，其中電容Cl(2．2pF)與共地點相連，起到濾波的作用。經(jīng)測試該放大電路的放大效果及濾波性能均能滿足本實驗要求。3．1．2．3溫度～電壓數(shù)據(jù)采集圖3．4放大器工作原理圖數(shù)據(jù)采集顯示部分將采集到的電壓量進行實時顯示、記錄與保存。實際操作中采用示波器來實現(xiàn)，收集得到的電壓量單位為v。實驗中采用的美國Tektronix公司生產(chǎn)的TDS2024型示波器，彩色LCD顯示，4路通道數(shù)，帶寬為200MHz，取樣率2．0GS／s。3．1．2．4測溫點位置確定采用熱電偶對焊接過程的溫度進行測量，首先需確定測溫點的位置，將熱電偶熱端深入到焊件內(nèi)部，即在焊件的特定位置開盲孔。一般來說，盲孔開得太多不可避免的會破壞溫度場本身，使檢測結(jié)果與真實結(jié)果存在較大的誤差；盲孔太少，又不足以反映焊接接頭的溫度值及變化規(guī)律。因此根據(jù)實際情況合理地選擇盲孔位置。本實驗的目的是為了獲得焊接接頭徑向及軸向不同位置的溫度變化特性，對于軸對稱焊接件進行閃光對焊，其溫度場認(rèn)為是對稱分布即：1、焊接端面即橫截面上溫度分布以圓心呈對稱分布；2、閃光對焊的兩對焊件材質(zhì)及形狀大小均一致，軸向溫度以焊縫為界呈對稱分布。根據(jù)軸對稱件的對稱特性，測量焊接件一端溫度即可得到整個焊接接頭的溫度分布情況。試驗中考慮到閃光對焊焊接時的調(diào)伸長度15mm，冷卻電極寬度約為30mm，確定了測溫點位置，具體距焊接端部分別為3tm、6m、9mm、12mm、15rm、32mm、35mm、44mm和深度分別為2mm、4mm、8mm的盲孔，盲孔直徑為中2ram。實驗中選用熱電偶的陶瓷絕緣套管外徑為01．96mm，保證所有盲孔軸線垂直于焊件的中軸線，熱電偶安裝必須牢固且保證熱電極熱端與孔底接觸。這樣的測量結(jié)果基本可以說明焊接接頭不同位置的溫度分布及變化趨勢，從而進一步找出其中的變化規(guī)律與區(qū)別。焊接件上各測溫點的實際分布情況如圖3．5所示。具體做法為：每4個孔列為一組，孔深相同，孔間距為3mm，每個焊接件上鉆3～4組孔深不同的孔。距離端面6mm的孔離焊接端口最近，既保證了足夠的端面燒損留量，避免熱電偶的損失，又保證能測得接近金屬熔點的較高溫度。3．1．2．5測溫試驗軸對稱件閃光對焊焊接測溫系統(tǒng)的構(gòu)成是利用陶瓷套管絕緣保護的一級測溫精度的鎳鉻～鎳硅熱電偶直接插在盲孔里面，熱電偶冷端通過補償導(dǎo)線與放大電路連接，最后放大系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。本實驗中對溫度的精度要求不高，實驗過程中環(huán)境溫度基本保持在25。C左右，首先對示波器4路表筆進行校正，測量室溫下各自的讀數(shù)，作為最終測量結(jié)果的誤差補償Ec，實驗過程中將其作為中間量，測溫點實際溫度對應(yīng)的熱電勢為測量得到的熱電勢再加上誤差補償?shù)暮?，即：E實際(r，0。C)=E測量(丁，25。c)+點0f為了達到試驗的目的，后期還需利用列表法進行電壓～溫度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及采用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)平滑處理等。3．2溫度測量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理除對實驗結(jié)果進行電壓～溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化外，還需利用數(shù)學(xué)方法進行數(shù)據(jù)平滑處理及曲線方程的擬合分析溫度變化的規(guī)律。通過圖中各曲線分析可明顯看出各點的焊接熱循環(huán)過程特點：l、焊接電源接通，即開始焊接的閃光階段，各點溫度升高，距離焊接端面最近的位置，溫度最先達到峰值，由于熱源主要集中在焊接對1：3處，且焊件本身的熱傳導(dǎo)要有一個過程，焊接結(jié)束后距離焊接端面較遠(yuǎn)的位置溫度還有一個升高過程，隨距離的不同溫度升高所需的時間也不同，且距離焊接端口越遠(yuǎn)的位置達到的峰值溫度也越低。2、焊接結(jié)束，焊接端口處的溫度首先開始降低，其他位置的溫度首先升高到最高溫度才開始降低，隨距焊接端面距離的不同，開始降溫的時刻各不相同。3、對于焊接件上的不同位置，其升溫速率及降溫速率各不相同。4、通道4N量的溫度曲線與另外三條差異較大，主要因為該測溫點位于冷卻電極下，開始時受到冷卻電極的限制，其溫度升高不大，焊接結(jié)束后將冷卻電極打開，由于焊接件本身的熱傳導(dǎo)作用，’其溫度又開始緩慢上升。圖3．6(b)中l(wèi)通道測溫點距離焊接端面近，焊接開始『^】光時，由于焊接電流極大對測量回路干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測量曲線在丌始時有一個快速升高過程，此種現(xiàn)象產(chǎn)生的不合理數(shù)據(jù)會在數(shù)據(jù)處理前首先濾除。為了得到正確的溫度分布規(guī)律，首先將不合理數(shù)據(jù)篩除，其次將電壓量轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)據(jù)。實驗測量過程產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，通過人工查表實現(xiàn)電壓～溫度轉(zhuǎn)換顯然是不可行的，本文采用基于c語言的“電壓～溫度自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”可方便的實現(xiàn)，其操作界面如圖3．7所示。利用此系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換之前首先要將電勢單位轉(zhuǎn)化為mV級，即將數(shù)據(jù)除以放大倍數(shù)65，再乘以l，000得到。建立系統(tǒng)所需格式的Excel表格為輸入列表，表格中第一行標(biāo)注“id”、“時間”、“電壓”等信息，且保證此表格中的數(shù)據(jù)均合理。3．3閃光對焊焊接溫度測量結(jié)果分析通過前述的數(shù)據(jù)處理及曲線擬合，得到了軸對稱件閃光對焊焊接件上不同孔深測溫點的軸向溫度分布分別如圖3．9、3．10、3．1l所示，各圖中的九條曲線自下向上分別表示了焊接過程中2s、3s、4s、5s，焊接結(jié)束6s時及焊接結(jié)束后4s內(nèi)的軸對稱焊接件不同徑向位置的溫度在軸向距離的分布情況。軸對稱件閃光對焊的軸向溫度分布最為重要。焊接過程中焊接時問短且對口處加熱溫度高，又因調(diào)伸長度的限制，熱影響區(qū)范圍較窄，頂鍛時塑性變形集中、變形量較大，可產(chǎn)生足夠高的局部錯差值促進接頭的熔合和組織轉(zhuǎn)變。圖3．9、3．10、3．11的軸向溫度曲線分析可得到：1、焊接過程中隨著對口處閃光過程的進行，端口部位溫度快速升高，距離端口較遠(yuǎn)位置一方面由于熱量傳導(dǎo)的滯后特點，另一方面由于電極冷卻散熱作用，導(dǎo)致其溫度基本保持不變；2、焊接結(jié)束后，迅將冷卻電極打開，熱量在金屬內(nèi)部可以進行快速傳導(dǎo)，焊接件的后面部分溫度升高較快，但熱源已經(jīng)停止產(chǎn)生再加上金屬本身的散熱作用，其溫度最高只能到幾百度左右，與此同時焊縫處的溫度開始下降：3、由于這三張圖表明的是不同徑向位置的溫度情況，可明顯看出相同時刻各自溫度有所差異，基本規(guī)律是徑向距離較小的位置由于表面空氣對流的作用溫度較低，軸心處溫度最高。下面以圖3．9為例分析閃光對焊焊接過程溫度的變化：l、焊接開始時，整個焊接件的溫度基本保持不變；2、閃光過程中，隨著連續(xù)外加熱源的輸入及焊接件熱傳導(dǎo)的作用，從2s到閃光結(jié)束的時間內(nèi)調(diào)伸長部分的溫度梯度變化明顯；3、頂鍛過程中，僅為1個～2個電流周波的有電頂鍛時間能保持工件焊接的接口處液體金屬溫度基本維持不變；無電頂鍛過程迫使兩工件的對接面更緊密接觸并使高溫會屬產(chǎn)生足夠的塑性變形，隨著溫度的下降焊縫處的液態(tài)金屬冷卻，結(jié)晶形核，促使兩被焊件牢固地連接在一起，整個無電頂鍛過程并不提供能量且溫升幅度較?。?、焊接結(jié)束6s時，焊接對口處的溫度達到最高，在熱傳導(dǎo)及冷卻電極的綜合作用下，調(diào)伸長內(nèi)溫度梯度很大，調(diào)伸長以外的區(qū)域溫度分布較平緩；5、焊接結(jié)束后的降溫冷卻過程中，焊縫附近的溫度隨時間逐步下降，在焊件自身熱傳導(dǎo)作用下軸向較遠(yuǎn)位置的溫度隨時間變化有所升高，距離焊縫端面較遠(yuǎn)處溫度幾乎無變化。利用MathCAD數(shù)學(xué)分析軟件基于最小二乘法原理對上述各曲線擬合，得到了不同孔深處軸向距離與溫度之間的數(shù)學(xué)表達式如表3．1所示。其溫度分布曲線通式為tnr(x)：K(a+bx+cx2+出，、(O<x<80mm)，其中K為與焊接熱輸入量、材料屬性及形狀尺寸相關(guān)的系數(shù)：x為焊件軸向距離，nllil；T為溫度，℃。3．4閃光對焊焊接溫度場有限元分析基本理論閃光對焊時的焊接件對口端面處將形成許多具有很大電阻的微觀觸點，在很大電流密度的作用下，瞬間熔化而形成連接對口兩端面的液體過梁并瞬間爆斷，最終焊件在自身電阻和接觸電阻焦耳熱的共同作用下，形成一合適的溫度場。閃光結(jié)束時焊接對口上有一層較薄的液態(tài)熔化會屬，在頂鍛力的作用下發(fā)生塑性流動，液體金屬被排擠出來并形成牢固的接頭。由此可見閃光對焊的接頭是在電、熱、力及冶金的綜合作用下形成的。整個過程中由很多變量所控制，在很短時間內(nèi)完成了同時伴隨有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、物質(zhì)燒損、高溫塑性流動、擴散及再結(jié)晶等現(xiàn)象的過程。因為導(dǎo)電、導(dǎo)熱、物質(zhì)燒損、變形等過程中，物性參數(shù)隨溫度而變化，各參數(shù)之間存在強烈的耦合，同時變形材料的本構(gòu)關(guān)系也是非線性的，采用數(shù)學(xué)解析方法進行分析時，往往預(yù)測不到焊接過程中所發(fā)生的很多現(xiàn)象，很難全面、系統(tǒng)地對焊接過程進行分析，也很難對過程中發(fā)生的一些現(xiàn)象作合理的令人信服的解釋。在這樣復(fù)雜的條件下要獲得過程的定量解也比較困難。有限元技術(shù)的發(fā)展為研究這類復(fù)雜問題提供了有利條件。由于有限元方法是全面整體的考慮問題，先通過對時間域和空間域的離散處理，然后進彳亍組合，可以很好的處理復(fù)雜邊界條件、多變量耦合的問題。本章通過分析閃光對焊熱電耦合過程，對焊接溫度場的分布進行數(shù)值模擬，在采用有限單元法求解焊接熱傳導(dǎo)問題時，通常把一個求解微分方程問題轉(zhuǎn)化為求泛函極值的變分問題，然后對物體進行有限元分割，把變分問題近似的表達成線性方程組，求解該方程組便可得到熱傳導(dǎo)問題的解。對于非線性問題有時很難找到相應(yīng)的泛函，此時可以采用加權(quán)殘數(shù)法。3．4．I有限元的基本思想有限單元法是在差分法和變分法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，它吸取了差分法對求解域進行離散處理的啟示，又繼承了里茲法選擇試探函數(shù)的合理方法。從實質(zhì)上看，有限元法與里茲法是等效的，它屬于里茲法的范疇，多數(shù)問題的有限元方程都是利用變分原理建立的。出于有限元法采用了離散處理，所以它計算更為簡單，可處理的問題更為復(fù)雜，具有更廣泛的實用價值15鐘。其基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體，由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域，利用近似函數(shù)表示單元內(nèi)的真實變量，從而給出離散模型的數(shù)值解。有限單元法抓住了單元的貢獻，使得這種方法具有很大的靈活性和適用性。例如：有限單元法所取單元比較任意，因此更適合于具有復(fù)雜形狀的物體。對于有幾種材料組成的物體，可以利用分界面作為單元的界面，從而使問題得到很好的處理。同時根據(jù)實際需要，在一部分求解區(qū)域配置較密的節(jié)點，而在另一部分求解區(qū)域配置較疏的節(jié)點，這樣在節(jié)點總數(shù)不增加的情況下提高計算精度。此外有限元法是用統(tǒng)一的觀點對區(qū)域內(nèi)節(jié)點及邊界節(jié)點列出計算格式，對邊界條件能自然吸收進取，使各節(jié)點在精度上比較協(xié)調(diào)。還有有限單元法要求解的線性代數(shù)方程組其系數(shù)矩陣是對稱的，特別有利于計算機運算。和有限差分法比，有限單元法在誤差分析方面仍沒有有限差分法成熟。但是和有限差分相比可方便處理復(fù)雜邊別?。3．4．2傳熱學(xué)基本原理傳熱理論是研究熱量傳遞規(guī)律的基礎(chǔ)。凡是有溫度差的地方，就有熱量自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體。就物體溫度與時間的依賴關(guān)系而言，熱量傳遞過程可分為兩大類，即與時間無關(guān)的穩(wěn)態(tài)傳熱過程和隨時間而變化的非穩(wěn)態(tài)傳熱。各種傳熱過程按其傳熱方式可分為三種：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射，它們既可以單獨存在，也可以同