包覆铝合金变形抗力模型的研究

1、包覆铝合金变形抗力模型的研究李晓娜1,谢满堂 2(1.一重集团大连设计研究有限公司工程师,辽宁大连1166002.一重集团大连设计研究有限公司高级工程师,辽宁大连116600摘要:三层复合包覆铝合金带材是以铝锰系合金为芯材、双面包覆铝硅系钎料合金的多层复合材料,通过使用DEFORM-2D软件对包覆铝合金进行热压缩仿真有限元分析得到包覆铝的变形抗力模型。本文对包覆和变形抗力之间的关系进行了具体的分析,针对不同的包覆率,使包覆铝的变形抗力数学模型具有很高的预测精度。因此在包覆铝热轧过程中可以使用现有的模型进行轧制力预测。关键词:包覆铝;变形抗力模型;热压缩实验;有限元分析;包覆率以Al-Mn-X系

2、合金为芯材、双面包覆Al-Si-X系钎料合金的三层复合包覆铝合金带材,不仅具有芯材合金良好的加工性能和耐腐蚀性能,且由皮材在热交换器钎焊过程中直接提供钎料,简化了钎焊工艺、降低了生产成本、操作方便,从而广泛地应用在各种汽车热交换器领域之中,是制造管带钎焊式热交换器的重要材料之一1-3。 Al-Si-X系合金在室温下塑性较差,所以热轧复合法是目前生产三层复合包覆铝合金带材的成熟工艺,它利用热轧机的强大轧制压力将芯、皮材待复合表面的氧化膜、污染膜等破碎,使之裸露出新鲜表面,在一定的复合条件下,实现芯、皮材界面的复合。三层复合包覆铝合金带材在实际钎焊过程中对钎料层的包覆率有严格要求。包覆率是指单面钎

3、料包覆层厚度占总厚的百分比。当包覆率较小时,钎焊时钎料供应不足,造成虚焊或假焊,导致钎焊质量差,引起产品报废;包覆率较大时,钎焊中的融熔钎料流动过快,降低了复合箔在高温下的抗下垂性能,是引发热交换器在钎焊时复合箔发生坍塌现象的原因之一,在生产中时有发生。所以包覆率的大小对复合铝合金带材的综合性能有直接的影响。因此,国内外的有关标准均对钎焊料的包覆率作了严格的规定,并且要求在满足复合铝合金带材钎焊性能的前提下,包覆率的波动范围应控制在±2%之内。在生产中热轧复合过程是影响包覆率变化的主要环节,研究热轧复合过程中的包覆率变化规律,建立精确实用的热轧包覆率变化数学模型,在生产中对于包覆率的

4、有效控制有着重要的指导意义。包覆铝合金所用的芯材为3003,皮材为4004。由于包覆铝合金具有高电导率、高耐腐蚀性和高延展性等特点在工业上得到广泛的应用。对比其他生产方法,包覆铝合金的热轧制生产方法具有更高效和经济的特点,成为越来越重要的研究课题。然而包覆铝合金热轧过程中的塑性变形是非常复杂的行为,导致很难建立具体的数学模型。目前关于这部分内容国际和国内只发表了很少部分的文章。本文通过热压缩实验先拟合出了铝合金3003和4004的变形抗力模型,基于实验结果对包覆铝合金进行热压缩仿真有限元分析提出了适用于包覆铝合金热轧的变形抗力模型。 1 铝合金变形抗力模型包覆铝合金材料是4004/3003/4

5、004铝合金的复合材料,需要先通过热模拟实验得到3003和4004铝合金的周纪华变形抗力模型【4】(方程1。用热压缩方法在Gleeble-1500热模拟试验机上测定材料的变形抗力。为消除端面摩擦对变形抗力的影响,得到单向压应力,在8mm×12mm 圆柱体试样上下端面车0.2mm 深的凹槽,并在凹槽中填充润滑剂(75%石墨+20%机油+5%硝酸三甲苯酯。采用电阻加热升温,加热速率为10/s,分别加热至200,300,400,450,500后保温5min,然后进行压缩变形60%(变形程度,变形速率取0.1s -1、1s -1、5s -1,10s -1,20s -1,变形后立即水淬,得到计

6、算机自动采集真应力、真应变、压力、位移、温度、时间等实验数据,通过统计分析软件SPSS 对周纪华变形抗力模型进行多元非线性回归分析,得出模型中系数a1-a6,即得到铝合金3003和4004的变形抗力模型(方程2和3。a a T a T a a +=TT =TT +=(3 其中-变形抗力,MPa;0-基准变形抗力,即t =300、0.2=和110s = 时的变形抗力,MPa;T=t/300;t-变形温度,;-变形速率,s -1;-变形程度,a 1a 6-回归系数。2 包覆铝合金热压缩仿真分析2.1仿真模型针对包覆铝合金的轧制工艺,忽略展宽的影响,采用DEFORM-2D 对其热压缩进行仿真,二维模

7、型(见图1,方形样品的尺寸为30 mm×30×mm 15 mm。包覆铝合金的包覆率为20%,即三层铝材的厚度分别为3 mm、9 mm、3 mm。为了得到不同的基准应力值分别取五种不同温度(200,300,400,450,500,六种不同应变速率(0.1s -1、1 s -1、5 s -1、10 s -1、20 s -1、50 s -1和七种不同的包覆率(13.3%,16.7%,20%,23.3%,26.7%,30%,33.3%进行模拟仿真的。 图1. 包覆铝合金热压缩仿真二维模型 2.2包覆铝合金流变应力曲线不同应变速率下的包覆率为20%的包覆铝合金真应力-真应变曲线(见图

8、2,从图中可以看出,随着温度的降低,应变速率的提高,其变形抗力有所增加。并且,同样实验参数条件下,包覆铝合金的变形抗力维持在铝合金3003和4004的变形抗力之间。在高应变速率下,200的仿真曲线略有下降,最后趋向平缓,其原因是高应变速率使包覆铝变形抗力较小的芯板3003铝合金容易变形,导致三层铝材综合一起后的总变形抗力有所下降,到变形后期,两种均匀压缩后,综合变形抗力趋向平缓。而高温情况下,所有的变形抗力值都随着应变的增加而增大,这是因为三层板材之间的摩擦力导致金属横向流动受阻,从而使压头的压力增加,导致变形抗力上升。0.020406080100120140True StrainT r u

9、e S t r e s s (M P a 200300 400 450 5000.02040200 300 400 450 500T r u e S t r e s s (M P a True Strain(a =0.1s -1(b =1s-10.00.20.40.60.81.0180 200 300 400 450 500T r u e S t r e s s (M P a True Strain0.00.20.40.60.81.0180T r u e S t r e s s (M P a True Strain200 300 400 450 500(c =5s -1(d =10s-10.0

10、0.20.40.60.81.0200T r u e S t r e s s (M P a True Strain200 300 400 450 5000.00.20.40.60.81.0200 300 400 450 500T r u e S t r e s s (M P a True Strain(e =20s -1(f =50s -1图2. 不同应变速率下的真应力-真应变2.3 变形抗力模型回归采用统计分析软件SPSS 对仿真数据进行非线性回归,得到包覆铝合金基准变形抗力129.529MPa 的回归结果(见表1。 表1. 包覆铝变形抗力模型系数回归参数估计值95% 置信区间参数 估计 标准

11、误 下限 上限a1 -.856 .004 -.860 -.852a2 .043 .001 -.042 -.044a3 .029 .001.028.030a4 -.030 .002 -.032 -0.028a5 .033 .002.031.035a6.972.002 0.970 0.974将回归所得模型系数代入方程(1,即可得到包覆率为20%的包覆铝合金的变形抗力周纪华模型:TT +=(4 2.4 变形抗力模型修正考虑到包覆率对包覆铝合金变形抗力的影响,提出如下修正模型:TT a +×= (5 其中:a-回归系数,与包覆率有关;0-不同包覆率包覆铝板的基准应力值,即在300,应变速率1

12、0 s -1,压缩量为20%的应力值,其与包覆率以及两种材料的基准变形抗力有关,其关系可以通过公式(6来描述:030034004(1c c =+ (6其中c -与包覆率有关的系数。对不同包覆率情况下,仿真分析其基准变形抗力值。通过仿真得到不同包覆率包覆铝合金的基准应力值(见表2。表2. 不同包覆率包覆铝板的基准变形抗力值b (%13.316.72023.326.73033.30(MPa 124.609 122.704 120.720将表2中的数据以及3003、4004代入方程(6,即可得到c 与包覆率b 的关系式:线性拟合得到的公式(7能准确反映系数c 与包覆率b 的关系(见图3。 cb图3.

13、 系数c 与包覆率b 的拟合曲线综合(5-(7式,可得包覆铝合金的基准变形抗力修正模型:TT a b b +×=+= (8 基准变形抗力修正后的模型比回归得到的模型更贴近仿真数据(见图4、图5,只有在500高温情况下,模型稍有偏离仿真数据。从两种应变速率的对比分析,可知应变速率对变形抗力模型的修正影响较小,因此在后期的修正过程中忽略应变速率对不同包覆率铝板的变形抗力的影响。 T r u e S t r e s s (M P a 图4. 包覆率20%,应变速率0.1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t r e s s (M P a 图5. 包覆率20%,

14、应变速率5s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线应变速率5s -1,不同包覆率基准变形抗力修正模型与仿真数据的比较曲线(见图6至图12,从图中可以看出基准变形抗力修正模型基本能反映出不同包覆率的变形抗力变化情况,只是在450、500时,修正模型比仿真数据偏小。并且这种偏小程度随着包覆率的增加而加剧。 T r u e S t r e s s (M P a 图6 包覆率13.3%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t r e s s (M P a 图7 包覆率16.7%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t

15、r e s s (M P a 图8 包覆率20%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t r e s s (M P a 图9 包覆率23.3%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线T r u e S t r e s s (M P a 图10 包覆率26.7%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t r e s s (M P a 图11 包覆率30%,应变速率1s -1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线 T r u e S t r e s s (M P a 图12 包覆率33.3%,应变速率1s

16、-1情况下的基准变形抗力修正应力应变曲线不同包覆率,不同温度下基准变形抗力修正模型和仿真数据应力差(见表3。表3 基准变形抗力修正模型和仿真数据应力差/MPa400 0 0 0 -1.1-1.8-2.5-3.8450 -0.8 -2.1-3.1 -3.9-5.3-6.2-7.0500 -3.2 -4.0-5.2 -5.7-7.0-7.8-9.3修正的模型普遍乘从上述图表中可以看出,只要将高温情况下(400500以一个系数就可以实现模型和仿真数据的良好匹配,通过分析得到不同温度下,修正模型的系数(见表4。表4. 修正模型的系数表包覆率% 400 450 50013.3 0.99 1.02 1.0

17、616.7 1 1.04 1.0820.0 1 1.04 1.123.3 1.01 1.05 1.1126.7 1.02 1.06 1.1430.0 1.04 1.08 1.1533.3 1.04 1.1 1.15对表中的数据进行线性拟合(见图13,可以得到不同温度下的系数a和包覆率b的关系,如方程9所示。1.16 1.14 1.12 1.10 1.08 400 450 500 400 fit line 450 fit line 500 fit line a 1.06 1.04 1.02 1.00 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 b 图 13. 系数 a 与包覆率

18、b 的线性拟合图 400： a = 0.9517 + 0.268b 450： a = 0.9707 + 0.364b 500： a = 1 + 0.483b 令 T= t/300，考虑到温度的影响，公式 9 可以转化为一个公式，即 a = (0.761 + 0.142T + (0.577 + 0.632T b (10） （9） 因此包覆铝合金的变形抗力模型修正为： = 0 exp -0.856(T 1 10 0.03+ 0.033T ( 0.972 1 0.972 × a 0.2 0.2 （11） 0 = (0.31 + 1.16b 3003 + (0.69 1.16b 4004 0.043 + 0.029T 1 (t < 400 o C a= o (0.761 + 0.142T + ( 0.577 + 0.