铝合金点焊组织的模拟与研究

1、铝合金点焊组织的模拟与研究摘要：电阻点焊的组织决定焊接接头熔核的性能，熔核的性能决定焊接的质量。通过模拟点焊接头的组织，可预测在不同点焊参数下接头的组织形态和力学性能等，从而实现通过寻求最正确焊接工艺来改善焊件性能的目的。研究铝合金点焊相变组织的分布规律，对优化点焊设计和工艺参数有重要的指导作用，本文通过应用有限元模拟软件进展数值模拟，对6082铝合金电阻点焊过程中的组织转变进展模拟与研究，并通过实验进展验证，从而得出电阻点焊对6082铝合金的组织转变的影响。试验验证说明，数值模拟与试验结果吻合良好，为铝合金点焊根底理论研究提供了一种有效的分析手段。关键词：数值模拟；金相组织；铝合金；电阻点焊

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

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

4、rientalresultsarensistent,prvidinganeffetiveanalysisfrspteldingnaluinually.Keyrds:Nuerialsiulatin;irstruture;Aluinually;Resistanesptelding1、铝合金在航空航天、船舶制造、机车和汽车制造业等领域获得了广泛的应用。轿车采用铝合金制造车身较采用钢板制造车身可减轻车体重量6%左右，能显著降低燃料消耗和减少环境污染。但是，铝合金点焊所存在的问题限制了点焊在铝合金汽车消费中的应用，铝合金点焊的熔核形状不规那么，尺寸大小不一，熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔，由于冷却

5、速度较快，熔核的结晶组织主要是从熔合线向内生长的柱状晶。在这方面，吉林工业大学的赵熹华等人通过采用熔核的孕育处理技术做了详细的研究，将柱状晶组织变为等轴晶组织，获得了良好的效果1。但是，该技术如何工程化的问题还正在研究之中。假如能对点焊的相变组织进展有限元模拟计算，得到铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，从微观上改变焊接质量，对进步和稳定点焊质量具有重要意义。铝合金点焊是一个高度非线性的力、热、电相耦合的复杂过程，随着焊接研究的深化，温度，相变和热应力之间的耦合效应越来越受到人们的重视。Y.Ueda等人曾提出温度，相变，热应力之间的耦合关系式，J.Rnda等人利用该耦合模型对焊接接头进展

6、了有限元计算。Rnda等2用统一的方法推导了相变规律和相变塑性，建立了相容的T模型，并形成了系统理论。Yang等3在热冶金耦合方面也作了深化的研究。他们在模拟温度尝速度尝热循环以及熔池形状时,采用瞬时、3维、湍流条件下的热传输和流体流动模型。本文基于有限元专业焊接模拟软件动态模拟焊接的全过程，进展数值模拟时，考虑了材料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，实现温度场和应力应变场的耦合计算，提醒了铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，其结果有助于更好地理解焊接过程中熔体的运动状态、凝固组织细化和产生缺陷的原因,为正确选择点焊工艺参数等提供理论指导。2点焊相变原理熔核、塑性

7、环及其周围母材金属的一局部构成了点焊接头。在良好的点焊焊接循环条件下，接头的形成过程是预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段所组成。1预压阶段：在电极压力的作用下去除一局部接触外表的不平和氧化膜，形成物理触点，为焊接电流的顺利通过及外表原子的键合作准备。2通电加热阶段：在热与机械力作用下形成塑性环、熔核，并随着通电加热的进展而长大，直到获得需要的熔核尺寸。通电刚开场，由于边缘效应，使焊件接触面边缘处温度首先升高，接着由于金属加热膨胀，接触面和电流场均扩展并伴有绕流现象，而靠近电极的焊接区金属散热较有利，从而在焊接区内形成了回转双曲面的加热区，其周围产生了较大的塑性变形。随着通电加热的持续，电极与

8、工件接触外表增加，外表金属的冷却增强，而焊接区中心部位由于散热困难温度继续升高，形成被塑性环包围的回转四方形液态熔核。继续延长通电时间，塑性环和熔核不断长大。当焊接温度场进入准稳态时，最终获得椭圆形液态熔核，周围是将熔核紧紧包围的塑性环。3冷却结晶阶段：使液态熔核在压力作用下冷却结晶。由于材质和焊接标准特征不同，熔核的凝固组织可有三种：柱状组织、等轴组织、“柱状+等轴组织。由于点焊加热集中、温度分布陡、加热与冷却速度极快，假设焊接参数选用不当，在结晶过程中会出现裂纹、胡须、缩孔、结合线伸入等缺陷，可通过减慢冷却速度和段压力等措施来防止缺陷产生。3点焊熔核有限元仿真点焊是一个多因素及多重非线性的

9、复杂问题。在进展数值模拟时，考虑其可作为轴对称问题，对等厚板的焊接取l4平面进展分析。为简化计算，本文假定电极压力恒定。本文采用简化的轴对称2D模型建立6082铝板点焊的简化模型。出于简化模型的目的，假设上下两块铝板在与电极端面直径对应的中心局部以及电极端面是粘连的，假设电极-工件间及工件间的接触行为属于无滑动接触。焊接电流为恒流，材料的热物理性能随温度变化，忽略电流的趋表效应、接触面的热电效应和接触热阻4,5。模型的网格采取自由划分，共含1996个固体单元，2120个节点。被连接材料为6082铝合金，板厚2.0，采用ur合金电极，端部直径6，端部曲面半径40。3.1材料属性材料的热物理性能参

10、数是温度的函数，在模拟中，材料的热物理性能除了密度和潜热外，其他如比热、导热系数、电阻率等均随温度变化。材料在相变和熔化时存在潜热，模拟中将潜热在相变温度区间均匀折算为比热容，以模拟其产热效果。6082铝合金是Al-g-Si系铝合金，该合金的组织比拟简单，主要合金元素为g、Si,另外还有少量的Fe、Zn、u、n，主要组织组成物为g2Si，g/Si比为1.73，大局部合金不是含过量镁就是含过量的硅。当镁过量时，合金的抗蚀性好，但强度与成形性能低；当硅过量时，合金的强度高，但成形性能及焊接性能较低，抗晶间腐蚀倾向稍好。3.2工艺参数采用直流焊接电源，焊接电流为14KA，电极压力为1.5KN，焊接时

11、间为15个周波(相应频率50Hz)。详细方案见表1：3.3焊接温度场的模拟焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、剩余应力与变形计算以及焊接质量控制的前提，焊件在快速加热和冷却过程中温度场的正确描绘是进展组织转变和焊后接头力学性能分析的前提条件。焊接温度场的准确计算必须建立起准确的热传递数学模型和符合焊接消费实际的物理模型，并应用有限元软件的校正工具，根据详细的焊接工艺和条件对热源进展校正；考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系，建立了焊接过程的数学模型和物理模型6,7。在焊接过程中，由热源传给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊接材料获得热能后，热的传播那么是以热传导为主。焊接传热过程中所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变化问题8。因此研究焊接温度场，是以热传导为主，适当地考虑辐射和对流作用。焊件上某点瞬时的温度分布称为温度场，可以表示为：TT(X,Y,Z,t)式中T为焊件上某点的瞬时温度，(x,y,z)是某点的坐标，t是时间。因此非线性瞬态热传导问题的控制方程可以表示为：式中、为材料的比热容、密度，T为温度场的分布函数，t为时间，kx,ky,kz分别为x,y,z方向上的导热系数；Q是内热源。温度场计算时,将模型的对称面定义为绝热边界条件,即其他周围外表定义为换热边界条件,即式