钢轴对称件闪光对焊焊接工艺和接头温度场与组织模拟

PAGEPAGE17目录目录………………1摘要、关键字……………………2一、绪论…………3二、闪光对焊焊接工艺研究与分析…………14三、第三章闪光对焊焊接温度场测定及其有限元分析……18四、闪光对焊焊接热影响区组织研究………24五、参考文献……………………30摘要利用较优的工艺参数进行焊接实验研究其焊接温度场分布。通过温度检测系统实测了45钢轴对称件闪光对焊焊接过程的温度场分布，确定了轴向温度T(x)与轴向距离X之间的关系为lnT(x)：尉口+k+彩+彬)；同一横截面上的径向温度由表及里逐渐升高，呈抛物线规律变化；以焊接热循环过程中的峰值温度TP为基准，将焊接热循环曲线分为升温段和降温段分别进行拟合处理，得到了不同测温点的焊接热循环曲线。基于有限元分析建立了闪光对焊焊接过程热电耦合的二维轴对称简化模型，该模型中结合闪光对焊的实际及材料物性参数随温度变化的特性，考虑了接触电阻及相变潜热对产热过程的影响，模拟得到了闪光对焊焊接加热过程任一时刻温度分布及任一位置焊接热循环。模拟与实测两者比较验证了所建热电耦合二维简化模型的合理性。基于45钢轴对称件闪光对焊焊接温度场的实测，采用MC模拟与理论分析结合的方法研究了焊接HAZ奥氏体晶粒长大，考虑了晶粒长大动力学及温度对晶粒长大的影响。根据EDB模型确定了奥氏体晶粒长大动力学方程，确定了模拟时间MCS与实际时间t、实测温度T(t)之间的关系方程，以VB为运行环境，再现了焊接HAZ晶粒长大的动态演变过程，模拟和实测的晶粒大小结果基本相吻合。MC模拟指出温度梯度使焊接HAZ中晶粒长大尺寸仅为整体受热时的70％左右，焊接加热阶段对晶粒长大的贡献为25％～30％左右。关键词：闪光对焊；正交试验；温度场；有限元模拟：MC方法；焊接HAZ；晶粒长大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．andtheMCsimulatedresultWasinagreementwitllthemeasuredvalue．ThetemperaturegradientinthesimulationmakesthegrainsizeintheweldingHAZas70％ofthatinbulkheatingandtheweldingheatingprocessmakesthegraingrowonly25％～30％orSOofthefinalgrainsize．Keywords：flashbuttwelding，orthogonaltest，temperaturefield，finiteelementsimulation,MCmethod，weldingheataffectedzone，graingrowth第一章绪论焊接作为制造业的基础加工工艺与技术为工业经济的发展做出重要的贡献。它广泛地应用于石油化工、航空航天、核动力工程、微电子工程、桥梁、船舶，以及各种金属结构等工业部门。焊接技术在推动我国的经济建设和发展方面起着重要的作用。电阻焊的加热温度比熔焊低、加热时间短，导致焊接热影响区(HeatAffectedZone，简称HAz)小，许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用这种方法实现优质连接。闪光对焊作为电阻焊的一种，具有高速高效、无须对被焊工件进行预处理、焊缝强度高、焊接过程简单等优点，使其广泛应用于汽车、航天和其他工程领域中。同时闪光对焊在异种金属及新型材料焊接中也有一定的应用。由于闪光对焊与熔化焊有着本质的区别，有必要对其热传导及组织变化等方面进行深入研究。1．1闪光对焊技术的发展、应用及特点1．1．1闪光对焊技术的发展和应用闪光对焊是电阻焊工艺的一种，电阻对焊主要适用于小截面工件的焊接，如小截面线材、管材、链环及截面积小于200mm2的低碳钢棒材等。对于大截面工件的对焊，如钢轨、输油输气管道、电站锅炉、石油钻杆等要用闪光对焊。从焊接物理本质来看，闪光对焊时虽然也产生液态会属，但在接头中不存在由液相凝固而形成的铸造组织，因此不能归入熔化焊一类，属于固相焊接，这是闪光对焊的突出特点，是其与熔化焊最主要的区别。有些利用熔化焊很难实现焊接的材料如高速钢、球墨铸铁和灰铸铁等都可成功的采用闪光对焊。某些异种金属的焊接，如铜和铝等，采用熔化焊几乎是不可能的，却能以闪光对焊解决。国内外闪光对焊典型的应用有钢轨和管道的焊接，航空航天工业中如航空发动机活塞环的焊接，汽车制造业中如汽车轮辋的焊接，另外如锚链、钢窗以及刀具的焊接也大都采用闪光对焊的方法。闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源并使焊件被焊端面缓缓移近到局部接触，利用产生的电阻热使接触点迅速被加热至高温熔化，产生强烈的金属飞溅，形成闪光(即烧化过程)，然后继续移近焊件被焊接端面，使之进一步闪光和加热直至整个焊接端面在一定深度范围内达到预定温度，最终迅速施加项锻力完成焊接的过程。闪光焊技术几乎是和电阻焊技术同时出现的。1885年美国人E．Thomson教授取得了电阻对焊的专利，这是有关电阻焊的最早记录。1886年第一台电阻对焊机诞生。1903年德国人首先使用了闪光对焊技术20世纪50～70年代，前苏联、美国、德国、日本、瑞士以及其他一些国家，对闪光对焊的基本理论及闪光焊机的研制进行了大量的工作，使闪光焊技术得到了迅速的发展，主要表现在以下几个方面l、在工件的送进控制上，由最早的手动杠杆、电动凸轮逐渐过渡到液压系统控制；2、在控制电压的方式上，由搭片式、插刀式的级数转换器，发展到水银引燃管，再发展到晶闸管：3、在闪光焊接的供电波形上，由传统的单相交流，发展到三相次级整流；4、在焊机容量方面，一些大容量的可以焊接大截面工件的闪光焊机也被研制出来。上世纪60～70年代，原西德公司生产的大型闪光焊机，功率达4×103kW，顶锻力达700t，可焊接截面积为lxl05mm2的工件；日本生产的3×103kW薄板闪光对焊机，可焊接宽度为1800mm，厚度为6．5mm的钢板。随着工业的发展，需焊接工件的截面也越来越大，对焊机需用容量的要求也增大。为了节省功率并满足大截面工件闪光焊接的需要，国内外很多科研机构都对闪光焊的工艺过程进行了一系列的研究，并取得了显著成果，研究成功了程序控制降低电压闪光对焊、脉冲闪光对焊和有限自适应闪光对焊等新工艺。进入20世纪80年代，计算机技术也开始应用到闪光对焊过程的控制与参数检测中。这些措施都大大扩大了闪光对焊的应用范围，提高了闪光焊焊接接头的质量。我国对闪光对焊的研究起步晚，且跟国外有一定的差距。在焊机的研制生产方面，上世纪50年代我国生产了凸轮预热交流闪光焊机LM一180，其额定功率为150kW，送进速度由凸轮曲线决定，不能改变，无法适应不同工件的需要。之后成都电焊机厂陆续研制了UN系列闪光对焊机，如用于m16～25m钢筋对焊的UN一150『^J光焊机，用于焊接截面积为450mm2的摩托车轮圈的UNQ．125型闪光焊机等。上海电焊机厂生产了容量为250kW的带钢闪光对焊机，该机采用液压传动，焊接截面积达到了l，350mm2。在闪光焊技术理论研究方面，国内一些研究单位也做了一些工作，取得了一定的成绩。如铁道部铁道科学研究院通过对自适应连续闪光焊焊接过程的原理研究，提出了建立闪光焊最佳参数的方法；武汉锅炉厂的科技工作者根据1976年国际焊接年会提出的“能量控制法”，对锅炉钢管的闪光焊进行了研究。2021年清华大学机械系研制成功了500kW次级整流式大型拖车轴头闪光焊机，该焊机用工控机作为控制核心，同时备有手动控制系统，采用位移传感器和液压系统，利用预热闪光焊工艺成功焊接了截面为6,488mm2的工件，该项目2021年被教育部鉴定为“总体达到国际先进水平，部分技术位于国际领先地位”，其研制成功填补了国内空白Ill。虽然进行了上述的一些研究工作，但就目前情况来看，与国外先进闪光焊技术相比，我国的整体技术水平还很落后，国内在应用闪光焊焊接大型构件(如钢轨、汽车轮辋)时，闪光焊机还主要依靠进口。由上述闪光对焊机的发展可以看出，设备取决于工艺，因此为了制造出满足特定焊接要求的闪光对焊机需要对其焊接工艺进行研究。1．1．2闪光对焊的工艺特点根据工艺不同，可将闪光对焊分为连续闪光对焊和预热闪光对焊两种。连续闪光对焊焊接循环由闪光、顶锻、保持、休止等程序组成。其中闪光、顶锻两个连续阶段组成连续闪光对焊接头形成过程，保持、休止等是对焊操作中为形成牢固接头所必须的程序预热闪光对焊与连续闪光焊不同之处是在闪光阶段前增加了预热程序。闪光阶段是闪光对焊加热过程的核心。闪光开始时，由于焊件端面上存在微小的凹凸不平，只有小部分区域相接触，电流沿接触点流过，这些点上很大的电阻和电流密度使金属迅速升温熔化，熔化金属形成连接两个端面的过梁，由于过梁中部电流密度最大，不容易散热，使金属快速升温到沸腾温度，过梁内部产生蒸汽使其与表面之间形成巨大的压力差和温度差，有的过梁爆破飞出，形成绚丽的火花，闪光对焊由此得名。端面烧损的微区脱离接触，但工件仍在缓慢移近中，又在新的接触点上产生过梁并爆发闪光。由此可见闪光过程即是液体过梁不断形成和爆破的过程。另外闪光过程还可以烧掉焊接端面上的脏物和不平，降低焊前对焊件端面的准备要求；液体过梁爆破时产生的金属蒸汽和其他气氛(如CO、C02等)排挤大气，减少了端面氧化，形成自保护；闪光后期焊件端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和污染了的金属提供有利条件。当焊件对口及其附近区域获得合适的温度分布时即可进入顶锻阶段，此过程为一快速的锻击过程。开始时，动夹具突然加速使对口间隙迅速减小，过梁断面增大而不再爆破，闪光骤然停止，对口及邻近区域开始承受愈来愈大的挤压力。这一过程中焊件端口的液态金属被彻底排出，使焊缝中不残留由液态金属凝固而产生的铸造组织：排除了过热金属及氧化杂质，造成洁净金属的紧密贴合，提高焊缝接头的纯净度：对口和邻近区域在挤压力的作用下获得适当的塑性变形，促进焊缝高温金属的再结晶过程，从而形成牢固的焊接接头。预热阶段是预热闪光对焊工艺特有的，是闪光前期对焊件进行预热升温而使焊件达到良好焊接状况的步骤。预热可以提高焊件的端面温度，以便在较高的起始顶锻速度或较低的设备功率下顺利地丌始闪光，并可减少闪光留量，节约材料；预热时加热区域较宽，使顶锻时易于产生塑性变形，并能降低焊后的冷却速度，有利于可淬硬金属材料的对焊∞，5，61。闪光对焊焊接工艺的主要规范参数有：1、调伸长度L调伸长度是闪光对焊的一个主要参数，是指焊件伸出夹钳电极端面的长度。2、闪光留量△f闪光留量随截面积的增大而增加，一般选择略大于临界闪光留量，这样实际闪光留量稍有波动也不会影响温度分布，保证顶锻前温度分布的一致性。3、闪光速度vf除少量小截面焊接性良好的焊件外，一般均采用加速闪光。4、闪光电流密度Jf(或次级空载电压U20)对焊件的加热有重要的影响。它与焊接方法、材料性质和焊件端面尺寸等有关，通常在较宽的范围内变化。连续闪光对焊、导电导热性好的金属材料、展开形端面的焊件，Jf应取高值；预热闪光对焊、大断面的焊件，Jf取低值。例如，在额定功率情况下，低碳钢闪光时的Jf平均值为5-15A／ram2，最大值为20～30A／mm2；顶锻时J。(顶锻电流密度)为40-、-60A／mm2。在实际生产中，常常是给出次级空载电压U20，一般取在1．5～14V之间。选择原则是在保证稳定闪光的条件下，尽量选用较低的U20。5、顶锻留量△。由封闭间隙所需的距离、排除端面液体金属层所需的距离、补偿凹坑不平所需的距离和保证材料获得必要的塑性变形所需的距离等四部分组成。过小的顶锻留量将导致材料塑性变形不足而引起局部不能形成共同晶粒，导致力学性能下降。过大的顶锻留量将导致轧制纤维的严重扭曲而影响力学性能，严重时还可能会产生裂纹。6、顶锻速度V。顶锻的目的之一是将氧化物挤出接头，氧化物必须在接头冷却到某温度之前被挤出。通常V。略大些对获得优质接头有利。7、顶锻压力F。顶锻压力是为了达到预定的塑性变形量而施加的力，其值随材料的热强性能和加热温度分布而异。8、夹紧力Fc夹紧力Fc是为防止焊件在夹钳电极中打滑而施加的力。9、预热温度T，和预热时间h等。一般认为预热次数多些、每次短接时间短些有利于材料的均匀加热，但次数过多、短接时间过短则会导致预热过慢。基于所选择的焊接规范参数，预热阶段结束时要求沿整个焊件端面(尤其是展开形焊件，如板材等)得到均匀的预热，并达到所要求的温度值13,61。闪光阶段结束时必须满足对口处会属尽量不被氧化；对VI端面加热均匀；沿零件长度方向获得合适的温度分布：端面上有一层较厚的液态金属层等。顶锻阶段结束时对121及其邻近区域要获得足够且适当的塑性变形。闪光对焊焊接工艺的规范参数选择适当时，可以获得几乎与母材等性能的优质接头。化央渣及魏氏组织等缺陷影响焊接接头的拉伸及弯曲性能，使接头强度降低，脆性增大；而焊缝区的金相组织变化与焊缝区域的温度场、焊接工艺参数及焊缝区域出现的缺陷组织等多种因素密切相关，如果没有正常合格的金相组织，闪光对焊焊接接头的性能将受影响。钢铁研究总院瞵J对400MPa级超细晶粒Q235热轧带肋钢筋闪光对焊焊接接头的组织和性能研究发现其焊缝有轻微脱碳现象，组织以粗大针状铁素体和块状铁素体为主，只有少量珠光体存在，熔合线附近的晶粒也较粗大；焊缝硬度偏低，靠近熔合线的粗晶区硬度最高。对闪光对焊的系统性研究鲜见报道，本文拟对45热轧钢的闪光对焊焊接工艺及焊接温度场与接头组织、性能之间的关系进行综合研究。1．2焊接过程数值模拟概述焊接过程的研究主要体现在焊接热过程、冶金过程及焊接接头组织情况等几个方面，以往研究主要以试验手段为基本方法，其模式为“理论～试验～生产”，但大量的焊接试验增加了生产成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，引发了虚拟制造技术的热潮，这其中就包括对焊接过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现，为焊接生产朝“理论～数值模拟～生产”模式的发展创造了条件，使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。焊接数值模拟是以试验为基础并采用一组控制方程束描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得对该过程的定量认识，如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程。1、焊接热过程的数值模拟；2、焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟：3、电弧物理；4、焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟；5、焊接应力和应变发展过程的数值模拟；6、非均匀焊接接头力学行为的数值模拟；7、焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟；8、特种焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等；’9、焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟等。焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。近二十几年来，很多学者都对数值模拟技术在焊接中的应用进行了研究，取得了不少成果。国际上比较著名的学者，如日本大阪大学的上田幸雄教授长期从事焊接热弹塑性理论的研究，创建了“计算焊接力学”的新兴学科。美国MIT的K．Masubuchi教授在焊接残余应力和变形以及焊接结构分析方面有深入地研究。瑞典的L．Karlsson教授和加拿大的A．Goldak教授等在焊接热传导和热应力分析以及焊接接头组织性能预测方面作了许多研究并取得了不少成果。奥地利的H．Cerjac教授在计算机辅助焊接性方面进行了研究。日本的A．Matsunawa教授和M．Ushio教授分别在焊接熔池和电弧物理方面进行了深入地分析等，国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。国内在20世纪80年代初才开始焊接数值模拟的研究工作，近些年来也取得了不少成果。西安交通大学和上海交通大学较早在焊接传热和热弹塑性应力分析方面作了许多工作近十年来焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展，研究工作已普遍由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的宏观尺度的模拟进入到以研究组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段；由单一的温度场、电场、流场、应力应变场、组织模拟进入到耦合集成阶段；由共性通用问题转向难度更大的特定问题，包括解决特种焊接模拟及工艺优化问题，解决焊接缺陷消除等问题；由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节集成等。1．3焊接温度场数值模拟的意义及研究状况焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说一切焊接物理化学过程都是在热过程中发生和发展的，例如焊接温度场决定了焊接应力场和应变场，还与冶金、结晶、相变过程有着不可分割的联系，成为影响焊接质量和生产率的主要因素之一，因此焊接热过程的准确测量和计算是进行焊接冶金分析、焊接应力应变分析和对焊接过程进行控制的前提。国内1981年西安交通大学唐慕尧等人首先编制了有限元热传导分析程序，计算了薄板焊接二维准稳态温度场，计算中未计及材料热物性的非线性及工件表面的热损失。之后上海交通大学在焊接热传导数值分析方面作了许多工作，陈楚等人提出了求解非线性热传导问题的变步长外推法，建立了焊接温度场的计算模型和相应的计算机程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析，并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型，并在此基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好。西安交通大学的段权、张新国等人习利用有限元方法对焊接接头的非线性热传导问题进行研究，得出焊接热循环曲线，非线性数值分析表明在金属相变温度附近采用经典线性方法的结果偏差较大，并指出在模拟焊接接头温度场分布时必须考虑材料热传导参数的非线性特征。1．3．2电阻焊焊接温度场数值模拟的研究进展由于闪光对焊的热过程很复杂，目前这方面的文献较少，相关方面对于点焊及电阻对焊的研究较多，同样作为电阻焊方法，它们有一些共同点。Greenwood早在1961年运用有限差分方法建立了第一个描述点焊过程的轴对称热传导模型。该模型考虑了温度对材料物性参数的影响和工件内部产生的焦耳热，并预测出快速加热时将在电极周边下方形成环状熔核，指出早期阶段高温区集中于电极与工件接触区域的边缘，这一结论在后来得到了Kmser等人的试验验证，但该模型没有考虑接触电阻和熔化潜热等因素。ES．Myers等人认为这样的简化将带来很大的误差，并指出任何准确的点焊温度场数值模拟都要在充分了解接触电阻行为的基础上才能成为可能。后来，J．Ruge也发表了类似的数值模型。BenRly和Greenwood等人研究了中碳钢点焊过程中接触电阻对温度场分布的影响，指出接触电阻仅在加热初期起作用，并且随着加热的进行，接触电阻很快稳定下来。1967年，W．Rice等人建立了一维差分模型对碳钢点焊过程进行研究，指出接触电阻对点焊的热行为影响不大，它在焊接过程中很快达到恒定值f矧。H．A．Nied在1984年提出了一个电阻点焊过程的有限元模型，对电阻焊作了开创性的工作。他建立了完整的电～热～力三者耦合的数学模型，该模型可以用来分析压力和焊接循环，预测温度分布、热膨胀及其应力和熔核的几何尺寸等，加深了对点焊过程的认识。此后Tsai，Browne，Zajac等都采用有限元的方法对点焊过程作了进一步的研究。1989年国内吴水海采用了电热耦合有限元法对点焊时电位分布和温度分布进行了研究。1991年哈尔滨工业大学曹彪建立了低碳钢点焊的有限元模型，考虑了点焊过程中接触面的变化和接触压力对接触电阻的影响，但未考虑变形对热、电分析的影响。吉林工业大学王春生等人建立三维有限差分模型分析了异质材料点焊的热、电耦合行为及点焊熔核的形成过程。2021年上海交通大学龙昕等人建立了镀锌钢板电阻点焊的轴对称有限元模型模拟了电阻点焊过程中电极与工件的温度场分布，模型中采用标定法来解决接触电阻产热的问题，运用生死单元技术解决镀锌钢板焊接时镀锌层熔化的模拟问题。2021年清华大学常保华采用基于显微接触理论的接触电阻模型对点焊过程进行了模拟。天津大学吴志生等用数值模拟的方法研究了铝合金点焊温度场及电极导电导热性能对电极端面温度的影响。吉林大学杨黎峰p”对铝合金点焊熔核流场及热场进行了有限元分析。相对于电阻点焊而言，电阻对焊的研究起步较晚，电阻对焊在顶锻阶段具有较大的塑性变形，所以增加了问题的复杂性。为此Dawson率先采用有限元对不锈钢棒的电阻对焊过程进行了模拟，随后Eggert对不锈钢棒、Nied对钛合会板的电阻对焊进行了模拟，选用的都是六节点三角形单元、纯粘塑性材料模型。模型中忽略了应变对材料强度的影响。2021年西安交通大学吴丰顺等人采用电、热、塑性变形耦合的有限元法，模拟了直流电阻对焊过程，探讨了变形过程中电场、温度场、变形之间以及变形过程中界面夹杂物消除率和变形之间的相互关系。闪光对焊尽管与点焊和电阻对焊有相似之处，但其焊接过程中有电弧现象、材料的熔化、物质的烧损及较大的塑性变形等增加了问题的复杂性。目前关于闪光对焊温度场数值模拟的文献较少。基于其在铁轨接长方面的应用，2021年中铁山海关大桥集团p3J对高锰钢闪光对焊的温度场进了数值模拟，建立了轴对称的有限元模型，考虑了随温度变化的热物理性能参数及接触电阻，利用单元生死技术模拟了物质烧损过程，提出了热电耦合的模拟方法。西南交通大学的焊接研究所J对U，lMn钢轨对焊顶锻阶段的热、力行为进行了模拟。北京工业大学的王维斌对超细晶粒钢直流闪光对焊过程进行了研究，他根据直流电阻阳光对焊的焊接特点，以连续介质电热原理为基础，建立了可以表示闪光对焊的物质烧损和传热的电热耦合模型，该模型可以准确的分析闪光对焊过程温度场与分布特征，并最终实现了整个焊接过程的电、热、力顺序耦合分析。从目前发表的资料而言，国外对闪光对焊温度场的模拟基本无纪录。1。4焊接接头微观组织的研究方法及研究状况焊接热影响区平均晶粒尺寸和晶粒大小的分布情况是焊接接头极为重要的微观特征，这一特征直接决定着焊接件的焊接接头诸如强度、韧性、硬度、抗腐蚀性及冲击韧性等许多性能。因此对焊接热影响区晶粒大小的分布情况进行研究就显得非常重要。为了了解焊接过程对材料性能的影响，利用数值模拟的方法可以动态的再现焊接接头的组织转变过程，随着人们对焊接过程的逐步认识和计算机技术的发展，过去被认为难以实现的焊接接头组织模拟受到了前所未有的关注，并取得了令人振奋的结果。1．4．1焊接接头微观组织的研究方法国内外较早普遍采用的方法是利用模拟焊接热影响区连续冷却转变(SimulatingHAZContinuousCoolingTransformation，简称SHCCT)曲线对焊接热影响区的微观组织及性能进行研究，这种方法充分利用SHCCT图的特点，无需大量的试验，但其使用面窄，通用程度不够，而且SHCCT图的建立本身也很复杂，需要高精度的测试仪器和大量的试验工作。另外H．Cerjak等开发的综合性计算程序“HAZ．CALCULATOR”，提供了大约50个冶金计算法，可用于各种状态的低合金钢的性能研究，这种方法建立在大量试验的基础上，可靠性高，但费用较昂贵。随着对焊接热动力学认识的深入，利用建立数学模型的方法对焊接热影响区的组织演化进行研究变得切实可行，并越来越受到重视。这种方法使用面广，可在计算机上实现，试验成本低，而且通过建模可以在更高的水平上加深对焊接热影响区物理化学过程的理解。目前模拟焊接接头微观组织的方法主要有确定性方法和概率性方法。确定性方法是指在给定时刻，一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速率都是确定的函数，该函数可通过实验求得。运用确定性方法建立的模型可成功预测微观组织的特征，如等轴晶的平均尺寸和柱状晶的纵向生长等。王永生等人p6J从晶粒长大的基本理论出发，考虑了焊接条件下的影响因素，综合焊缝金属合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，建立了一个在连续冷却条件下基于碳原子扩散速率的低合会钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸的计算模型。华中科技大学的张国栋等人印l建立了基于夹杂物惰性界面非扩散形成的针状铁素体连续转变动力学模型，该模型可以用来研究焊缝中针状铁素体的转变特征，包括转变温度范围，转变程度以及与焊缝化学成分、工艺参数、相变温度之间的关系，相变过程中的最大可能转变趋势等。上述方法多是基于相变热力学和相变动力学建立确定性模型来实现组织转变的模拟，忽略了与晶体学相关的因素，无法反应晶粒生长的几何和拓扑情况。因此有必要应用统计的方法来预测焊接热影响区晶粒生长及最终晶粒大小。基于概率性思想提出了随机性模拟方法，即蒙特卡洛(MonteCarlo，简称MC)方法和元胞自动机(CellularAutomata，简称CA)方法避免了上述问题。MC法与CA法模拟晶粒长大时，在能量的计算方法上均是以晶粒长大物理原理为基础，按照概率的方法通过自由能增量进行计算。在微观组织模拟时，MC方法是以界面能最小为原理、概率统计理论为基础，并以随机抽样为手段对晶粒生长过程进行模拟。MC法没有分子动力学中的迭代问题，也没有数值不稳定的情况，确保了其收敛性，MC法的收敛速度与问题的维数无关，这是它的优点，且其误差容易确定。另外，MC法的计算量小，所需机时少。CA法最早是由VonNeumann和Ulam作为生物机体的一种可能的理想模型而提出的，随后它们被逐渐引入到数学、物理和材料科学等更加广泛的领域。其在材料科学中的应用也是近几十年才发展起来的。CA法是物理体系的一种理想化，是一类离散模型的统称，或者可以说是一种建立模型的基本思想和方法，该思想是将研究整体离散成有限个胞，将时间离散成时问步，每个胞的状态随时J’日J的变化按一定规则变化，变化中只受相邻胞的影响实现局部的相互作用。近年来发展了一种新的模拟方法，即相场法也逐渐成为人们的研究热点。相场法是一种计算技术，通过引入相场这一新变量而得名。相场理论是建立在统计学基础上，并以Ginzburg．Landau相交理论为基础，通过微分方程反映扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用。相场方程的求解结果可以描述金属系统的固液界面的形态、曲率以及界面的移动。目前相场法主要应用于模拟凝固过程的枝晶生长情况，还没有被用于焊接接头的组织模拟Lj”。1．4．2焊接接头微观组织MC模拟研究进展MC方法在焊接接头微观组织模拟中的应用最广泛。该方法适用于研究材料中的随机过程及现象，是将研究对象划分为很多小的单元，每个单元为一个单晶，给每个单元赋值为其取向数，通过计算与取向值对应的相邻单元间的能量变化，确定晶粒的长大，通过系统总能量最小化来完成结构的演化模拟。MC方法是在20世纪40年代首次作为一种独立的科学方法被提出来的，并首先应用于核武器的研制、粒子传输等领域。1983年以Anderson、Srolovitz等为首的美国EXXON研究组首先提出了二维MC算法，应用于二维的晶粒长大动力学模拟，后又将其应用于模拟晶粒长大的尺寸分布、拓扑学和局部动力学研究。从此引起了广大学者的重视并进一步将其应用于再结晶、多晶材料的晶粒长大、有序一无序畴转变等多种金属学和物理学的仿真过程。Brown和Spittle最先利用MC方法建立了晶粒长大的概率模型。后来的研究者PanpingZhu和Smith考虑了材料的界面能与体积能，并结合连续性方程将Brown和Spittle的方法进行了改进。1994年Paillard等人应用MC技术在二维网络上模拟铁硅合金的正常和异常晶粒生长，得出用MC法模拟晶粒长大的可行性。同年Radhakrishnan和Zacharia提出了改进的MC算法，以获得MC模拟与晶粒尺寸和时间之间的关系。1995年他们使用改进的MC模型深入研究焊接热影响区的晶粒结构及边界的钉扎作用，从此利用MC方法模拟焊接热影响区微观组织得到了迅速发展。1996年Gao等人[4H提出了2个不同的模型，基于实验数据(ExperimentaldataBasedModel简称EDB)的模型和晶界迁移(GrainBoundaryMigrationModel，简称GBM)的模型来模拟金属、合会的正常晶粒长大，使MC模拟能够应用于整个焊接过程，并结合MC方法将GBM模型应用于马口铁再结晶区等温晶粒长大的分析，还探讨了EDB模型在连续加热的钛合金晶粒长大中的应用，并进一步将两种模型应用于实际工艺生产过程中，得出了等温过程和连续加热过程中晶粒长大的规律。此后的学者对焊接热影响区晶粒长大模拟的研究均是基于这两种模型进行的。国内学者对MC方法应用于晶粒长大的模拟也进行了不少研究。1994年陈礼清等利用平面三角形点阵及MC模拟方法较好的重现了二维多晶体晶粒的长大规律，淬态生长指数的模拟值为O．45，基本符合理论预测值。钟晓征，陈伟元等[43-45l以MC法为基础，使用改进的Q．Statepotts算法对多晶材料的正常和异常晶粒长大过程进行可视化模拟，并对正常晶粒生长形貌演化也进行了可视化研究，不同模拟时间下正常晶粒的形貌演化图与生长动力学相符合，逼真度较好，且生长指数模拟值达到O．47，且改进算法能有效减少仿真计算时间，便于在普通的实验环境上实现正常晶粒生长形貌演化的计算机模拟。宋晓燕等利用三维MC技术模拟了较完整的单相材料正常晶粒长大的过程，获得了晶粒长大动力学和拓扑学的全面信息。山东大学张继祥等人也对现有的MC法作了进一步的改进，得出了更加符合实际物理过程的择优算法。近年来对焊接组织及热影响区的模拟主要集中在纯金属方面。莫春立等人利用EDB模型对单相铁素体不锈钢的焊接HAZ晶粒长大过程进行了动态模拟，很好地反映了晶粒长大的动力学过程，并预测了HAZ中晶粒的分布以及温度梯度对晶粒长大的影响。屈朝霞等结合大量的焊接热模拟试验，建立并确定了400MPa新一代钢铁材料脉冲MAG焊的焊接HAz晶粒长大动力学方程，并在此基础上绘制出了新一代钢铁材料焊接HAZ的奥氏体晶粒长大图。陈东等人通过MC模拟与理论分析相结合的方法对超级钢TIG焊HAz奥氏体晶粒长大的过程进行了研究，综合考虑了温度梯度、晶界液化及析出相粒子等因素对HAz奥氏体晶粒长大的影响。就已经对高强度合金钢轨闪光对焊的显微组织进行了研究15“。国内北京工业大学材料科学与工程学院与北京钢铁研究总院合作L321对Q235C超细晶粒钢闪光对焊温度场进行有限元模拟的基础上，考虑了晶粒长大动力学及温度梯度的影响，利用EDB模型将MC方法应用于计算闪光对焊接头焊接HAz晶粒的大小及分布，同时研究了接头中温度梯度对奥氏体晶粒长大的影响，确定了一次奥氏体晶粒度与温度梯度的关系。本文拟结合闪光对焊焊接HAz实际金相组织的测量，采用上述方法建立合理的模型模拟闪光对焊焊接热影响区晶粒的长大及分布，再现焊接接头的晶粒演变过程。第二章闪光对焊焊接工艺研究与分析闪光对焊作为一种固相焊接的方法，是在热～机械(力)联合作用下进行的，通常比熔化焊的工艺条件好，在交通、建筑等行业有着广泛的应用。合理的焊接工艺参数是实现高质量焊接的重要条件。本章鉴于闪光对焊技术的工艺参数繁多，采用正交试验设计的方法，通过适量的试验次数来确定轴对称件45钢较优的闪光对焊焊接工艺参数组合，并反映出各参数组合之间的内在关系。利用单一水平正交表L9(34)进行试验方案的设计，根据第一章中叙述的闪光对焊的主要规范参数，选择适当的焊接参数为试验因子，每个因子选择三个位级数进行45钢的闪光对焊焊接工艺研究，以焊接接头的抗拉强度为考核指标，将焊接接头的力学性能符合要求的组合最终确定为其较优的焊接土艺参数。2．1试验设计概述试验设计(ExperimentalDesign)是以概率论与数理统计为理论基础，经济科学地安排试验的一项科学技术，其主要内容是讨论如何合理安排试验和正确分析试验数据，从而达到尽快获得优化试验方案的目的【52】。试验设计能从影响试验结果特征值(指标)的多种因素中判断出哪些因素显著与不显著，并能由此推导出预测数学模型，对设计能达到的指标值及其波动范围给以定量的估计。常用的试验设计方法有：正交试验设计法、均匀试验设计法、单纯形优化法、双水平单纯形优化法、回归正交设计法、序贯试验设计法等。本章采用了正交试验设计方法对闪光对焊焊接工艺进行研究分析。目前在材料研究领域中正交设计和均匀设计是最主要的试验设计方法，它们分别用于热处理、铸造、焊接、材料开发和表面处理等方面，基本涵盖了材料研究中的各个领域，两种方法各有所长，给研究者提供了一定的便利。正交试验法是在实际经验与理论认识的基础上，总结出的一种只需做少数次试验而又能反映出试验条件完全组合内在规律的方法，这种方法的数据点分布均匀，可用相应的级差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，从而引出许多有价值的结论。2．1．1正交试验设计法正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它利用规格化的表格，即正交表，科学的挑选试验条件，合理安排试验。其优点在于能从很多试验条件中选出代表性强的少数次条件，并能通过对少数次试验条件的分析，找出较好的生产条件即最优或较优的试验方案。用正交表安排多因素试验的方法就称为正交试验设计法。正交试验设计中的基本概念主要有考核指标、试验因素及因素位级数三个。1、考核指标是在试验设计中，根据试验目的而选定的用来衡量试验效果的量值(指标)。定量或定性的考核指标均可。考核指标可以是一个或数个。本章采用闪光对焊焊接接头的力学性能作为考核指标。2、试验因素指当试验条件变化，试验考核指标也发生变化时，影响考核指标取值的量，也称为试验因子，一般记为A，B，C等，对应于正交表的列标号。本章确定45钢闪光对焊工艺参数时选用调伸长度、输出电流百分比(闪光电流密度)、闪光时间、次级空载电压等四个焊接参数为试验因素。3，位级指试验因素所处的状态。一般试验方案是由若干个试验因素所组成的若干组合，因素在试验方案中变化的状态，就称为位级(水平)。本章根据经验值及试验条件确定每个试验因素有3个位级。2．1．2正交表原理及其选择正交表是运用组合数学理论在IF交拉丁方的基础上构造的～种规格化的表格。正交表的符号是：Ln(j1)其中：L为正交表的代号；n为正交表的行数(试验次数、试验方案数)；j为正交表中的数码(因素的位级数)；i为正交表的列数(试验因素的个数)；N=j*i为全部试验次数(完全因素位级组合数)。常用的正交表有L4(23)、L8(27)、L16(215)、L9(34)、L16(45)等。正交表是依据正交性原理设计的，其正交性主要体现在整齐可比性和均衡分散性两个方面。l、整齐可比性在同一张正交表中，每个因素的每个位级出现的次数是完全相同的。由于每个因素的每个位级试验结果中与其他因素的每个位级参与试验的几率是完全相同的，这就保证各个位级中最大程度的排除了其他因素位级的干扰，因而能最有效地进行比较和做出展望，容易找到好的试验条件。2、均衡分散性在同一张J下交表中，任意两列(两个因素)的位级搭配(横向形成的数字对)是完全相同的。正交表安排的试验条件均衡地分散在因素位级的完全组合之中，因而具有很强的代表性，容易找到好的试验条件阮531。正交试验设计法之所以具有很高的效率，J下是由于正交表的这蹲个特性，在应用正交表时必须要用这两个性质对所用的正交表进行检查、验证。选择合适的正交表是试验能够成功进行的关键一步。正交表的选择主要考虑以下几个方面：考虑因素的个数：一批允许作试验的次数；有无重点考察的因素。实际上选择正交表时也和考虑因素的位级个数有关，即位级数的确定与正交表的选择这两个问题是相互牵连的，经常放在一起考虑。2．2闪光对焊焊接工艺试验方案的确定设计好正交试验方案是发挥正交试验优越性的首要环节。进行正交试验首先要明确试验目的，确定考核指标，然后挑因素，选位级，确定因素位级表，进而选择适宜的正交表。本章对直径为m16mm，长度为100mm的45钢闪光对焊焊接工艺参数进行优化研究，考核指标为焊接接头的抗拉强度，单位为MPa，它越大说明焊接效果越好，所选择的工艺参数越优。针对第一章中对闪光对焊主要焊接工艺参数的介绍，本章拟选择调伸长度L、输出电流百分比Jf(闪光电流密度)、闪光时间t、次级空载电压U20等四个焊接参数为试验因素，不考虑各因素之间的交互作用，即选用同位级正交试验方案，每个因素确定3个位级，具体因素位级如表2．1，各试验因子的位级取值根据经验手册及试焊结果确定。基于前述正交表的选用标准确定利用单一水平正交表b(34)进行试验方案的设计。正交试验的设计方案确定好后，就可依此进行试验了，总共进行9组试验。试验过程一定要严格按照方案规定的条件组合进行，不允许更改条件。试验顺序没有硬性规定，试验操作要严格认真并准确地记录好每号试验的结果，互相之间不能混淆。2．3闪光对焊焊接工艺试验2．3．1试验材料焊接工艺试验中使用的材料为45钢，其化学成分如表2．3所示f54】：2．3．2试验设备试验中的闪光对焊机是由广卅I市联十邦机械制造生产的UN80S型闪光对焊机，焊件夹紧装置为气缸加压，顶锻系统为手动杠杆和滑动导轨。为保证焊机正常工作，附属设备有与夹紧装置相连的空气压缩机即2021系列V-0．4／10型空气压缩机、电源的供电装置及对铜电极进行冷却的水循环系统等。UN80S闪光对焊机具体技术参数及焊机外观分别如表2．4和图2．1所示。表2．4UN80S闪光对焊机技术参数焊接接头及母材抗拉强度测量用拉伸试验机为长春试验机厂生产的WE．30A型液压式万能试验机，最大负荷300kN，圆试样夹持直径范围ep5～24mm。试验机外观如图2．2所示。2．3．3焊接工艺试验为了保证达到更好的焊接效果，首先要进行焊前准备，主要工作是对焊件进行清理，如焊接端口表面加工平整、去除氧化膜、油渍等。尤其焊接端口表面加工平整，保证焊接开始时有足够的接触面积，确保焊接端面加热均匀；去除焊件表面的氧化膜及油渍等以保证电极与焊件之间接触良好，保证电流通畅使焊件得到良好的加热。另外还需对UN80S闪光对焊机各部分进行调试，保证顶锻系统、夹紧装置及冷却水循环系统等工作正常，调整四个夹紧电极的V形槽保持同心等。按照表2．2所制定的试验计划对直径为由16mm，长度为100mm的45热轧钢共进行9组闪光对焊焊接试验，每组试验焊接四个试样分别进行接头抗拉强度的测量。由于UN80S闪光对焊机的顶锻系统采用手动加压，在焊接的过程中，要注意将顶锻力等参数固定为同等条件。2．3．4焊接接头的拉伸试验按照GB2651--89《焊接接头拉伸试验方法》将焊接接头加工成拉伸试样在WE．30A型液压式万能试验机l上进行拉伸试验。具体加工尺寸如表2．5和图2．3所示。其中Ls为焊后热影响区最大宽度。参照上述标准，根据实际条件加工尺寸如下：do=10mm、D=16mm、h=40mm、r=5mm。拉伸试验前在焊接试样的焊缝处划线，以方便确定拉伸断裂的具体位置。表2．5焊件拉伸试样标准加工要求对母材抗拉强度的考察，具体尺寸按照GB6397--86《金属拉伸试验方法》进行加工，见表2．6及图2．4。母材加工尺寸为：d=10mm、l=100mm、D=16mm、h=40mm、r=5nun。表2．6圆形金属拉伸试样标准加I：要求2．3．5试验结果及分析焊接接头拉伸后的部分试样外观如图2．5(a)、(b)所示。在试验过程中只有3％的试样断于焊缝处，符合无复试要求。图2．6(a)、(b)分别表示对焊接接头进行拉伸时，断裂于夹持附近位置及焊缝处的应力o～应变￡曲线。图2．6(a)的o～￡曲线变化分析如下：1、弹性阶段最开始阶段随着应力增加试样产生变形，应力与应变两者成比例线性关系，此过程为弹性阶段，即符合E=o／e虎克定律；2、屈服阶段随着应力增加进入屈服阶段后，即位错开始滑移、交滑移和位错源增值等，应力保持基本不变而应变不断增加，此时对应的应力为屈服极限；3、加工硬化阶段继续加载，试样继续变形，进入强化及冷作硬化阶段，即位错缠结、增加应力迫使位错增值源继续启动产生新位错并滑移，应力到达最高点即强度极限Ob；4、裂纹萌生、扩展与试样断裂阶段随后试样局部发生剧烈收缩，变形都在缩颈处发生，颈缩处变得越来越小，局部真实应力不断增大，直至试样被拉断，即试样应力集中处、位错集中处等部位萌生裂纹、裂纹扩展直至试样断裂的过程。5、试样断裂断面的形貌出现颈缩时，颈部变化的几何形状使该处的单轴应力状态变为复杂的应力状态，即除正应力外还有切应力分量，试样最终常以锥杯状的断口断裂，如图2．5(a)中所示，即材料的外层是剪切破坏，内部是拉伸破坏，试验结果表明试样的断裂处均离焊缝处较远。图2．6(b)的o～￡曲线显示试样在加工硬化阶段已发生断裂，试样的断裂形貌如图2．5(b)下面试样所示。试验结果表明该试样ob值不符合强度要求，断口断裂于焊缝处且比较齐平，表现为脆性断裂，断面上存在一长轴约1．75mm、短轴约1．1mm的椭圆形空洞缺陷，分析此缺陷产生的原因为焊接顶锻速度较低，导致焊接对口处金属发生氧化，液体金属及夹杂物没有被完全排挤出所致。第三章闪光对焊焊接温度场测定及其有限元分析闪光对焊焊接过程主要包含了端面金属熔化、液体过梁不断形成和爆破的闪光过程及快速施加顶锻力的顶锻过程，它是一个涉及电弧干扰、材料熔化凝固、物质烧损和热量传导等的复杂过程。焊接热过程贯穿整个焊接的全过程，加热或冷却过程金属的相变、焊接应力与变形等都是在焊接热过程中发生和发展的，高温停留时间、冷却速度等热循环参数会对焊件的组织状态、力学性能、氢扩散以及焊接冷裂纹产生重要影响。因此对焊接温度场的分析是研究焊接过程机理以及其他参量场的前提。通常对焊接温度场的研究有两种途径：其一是建立在理论基础上的温度场计算；其二是实际测量温度场。闪光对焊的焊接时间极短，在高度集中热源的作用下把大量的热传给焊件，其热过程具有很强的瞬时性；另外焊接热源主要集中在对口处使焊件的加热和冷却极不均匀，形成梯度很大的温度场；材料的热物理性能参数随温度变化，是温度的函数；焊接冷却过程中伴随相变产生相变潜热等。可见焊接过程十分复杂，至今所使用的数学分析方法几乎全是建立在很多假设和简化的基础上，由于这些假设并不完全符合焊接实际，因此数学分析的各种焊接传热学计算必须与温度场的实际检测相结合才能达到更好的效果。本章拟采用热电偶测温的方法对45钢轴对称件闪光对焊焊接过程的温度变化情况进行实测，确定实际焊接加热及冷却过程的温度变化规律：并进一步利用有限元分析软件ANSYS对闪光对焊热电耦合过程的温度变化进行数值模拟，然后将模拟结果与实测结果进行比较分析。3．1闪光对焊焊接温度场的测量目前检测温度的方法很多，从感受温度的途径主要分为接触法和非接触法两大类。接触测量法测温时，感温元件(传感器)直接与被测介质接触，测量方法比较简单且直观，可靠性也较高，是应用最多的一类。但是利用这种方法进行温度测量时，由于多方面因素的影响，其测温精度较低。接触法测温仪表或元器件有热电偶、液体温度计、电阻式温度计等。随着生产和科研实践中对测温精度要求的提高，某些情况下不允许测温元件接触被测物体，从而发展了非接触测温方法。非接触测温仪表或元器件主要有亮度温度计、辐射温度计、比色温度计等[56,57]。本章采用接触测温法对45钢轴对称件闪光对焊的温度分布进行测量，利用的测温仪表或元器件为镍铬(Nicr)～镍硅(Nisi)热电偶。3．1．1热电偶测温原理两种不同材质的导体(或半导体)A和B连接在一起组成闭合回路，如图3．1所示。如果对接点1加热，使得接点1和2的温度不同，例如T>To，在回路中就产生电动势，从而形成电流，这种现象称为热电效应或塞贝克效应，该电动势通常被称为热电势。热电偶就是利用这个原理进行温度测量的。A、B称为热电极。接点1通常利用焊接的方法连接在一起，测温时将它置于被测温度场中，称为测量端(或工作端、热端)。接点2一般要求恒定在某一温度下，称为参考端(或自由端、冷端)。热电偶工作时的热电势由接触电势和温差电势两部分组成。异种材质热电极接触因其内部的电子密度不同，在接触处电子扩散形成电场，其方向与电子扩散方向相反阻止扩散，当扩散作用与电场的阻碍作用相等时，在两接触点处分别形成接触电势导致接点间产生电势差；温差电势是电极两端存在温度梯度而产生的电势，高温电极的电子能量大于低温端的电子能量造成电子的定向向低温端移动，从而在电极两端形成电势差，即温差电势。可以知道当电极材料一定时，热电势只与两端温度有关，即EAB(T，To)=EAB(T)一EAa(To)(3．1)热电偶的热电势是热电偶两端温度(T和To)函数的差。若冷端温度T0保持不变，则为T的单值函数。通过测出热电势的值即能间接知道测量端的温度[57,58】。由于热电偶能进行温度～电势的转换，而且其体积小、测温范围广、物理化学性能稳定，因此在温度测量中获得广泛的应用。热电偶的热电势与温度关系特性可以用三种方法表示：列表法、数学表示法、作图法15”。通常使用的是列表法，即“分度表”。分度表是通过大量的实验测试得到，而非理论计算所得。首先以标准铂热电极为对比基准测出热电极材料在一系列温度点的电势值，然后进行数学函数拟合，使之能表示任意温度下的电势～温度关系。鉴于同种热电偶工作范围相对宽，通常一个函数式无法准确表达整个范围的电势～温度关系，即采用分段不同多项式拟合，楣邻两个多项式连接处必须光滑过渡，然后利用计算机计算出每度的电势值得到对应热电偶的分度表。数学表示法就是用一个公式把热电偶的热电势与温度的关系表示出来，一般是制定分度表时计算得到的。所谓作图法就是把热电偶的热电势与温度的关系用曲线在坐标纸上表示出来，通常将其称为热电势与温度关系特性曲线。本章利用列表法即直接查表法实现热电势到温度的转换。3．1．2热电偶测温实验利用前述正交试验法得到的较优焊接工艺参数组合进行焊接，通过热电偶测温的方法对直径为016mm的45热轧钢闪光对焊焊接过程的温度进行测量，得到其径向、轴向温度分布规律及各测量点温度随时间的变化规律。整个热电偶测温系统主要包括焊接、热电势信号采集放大和数据收集等三部分。焊接部分主要包含闪光对焊机系统及被焊接件。热电势信号采集放大部分包括测温仪器、信号放大电路等两部分。热电偶可实现将温度量(。C)转换为电压量(mV)，放大电路可同时实现对采集参量的放大及降噪减少干扰等功能。数据收集部分实现对电压量的读取、保存及显示。3．1．2．1热电偶的选择及绝缘保护措施闪光对焊过程的温度测量采用镍铬一镍硅热电偶，分度号K，其中镍铬一端为正极，镍硅端为负极，该种热电偶具备性能稳定、抗氧化能力强、电动势比较大、相对线性度好、测温精度比较高等特点，可测量0--13000C的温度，长期工作温度为0-'900。C，在工业上应用较广泛。热电偶测温时须使两热电极间绝缘，热电极与测温孔壁绝缘，否则最终测得的温度数据无效。本章实验中对焊接好的热电偶首先用专用双孔陶瓷套管穿过，避免了热电极之间以及与盲孔壁的接触，同时减少了空气介质对热电极的干扰。确保陶瓷套管外径与盲孔直径相当，以防止测温时热电偶从盲孔脱出，降低外界空气对盲孔的冷却作用，有利于保证实测数据的准确性。焊接部分与数据收集及信号放大部分距离较远，裸露于空气中的热电偶丝及补偿导线上套绝缘套，以避免偶丝之间的接触，隔绝空气及电磁对热电偶丝的干扰。尽量延伸热电偶到温度稳定的环境中，冷端与放大装置相连。3。1．2．2温度～电压信号放大系统热电偶将温度变化转换为电压量后进行输出。鉴于所得电压信号很微弱，只有几十毫伏左右，需进行放大，为此设计了放大电路，该电路还应具备降噪抗干扰等作用。实际设计放大电路如图3．2所示，集成运算放大器的型号为LM324N，其内部结构图如图3．3，包含了四个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，芯片正常工作采用15V直流稳压电源供电。放大器的工作原理图见图3．4，放大倍数B=RF瓜l。65，其中电容Cl(2．2pF)与共地点相连，起到滤波的作用。经测试该放大电路的放大效果及滤波性能均能满足本实验要求。3．1．2．3温度～电压数据采集图3．4放大器工作原理图数据采集显示部分将采集到的电压量进行实时显示、记录与保存。实际操作中采用示波器来实现，收集得到的电压量单位为v。实验中采用的美国Tektronix公司生产的TDS2024型示波器，彩色LCD显示，4路通道数，带宽为200MHz，取样率2．0GS／s。3．1．2．4测温点位置确定采用热电偶对焊接过程的温度进行测量，首先需确定测温点的位置，将热电偶热端深入到焊件内部，即在焊件的特定位置开盲孔。一般来说，盲孔开得太多不可避免的会破坏温度场本身，使检测结果与真实结果存在较大的误差；盲孔太少，又不足以反映焊接接头的温度值及变化规律。因此根据实际情况合理地选择盲孔位置。本实验的目的是为了获得焊接接头径向及轴向不同位置的温度变化特性，对于轴对称焊接件进行闪光对焊，其温度场认为是对称分布即：1、焊接端面即横截面上温度分布以圆心呈对称分布；2、闪光对焊的两对焊件材质及形状大小均一致，轴向温度以焊缝为界呈对称分布。根据轴对称件的对称特性，测量焊接件一端温度即可得到整个焊接接头的温度分布情况。试验中考虑到闪光对焊焊接时的调伸长度15mm，冷却电极宽度约为30mm，确定了测温点位置，具体距焊接端部分别为3tm、6m、9mm、12mm、15rm、32mm、35mm、44mm和深度分别为2mm、4mm、8mm的盲孔，盲孔直径为中2ram。实验中选用热电偶的陶瓷绝缘套管外径为01．96mm，保证所有盲孔轴线垂直于焊件的中轴线，热电偶安装必须牢固且保证热电极热端与孔底接触。这样的测量结果基本可以说明焊接接头不同位置的温度分布及变化趋势，从而进一步找出其中的变化规律与区别。焊接件上各测温点的实际分布情况如图3．5所示。具体做法为：每4个孔列为一组，孔深相同，孔间距为3mm，每个焊接件上钻3～4组孔深不同的孔。距离端面6mm的孔离焊接端口最近，既保证了足够的端面烧损留量，避免热电偶的损失，又保证能测得接近金属熔点的较高温度。3．1．2．5测温试验轴对称件闪光对焊焊接测温系统的构成是利用陶瓷套管绝缘保护的一级测温精度的镍铬～镍硅热电偶直接插在盲孔里面，热电偶冷端通过补偿导线与放大电路连接，最后放大系统与数据采集系统相连。本实验中对温度的精度要求不高，实验过程中环境温度基本保持在25。C左右，首先对示波器4路表笔进行校正，测量室温下各自的读数，作为最终测量结果的误差补偿Ec，实验过程中将其作为中间量，测温点实际温度对应的热电势为测量得到的热电势再加上误差补偿的和，即：E实际(r，0。C)=E测量(丁，25。c)+点0f为了达到试验的目的，后期还需利用列表法进行电压～温度的数据转换及采用数学方法实现温度数据平滑处理等。3．2温度测量结果及数据处理除对实验结果进行电压～温度数据转化外，还需利用数学方法进行数据平滑处理及曲线方程的拟合分析温度变化的规律。通过图中各曲线分析可明显看出各点的焊接热循环过程特点：l、焊接电源接通，即开始焊接的闪光阶段，各点温度升高，距离焊接端面最近的位置，温度最先达到峰值，由于热源主要集中在焊接对1：3处，且焊件本身的热传导要有一个过程，焊接结束后距离焊接端面较远的位置温度还有一个升高过程，随距离的不同温度升高所需的时间也不同，且距离焊接端口越远的位置达到的峰值温度也越低。2、焊接结束，焊接端口处的温度首先开始降低，其他位置的温度首先升高到最高温度才开始降低，随距焊接端面距离的不同，开始降温的时刻各不相同。3、对于焊接件上的不同位置，其升温速率及降温速率各不相同。4、通道4N量的温度曲线与另外三条差异较大，主要因为该测温点位于冷却电极下，开始时受到冷却电极的限制，其温度升高不大，焊接结束后将冷却电极打开，由于焊接件本身的热传导作用，’其温度又开始缓慢上升。图3．6(b)中l通道测温点距离焊接端面近，焊接开始『^】光时，由于焊接电流极大对测量回路干扰严重，导致测量曲线在丌始时有一个快速升高过程，此种现象产生的不合理数据会在数据处理前首先滤除。为了得到正确的温度分布规律，首先将不合理数据筛除，其次将电压量转化为温度数据。实验测量过程产生了大量的数据，通过人工查表实现电压～温度转换显然是不可行的，本文采用基于c语言的“电压～温度自动转换系统”可方便的实现，其操作界面如图3．7所示。利用此系统进行转换之前首先要将电势单位转化为mV级，即将数据除以放大倍数65，再乘以l，000得到。建立系统所需格式的Excel表格为输入列表，表格中第一行标注“id”、“时间”、“电压”等信息，且保证此表格中的数据均合理。3．3闪光对焊焊接温度测量结果分析通过前述的数据处理及曲线拟合，得到了轴对称件闪光对焊焊接件上不同孔深测温点的轴向温度分布分别如图3．9、3．10、3．1l所示，各图中的九条曲线自下向上分别表示了焊接过程中2s、3s、4s、5s，焊接结束6s时及焊接结束后4s内的轴对称焊接件不同径向位置的温度在轴向距离的分布情况。轴对称件闪光对焊的轴向温度分布最为重要。焊接过程中焊接时问短且对口处加热温度高，又因调伸长度的限制，热影响区范围较窄，顶锻时塑性变形集中、变形量较大，可产生足够高的局部错差值促进接头的熔合和组织转变。图3．9、3．10、3．11的轴向温度曲线分析可得到：1、焊接过程中随着对口处闪光过程的进行，端口部位温度快速升高，距离端口较远位置一方面由于热量传导的滞后特点，另一方面由于电极冷却散热作用，导致其温度基本保持不变；2、焊接结束后，迅将冷却电极打开，热量在金属内部可以进行快速传导，焊接件的后面部分温度升高较快，但热源已经停止产生再加上金属本身的散热作用，其温度最高只能到几百度左右，与此同时焊缝处的温度开始下降：3、由于这三张图表明的是不同径向位置的温度情况，可明显看出相同时刻各自温度有所差异，基本规律是径向距离较小的位置由于表面空气对流的作用温度较低，轴心处温度最高。下面以图3．9为例分析闪光对焊焊接过程温度的变化：l、焊接开始时，整个焊接件的温度基本保持不变；2、闪光过程中，随着连续外加热源的输入及焊接件热传导的作用，从2s到闪光结束的时间内调伸长部分的温度梯度变化明显；3、顶锻过程中，仅为1个～2个电流周波的有电顶锻时间能保持工件焊接的接口处液体金属温度基本维持不变；无电顶锻过程迫使两工件的对接面更紧密接触并使高温会属产生足够的塑性变形，随着温度的下降焊缝处的液态金属冷却，结晶形核，促使两被焊件牢固地连接在一起，整个无电顶锻过程并不提供能量且温升幅度较小：4、焊接结束6s时，焊接对口处的温度达到最高，在热传导及冷却电极的综合作用下，调伸长内温度梯度很大，调伸长以外的区域温度分布较平缓；5、焊接结束后的降温冷却过程中，焊缝附近的温度随时间逐步下降，在焊件自身热传导作用下轴向较远位置的温度随时间变化有所升高，距离焊缝端面较远处温度几乎无变化。利用MathCAD数学分析软件基于最小二乘法原理对上述各曲线拟合，得到了不同孔深处轴向距离与温度之间的数学表达式如表3．1所示。其温度分布曲线通式为tnr(x)：K(a+bx+cx2+出，、(O<x<80mm)，其中K为与焊接热输入量、材料属性及形状尺寸相关的系数：x为焊件轴向距离，nllil；T为温度，℃。3．4闪光对焊焊接温度场有限元分析基本理论闪光对焊时的焊接件对口端面处将形成许多具有很大电阻的微观触点，在很大电流密度的作用下，瞬间熔化而形成连接对口两端面的液体过梁并瞬间爆断，最终焊件在自身电阻和接触电阻焦耳热的共同作用下，形成一合适的温度场。闪光结束时焊接对口上有一层较薄的液态熔化会属，在顶锻力的作用下发生塑性流动，液体金属被排挤出来并形成牢固的接头。由此可见闪光对焊的接头是在电、热、力及冶金的综合作用下形成的。整个过程中由很多变量所控制，在很短时间内完成了同时伴随有导电、导热、物质烧损、高温塑性流动、扩散及再结晶等现象的过程。因为导电、导热、物质烧损、变形等过程中，物性参数随温度而变化，各参数之间存在强烈的耦合，同时变形材料的本构关系也是非线性的，采用数学解析方法进行分析时，往往预测不到焊接过程中所发生的很多现象，很难全面、系统地对焊接过程进行分析，也很难对过程中发生的一些现象作合理的令人信服的解释。在这样复杂的条件下要获得过程的定量解也比较困难。有限元技术的发展为研究这类复杂问题提供了有利条件。由于有限元方法是全面整体的考虑问题，先通过对时间域和空间域的离散处理，然后进彳亍组合，可以很好的处理复杂边界条件、多变量耦合的问题。本章通过分析闪光对焊热电耦合过程，对焊接温度场的分布进行数值模拟，在采用有限单元法求解焊接热传导问题时，通常把一个求解微分方程问题转化为求泛函极值的变分问题，然后对物体进行有限元分割，把变分问题近似的表达成线性方程组，求解该方程组便可得到热传导问题的解。对于非线性问题有时很难找到相应的泛函，此时可以采用加权残数法。3．4．I有限元的基本思想有限单元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法，它吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的合理方法。从实质上看，有限元法与里兹法是等效的，它属于里兹法的范畴，多数问题的有限元方程都是利用变分原理建立的。出于有限元法采用了离散处理，所以它计算更为简单，可处理的问题更为复杂，具有更广泛的实用价值15钟。其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域，利用近似函数表示单元内的真实变量，从而给出离散模型的数值解。有限单元法抓住了单元的贡献，使得这种方法具有很大的灵活性和适用性。例如：有限单元法所取单元比较任意，因此更适合于具有复杂形状的物体。对于有几种材料组成的物体，可以利用分界面作为单元的界面，从而使问题得到很好的处理。同时根据实际需要，在一部分求解区域配置较密的节点，而在另一部分求解区域配置较疏的节点，这样在节点总数不增加的情况下提高计算精度。此外有限元法是用统一的观点对区域内节点及边界节点列出计算格式，对边界条件能自然吸收进取，使各节点在精度上比较协调。还有有限单元法要求解的线性代数方程组其系数矩阵是对称的，特别有利于计算机运算。和有限差分法比，有限单元法在误差分析方面仍没有有限差分法成熟。但是和有限差分相比可方便处理复杂边别⋯。3．4．2传热学基本原理传热理论是研究热量传递规律的基础。凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体。就物体温度与时间的依赖关系而言，热量传递过程可分为两大类，即与时间无关的稳态传热过程和随时间而变化的非稳态传热。各种传热过程按其传热方式可分为三种：热传导、热对流、热辐射，它们既可以单独存在，也可以同