鋁合金點(diǎn)焊組織模擬論文

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摘要：電阻點(diǎn)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(zhì)量。通過(guò)模擬點(diǎn)焊接頭的組織，可預(yù)測(cè)在不同點(diǎn)焊參數(shù)下接頭的組織形態(tài)和力學(xué)性能等，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)尋求最佳焊接工藝來(lái)改善焊件性能的目的。研究鋁合金點(diǎn)焊相變組織的分布規(guī)律，對(duì)優(yōu)化點(diǎn)焊設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)有重要的指導(dǎo)作用，本文通過(guò)應(yīng)用有限元模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)6082鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬與研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而得出電阻點(diǎn)焊對(duì)6082鋁合金的組織轉(zhuǎn)變的影響。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，為鋁合金點(diǎn)焊基礎(chǔ)理論研究提供了一種有效的分析手段。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；金相組織；鋁合金；電阻點(diǎn)焊1、引言

鋁合金在航空航天、船舶制造、機(jī)車(chē)和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。轎車(chē)采用

鋁合金制造車(chē)身較采用鋼板制造車(chē)身可減輕車(chē)體重量6O%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(diǎn)焊所存在的問(wèn)題限制了點(diǎn)焊在鋁合金汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用，鋁合金點(diǎn)焊的熔核形狀不規(guī)則，尺寸大小不一，熔核在凝固時(shí)極易形成縮孔、縮松和氣孔，由于冷卻速度較快，熔核的結(jié)晶組織主要是從熔合線(xiàn)向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶。在這方面，吉林工業(yè)大學(xué)的趙熹華等人通過(guò)采用熔核的孕育處理技術(shù)做了詳細(xì)的研究，將柱狀晶組織變?yōu)榈容S晶組織，取得了良好的效果[1]。但是，該技術(shù)如何工程化的問(wèn)題還正在研究之中。如果能對(duì)點(diǎn)焊

的相變組織進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得到鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程溫度場(chǎng)和相變組織的分布規(guī)律，從微

觀上改變焊接質(zhì)量，對(duì)提高和穩(wěn)定點(diǎn)焊質(zhì)量具有重要意義。鋁合金點(diǎn)焊是一個(gè)高度非線(xiàn)性的力、熱、電相耦合的復(fù)雜過(guò)程，隨著焊接研究的深入，

溫度，相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)越來(lái)越受到人們的重視。Y.Ueda等人曾提出溫度，相變，熱應(yīng)力之間的耦合關(guān)系式，J.Ronda等人利用該耦合模型對(duì)焊接接頭進(jìn)行了有限元計(jì)算。Ronda等[2]用統(tǒng)一的方法推導(dǎo)了相變規(guī)律和相變塑性，建立了相容的TMM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入的研究。他們?cè)谀M溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、熱循

環(huán)以及熔池形狀時(shí),采用瞬時(shí)、3維、湍流條件下的熱傳輸和流體流動(dòng)模型。本文基于有限元專(zhuān)業(yè)焊接模擬軟件動(dòng)態(tài)模擬焊接的全過(guò)程，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，考慮了材

料熱物理性能與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系，以及相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變

場(chǎng)的耦合計(jì)算，揭示了鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程溫度場(chǎng)和相變組織的分布規(guī)律，其結(jié)果有助于更好地了解焊接過(guò)程中熔體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、凝固組織細(xì)化和產(chǎn)生缺陷的原因,為正確選擇點(diǎn)焊工藝參數(shù)等提供理論指導(dǎo)。

2點(diǎn)焊相變?cè)?/p>

熔核、塑性環(huán)及其周?chē)覆慕饘俚囊徊糠謽?gòu)成了點(diǎn)焊接頭。在良好的點(diǎn)焊焊接循環(huán)條件

下，接頭的形成過(guò)程是預(yù)壓、通電加熱和冷卻結(jié)晶三個(gè)連續(xù)階段所組成。

（1）預(yù)壓階段：在電極壓力的作用下清除一部分接觸表面的不平和氧化膜，形成物理觸點(diǎn)，為焊接電

流的順利通過(guò)及表面原子的鍵合作準(zhǔn)備。（2）通電加熱階段：在熱與機(jī)械力作用下形成塑性環(huán)、熔核，并隨著通電加熱的進(jìn)行而長(zhǎng)大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開(kāi)始，由于邊緣效應(yīng)，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(chǎng)均擴(kuò)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(nèi)形成了回轉(zhuǎn)雙曲面的加熱區(qū)，其周?chē)a(chǎn)生了較大的塑性變形。隨著通電加熱的持續(xù)，電極與工件接觸表面增加，表面金屬的冷卻增強(qiáng)，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(zhuǎn)四方形液態(tài)熔核。繼續(xù)延長(zhǎng)通電時(shí)間，塑性環(huán)和熔核不斷長(zhǎng)大。當(dāng)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，最終獲得橢圓形液態(tài)熔核，周?chē)菍⑷酆司o緊包圍的塑性環(huán)。（3）冷卻結(jié)晶階段：使液態(tài)熔核在壓力作用下冷卻結(jié)晶。由于材質(zhì)和焊接規(guī)范特征不同，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(diǎn)焊加熱集中、溫度分布陡、加熱與冷卻速度極快，若焊接參數(shù)選用不當(dāng)，在結(jié)晶過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂紋、胡須、縮孔、結(jié)合線(xiàn)伸入等缺陷，可通過(guò)減慢冷卻速度和段壓力等措施來(lái)防止缺陷產(chǎn)生。

3點(diǎn)焊熔核有限元仿真

點(diǎn)焊是一個(gè)多因素及多重非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，考慮其可作為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，對(duì)等厚

板的焊接取l／4平面進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假定電極壓力恒定。本文采用簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)2D模型建立6082鋁板點(diǎn)焊的簡(jiǎn)化模型。出于簡(jiǎn)化模型的目的，假設(shè)上下兩塊鋁

板在與電極端面直徑對(duì)應(yīng)的中心部分以及電極端面是粘連的，假設(shè)電極-工件間及工件間的接觸行為屬于無(wú)滑動(dòng)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(yīng)、接觸面的熱電效應(yīng)和接觸熱阻[4,5]。模型的網(wǎng)格采取自由劃分，共含1996個(gè)固體單元，2120個(gè)節(jié)點(diǎn)。被連接材料為6082鋁合金，

板厚2.0mm，采用Cu～Cr合金電極，端部直徑6mm，端部曲面半徑40mm。

3.1材料屬性

材料的熱物理性能參數(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(dǎo)熱系數(shù)、電阻率等均隨溫度變化。材料在相變和熔化時(shí)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-Mg-Si系鋁合金，該合金的組織比較簡(jiǎn)單，主要合金元素為Mg、Si,另外還有少量的Fe、Zn、Cu、Mn，主要組織組成物為Mg2Si，Mg/Si比為1.73，大部分合金不是含過(guò)量鎂就是含過(guò)量的硅。當(dāng)鎂過(guò)量時(shí)，合金的抗蝕性好，但強(qiáng)度與成形性能低；當(dāng)硅過(guò)量時(shí)，合金的強(qiáng)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(shí)間為15個(gè)周波(相應(yīng)頻率50Hz)。具體方案見(jiàn)表1：

3.3焊接溫度場(chǎng)的模擬

焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力與變形計(jì)算以及焊接質(zhì)量控制的前提，焊件在快速加熱和冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)的正確描述是進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變和焊后接頭力學(xué)性能分析的前提條件。焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算必須建立起準(zhǔn)確的熱傳遞數(shù)學(xué)模型和符合焊接生產(chǎn)實(shí)際的物理模型，并應(yīng)用有限元軟件的校正工具，根據(jù)具體的焊接工藝和條件對(duì)熱源進(jìn)行校正；考慮了材料熱物理性能參數(shù)與溫度的非線(xiàn)性關(guān)系，建立了焊接過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和物理模型[6,7]。

在焊接過(guò)程中，由熱源傳給焊件的熱量，主要是以輻射和對(duì)流為主，而母材和焊接材料獲得熱能后，

熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過(guò)程中所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化問(wèn)題[8]。因此研究焊接溫度場(chǎng)，是以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)?shù)乜紤]輻射和對(duì)流作用。

焊件上某點(diǎn)瞬時(shí)的溫度分布稱(chēng)為溫度場(chǎng)，可以表示為：

TT(X,Y,Z,t)

式中T為焊件上某點(diǎn)的瞬時(shí)溫度，(x,y,z)是某點(diǎn)的坐標(biāo)，t是時(shí)間。

因此非線(xiàn)性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程可以表示為：

式中c、ρ為材料的比熱容、密度，T為溫度場(chǎng)的分布函數(shù)，t為時(shí)間，kx,ky,kz分別為x,y,z方向

上的導(dǎo)熱系數(shù)；Q是內(nèi)熱源。

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí),將模型的對(duì)稱(chēng)面定義為絕熱邊界條件,即

其他周?chē)砻娑x為換熱邊界條件,即

式中是材料的熱導(dǎo)率，n是邊界表面外法線(xiàn)方向，α是表面換熱系數(shù)，Ta是周?chē)橘|(zhì)溫度，Ts是物體表面

溫度。

3.4點(diǎn)焊相變組織的模擬

3.4.1相變潛熱焊接過(guò)程中伴隨著相的轉(zhuǎn)變，在有限元計(jì)算中其產(chǎn)生的相變潛熱以焓的形式表示[9]，即

式中(T)c(T)分別為材料的密度和比熱，均為溫度的函數(shù)。

在某一溫度增量區(qū)間，所產(chǎn)生的總的相變潛熱表示為各相值的疊加，即

式中：Aj為第j相的相變潛熱，Vj為第j

相的轉(zhuǎn)變體積比,且åVj=1；n是材料中相的個(gè)數(shù)。相的轉(zhuǎn)變體積比,且；n是材料中相的個(gè)數(shù)。

3.4.2相變模擬原理

對(duì)于鋁合金的相變模擬，主要通過(guò)鋁合金的回復(fù)與再結(jié)晶原理，如圖1。如果材料有經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)，當(dāng)最高溫度高于重結(jié)晶溫度時(shí)，重結(jié)晶開(kāi)始發(fā)生并產(chǎn)生影響。材料重結(jié)晶的比例不僅取決于最高溫度，也取決于熱循環(huán)過(guò)程。可以用如下公式來(lái)計(jì)算：

等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：

非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)附加規(guī)律：

3.5模擬計(jì)算結(jié)果

3.5.1溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果

如圖2為焊接時(shí)間250ms時(shí)l／4平面所成的溫度分布，再通過(guò)sysweld有限元軟件，分別在熔核區(qū)中心，熔合線(xiàn)，熱影響區(qū)，母材組織上取四個(gè)固體單元，形成如圖3所示的溫度曲線(xiàn)。由圖2，3可以看出在焊接過(guò)程中，熔核中心的最高溫度可達(dá)720℃，且長(zhǎng)時(shí)間溫度維持在700℃左右；熔合線(xiàn)附近可達(dá)600℃，

也長(zhǎng)時(shí)間維持在這個(gè)溫度；熱影響區(qū)最高溫度可達(dá)500℃左右；而母材最高溫度只達(dá)到300℃左右。

3.5.2相變組織的模擬結(jié)果

通過(guò)有限元模擬可得到如圖4所示結(jié)果，6082鋁合金點(diǎn)焊結(jié)果會(huì)出現(xiàn)明顯不同的三相分布分別為：母材、熱影響區(qū)和熔核區(qū)組織。

4結(jié)果分析和討論

由模擬分析結(jié)果可以看出，6082鋁合金點(diǎn)焊會(huì)出現(xiàn)比較明顯的三種組織的分布，再根據(jù)模擬所用的

焊接參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，然后進(jìn)行金相組織觀察（試樣用凱勒試劑浸蝕）。可以得到圖5－圖9的微觀組織圖。

由圖5可見(jiàn)，6082鋁合金點(diǎn)焊組織有著明顯的三個(gè)組織相分布，中間的小圓為熔核部分，外圓為熱影

響區(qū)，外邊即為母材，與模擬的相變結(jié)果（圖4所示）完全相同。鋁合金的主要熱處理方式是固溶處理和時(shí)效處理，通過(guò)第二相的沉淀硬化來(lái)提高強(qiáng)度、硬度等性能。

6082鋁合金為T(mén)4狀態(tài)（固溶處理＋自然時(shí)效）是經(jīng)固溶、時(shí)效后的合金，其主要強(qiáng)化相是Mg2Si。在焊接熱循環(huán)的影響下，鋁合金基體中的這些沉淀相粒子將發(fā)生再次固溶、析出和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)焊接前的基體產(chǎn)生或多或少的破壞。它們的熔點(diǎn)為595℃，焊接加熱溫度超過(guò)這一熔點(diǎn)時(shí),部分強(qiáng)化相就會(huì)熔解[10]。

圖6為母材組織，其鋁合金基體上分布著粗大且呈長(zhǎng)條形的析出相；圖7為熔核中心組織，其內(nèi)組織主要為細(xì)小的等軸晶粒；圖8為處于塑性環(huán)熔合線(xiàn)周?chē)慕M織，靠近熔合線(xiàn)的熔核區(qū)主要是柱狀晶粒和部分等軸晶粒，靠近熔合線(xiàn)的熱影響區(qū)為粗大的晶粒；圖9為熱影響區(qū)中心組織，其鋁合金基體上的析出相細(xì)小且呈圓粒狀。

從圖4可以得知，在塑性環(huán)內(nèi)的熔核區(qū)中心最高溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于595℃，可達(dá)720℃左右，且比較長(zhǎng)時(shí)間的維持在700℃，這個(gè)溫度使熔核區(qū)中心的晶粒完全的熔化，在鋁合金基體上的第二相重新熔化和固溶，化合物因固溶而進(jìn)一步減少。在鋁合金基體上分布著彌散的，細(xì)小的第二相對(duì)晶界移動(dòng)起著重要的阻礙作用，第二相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，數(shù)量越多，則阻礙晶粒長(zhǎng)大的能力越強(qiáng)，所形成的晶粒也就越細(xì)小，且在熔核區(qū)內(nèi)合金元素溶入的比較多，在很大程度上阻礙了晶界的移動(dòng)，焊接為快速加熱，金屬內(nèi)存在的晶格畸變現(xiàn)象來(lái)不及回復(fù)，自擴(kuò)散系數(shù)增加，使合金再結(jié)晶晶核增多，造成晶粒細(xì)小，所以在熔核中心冷卻后形成的組織為細(xì)小的等軸晶粒；由于點(diǎn)焊冷卻速度較快，靠近熔合線(xiàn)的熔核區(qū)的結(jié)晶組織主要是從熔合線(xiàn)向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶。運(yùn)用圖1描述的鋁合金重結(jié)晶現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，靠近塑性環(huán)的熱影響區(qū)的晶粒處于長(zhǎng)大階段，晶粒生長(zhǎng)方向與熱流方向一致，有著明顯的粗大晶粒且在晶界上分布一些析出相，應(yīng)為晶粒長(zhǎng)大區(qū)；6082合金母材組織為板材組織，其析出相方向與板材成形方向一致，也有少量析出相呈三角形，在晶界上析出，由于其含有Cu，Mg，Al，Si，Mn等合金元素，析出相比較復(fù)雜，主要為Mg2Si。圖6中的母材組織為退

火組織，所以其部分析出相變的相對(duì)細(xì)小和一定的圓形狀。對(duì)于熱影響區(qū)，其析出相明顯比母材組織細(xì)小，

且沒(méi)有方向性，但已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)圓粒狀，分布也比母材組織均勻，但還是有一部分為粗大的析出相，且呈長(zhǎng)條形，沒(méi)有完成再結(jié)晶，由圖1鋁合金重結(jié)晶原理可知其組織應(yīng)為回復(fù)區(qū)和回復(fù)再結(jié)晶區(qū)，晶界基

5結(jié)論

1、本文采用數(shù)值仿真手段預(yù)測(cè)熔核的組織，運(yùn)用sysweld的相變模擬原理，完成對(duì)6082鋁合金點(diǎn)焊組織的

模擬和預(yù)測(cè)。

2、采用本文提出的有限元點(diǎn)焊模型，運(yùn)用相變模擬軟件，可以模擬出與實(shí)際焊接結(jié)果十分吻臺(tái)的結(jié)果，因此可作為選擇和優(yōu)化點(diǎn)焊參數(shù)的一個(gè)有效工具。

3、6082鋁合金熔核區(qū)晶粒細(xì)小，組織分布均勻而且彌散，熱影響區(qū)有著比較明顯的回復(fù)區(qū)，回復(fù)與再結(jié)晶區(qū)和晶粒長(zhǎng)大區(qū)，母材組織為板材組織，晶粒方向?yàn)檐堉品较颍忆X基體上分布大量粗大的第二相質(zhì)點(diǎn)。

4、點(diǎn)焊接頭相變組織的模擬是一項(xiàng)新技術(shù)，它尚處于起步階段，在理論上還存在著尚未澄清問(wèn)題，另外在

計(jì)算方法上也有改進(jìn)余地，其應(yīng)用更接近空白，因此，有必要從理論和計(jì)算方法上進(jìn)行系統(tǒng)而有深入的探索，以使新興方法盡快用于工程實(shí)踐。

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SimulationandResearchfortheMicrostructureofAluminumSpot

Welding

LuoBaofa,LuoZhen,BuXianzheng,WangRui,MaYingbin

SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,PRC(300072)

Abstract

Themicrostructureofresistancespotweldingdecideperformanceofnuclearfusioninweldedjoint,theperformanceofnuclearfusiondecideweldingquality.Bysimulation,wecanpredictmicrostructureandmechanicalpropertiesofspotweldingindifferentparameters,soastoachievethebestweldingperformancebyseekingtoimprovetheweldingprocesses.Researchonthedistributionofmicrostructureinaluminumspotwelding,haveanimportantroleinonthedesignandoptimizationofprocessparametersofspotwelding.Thepaperthroughtheapplicationoffiniteelementsimulationsoftwaretosimulateandresearchtheresistancespotweldingofaluminumalloyof6082,andverifyitthroughexperiments,soastoknowaffectionresistancespotweldingtoaluminumalloyof6082.Experimentsshowthatnumericalsimulationandexperimentalresultsareconsistent,providinganeffectiveanalysisforspotweldingonaluminumalloy.

Keywords:Numericalsimulation;Microstructure;Aluminumalloy;Resistancespotwelding