鋁合金點(diǎn)焊參數(shù)選擇-鋁合金點(diǎn)焊組織的模擬與研究

1、鋁合金點(diǎn)焊參數(shù)選擇-鋁合金點(diǎn)焊組織的模擬與研究    4 結(jié)果分析和討論由模擬分析結(jié)果可以看出，代寫畢業(yè)論文 6082 鋁合金點(diǎn)焊會出現(xiàn)比較明顯的3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）腳丫論文網(wǎng)可以得到圖 5圖 9 的微觀組織 圖。 由圖 5 可見，6082 鋁合金點(diǎn)焊組織有著明顯的3個組織相分布，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效處理，通過第2相的沉淀硬化來提高強(qiáng)度、硬度等性能。 6082 鋁

2、合金為 T4 狀態(tài)（固溶處理自然時效）是經(jīng)固溶、時效后的合金，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、析出和長大過程，對焊接前的基體 產(chǎn)生或多或少的破壞。它們的熔點(diǎn)為 595，焊接加熱溫度超過這1熔點(diǎn)時,部分強(qiáng)化相就會熔解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)熔合線周圍的組織，靠近熔合線的熔核區(qū)主要是柱狀晶粒和部 分等軸晶粒，靠近熔合線的熱影響區(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

3、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，且比較長時間 的維持在 700，這個溫度使熔核區(qū)中心的晶粒完全的熔化，在鋁合金基體上的第2相重新熔化和固溶， 化合物因固溶而進(jìn)1步減少。在鋁合金基體上分布著彌散的，細(xì)小的第2相對晶界移動起著重要的阻礙作 用，第2相質(zhì)點(diǎn)越細(xì)小，數(shù)量越多，則阻礙晶粒長大的能力越強(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，焊接為快速加熱，金屬內(nèi)存在的晶格畸變現(xiàn) 象來不及回復(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

4、冷卻速度較快，靠近熔合線的熔核區(qū)的結(jié)晶組織主要是從熔合線向內(nèi)生 長的柱狀晶。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)的晶粒處于長大階段， 晶粒生長方向與熱流方向1致，有著明顯的粗大晶粒且在晶界上分布1些析出相，應(yīng)為晶粒長大區(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1致，也有少量析出相呈3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細(xì)小和1定的圓形狀。對于熱影響區(qū)，其析出相明顯比母材組織細(xì)小， 且沒有方向性，但已經(jīng)開始出現(xiàn)圓粒

5、狀，分布也比母材組織均勻，但還是有1部分為粗大的析出相，且呈 長條形，沒有完成再結(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)測熔核的組織，運(yùn)用sysweld的相變模擬原理，完成對6082鋁合金點(diǎn)焊組織的 模擬和預(yù)測。 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10分吻臺的結(jié)果，因 此可作為選擇和優(yōu)化點(diǎn)焊參數(shù)的1個有效工具。 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)和晶粒長大區(qū)，母材組織為板材組織，晶粒方向?yàn)檐堉品较?，且鋁基體上分布大量

6、粗大的第2相質(zhì)點(diǎn)。 4、點(diǎn)焊接頭相變組織的模擬是1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1 Abstract Te microstructure of resistance spot welding decide performance of nuclear fusion in welded joint, the performance of nuclear fusion decide welding quality. By simulation, we can pre

7、dict microstructure and mechanical properties of spot welding in different parameters, so as to achieve the best welding performance by seeking to improve the welding processes. Research on the distribution of microstructure in aluminum spot welding, have an important role in on the design and optim

8、ization of process parameters of spot welding. The paper through the application of finite element simulation software to simulate and research the resistance spot welding of aluminum alloy of 6082, and verify it through experiments, so as to know affection resistance spot welding to aluminum alloy

9、of 6082. Experiments show that numerical simulation and experimental results are consistent, providing an effective analysis for spot welding on aluminum alloy. 關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；金相組織 ；鋁合金；電阻點(diǎn)焊 相的轉(zhuǎn)變體積比,且 å Vj =1；n是材料中相的個數(shù)。相的轉(zhuǎn)變體積比,且 ；n是材料中相的個數(shù)。 3.3 焊接溫度場的模擬 焊接溫度場的準(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

10、和冷卻過程中溫度場的正確描述是進(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)與溫度的非線性關(guān)系，建立 了焊接過程的數(shù)學(xué)模型和物理模型6,7。在焊接過程中，由熱源傳給焊件的熱量，主要是以輻射和對流為主，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。焊接傳熱過程中所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變 化問題8。因此研究焊接溫度場，是以熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)?shù)乜紤]輻射和對流作用。 焊件上某點(diǎn)瞬時的溫度分布

11、稱為溫度場，可以表示為： T = T ( X , Y , Z , t ) 式中 T 為焊件上某點(diǎn)的瞬時溫度，(x , y , z)是某點(diǎn)的坐標(biāo)，t是時間。 因此非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程可以表示為： 式中 c、為材料的比熱容、密度，T為溫度場的分布函數(shù)，t為時間，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。 溫度場計(jì)算時, 將模型的對稱面定義為絕熱邊 界條件, 即 其他周圍表面定義為換熱邊界條件, 即式中 l 是材料的熱導(dǎo)率，n是邊界表面外法線方向，是表面換熱系數(shù)，Ta是周圍介質(zhì)溫度，Ts是物體表面 溫度。 3.5 模擬計(jì)算結(jié)果 3.5.1 溫度場的模

12、擬結(jié)果 如圖 2 為焊接時間 250ms 時 l4 平面所成的溫度分布，再通過 sysweld 有限元軟件，分別在熔核區(qū) 中心，熔合線，熱影響區(qū)，母材組織上取4個固體單元，形成如圖 3 所示的溫度曲線。由圖 2，3 可以看出 在焊接過程中，熔核中心的最高溫度可達(dá) 720，且長時間溫度維持在 700左右；熔合線附近可達(dá) 600， 也長時間維持在這個溫度；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)果會出現(xiàn)明顯不同的3相分布分別為：母 材、熱影響區(qū)和熔核區(qū)組織。  

13、  3.4.2 相變模擬原理 對于鋁合金的相變模擬，主要通過鋁合金的回復(fù)與再結(jié)晶原理，如圖1。如果材料有經(jīng)過溫度循環(huán)，當(dāng) 最高溫度高于重結(jié)晶溫度時，重結(jié)晶開始發(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)過程?？梢杂萌缦鹿絹碛?jì)算： 等溫反應(yīng)動力學(xué)： 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。通過模擬 點(diǎn)焊接頭的組織，可預(yù)測在不同點(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)通過尋 求最佳焊接工藝來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，本文通過應(yīng)用有限元模擬軟件進(jìn)

14、行數(shù)值模擬，對6082 鋁合金電阻點(diǎn)焊過程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行模擬與研究，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而得出電阻點(diǎn) 焊對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1種有效的分析手段。 Key words: Numerical simulation; Microstructure; Aluminum alloy; Resistance spot welding 1、鋁合金在航空航天、船舶制造、機(jī)車和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。轎車采用 鋁合金制造車身較采用鋼板制造車身可減輕車體重量6O%左右，能顯著降低燃料消耗和減少 環(huán)境污染。但是，鋁

15、合金點(diǎn)焊所存在的問題限制了點(diǎn)焊在鋁合金汽車生產(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1，熔核在凝固時極易形成縮孔、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向內(nèi)生長的柱狀晶。在這方面，吉林工業(yè)大學(xué) 的趙熹華等人通過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)如何工程化的問題還正在研究之中。如果能對點(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)焊過程溫度場和相變組織的分布規(guī)律，從微 觀上改變焊接質(zhì)量，對提高和穩(wěn)定點(diǎn)焊質(zhì)量具有重要意義。 鋁合金點(diǎn)焊是1個高度非線性的力、熱、電相耦合的復(fù)雜過程，隨著焊接研究的深入

16、， 溫度，相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)越來越受到人們的重視。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焊接接頭進(jìn)行了有限元計(jì)算。 Ronda 等2用統(tǒng)1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。他們在模擬溫度場、速度場、熱循 環(huán)以及熔池形狀時,采用瞬時、3 維、湍流條件下的熱傳輸和流體流動模型。 本文基于有限元專業(yè)焊接模擬軟件動態(tài)模擬焊接的全過程，進(jìn)行數(shù)值模擬時，考慮了材 料熱物理性能與溫度的非線性關(guān)系，以及相變潛熱對溫度場的影響，實(shí)現(xiàn)溫度場和應(yīng)力應(yīng)變 場

17、的耦合計(jì)算，揭示了鋁合金點(diǎn)焊過程溫度場和相變組織的分布規(guī)律，其結(jié)果有助于更好地 了解焊接過程中熔體的運(yùn)動狀態(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)焊相變原理熔核、塑性環(huán)及其周圍母材金屬的1部分構(gòu)成了點(diǎn)焊接頭。在良好的點(diǎn)焊焊接循環(huán)條件 下，接頭的形成過程是預(yù)壓、通電加熱和冷卻結(jié)晶3個連續(xù)階段所組成。 （1）預(yù)壓階段：在電極壓力的作用下清除1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)行而長大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開始，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，接觸面和電流場均擴(kuò)