铝合金搭接接头焊接工艺设计

毕业设计（论文）题 目 铝合金搭接接头焊接工艺设计专 业 班 级 学 生 学 号 指导教师 重 庆 交 通 大 学年目 录摘 要 .IABASTRACT.II前 言 .3第 1 章 铝合金焊接必备知识 .51.1 铝合金性能 .51.2 铝合金分类 .51.3 铝合金的焊接特点 .6第 2 章 有限元介绍 .72.1 有限元法概述 .72.2 有限元的发展 .82.3 有限元在焊接中的应用及发展 .82.4 有限元软件 ABAQUS 介绍 .92.4.1 ABAQUS 简介 .92.4.2 ABAQUS 基本模块及操作方法 .10第 3 章 焊接变形有限元分析理论 .113.1 焊接热过程分析理论 .113.1.1 热量传递三种基本方式 .113.1.2 焊接热过程特点 .123.1.3 热传导分析中的非线性 .133.1.4 非线性热传导有限元分析 .133.2 焊接残余应力和变形分析理论 .143.2.1 基本假设 .143.2.2 平衡方程 .153.3 ABAQUS 热应力分析问题 .153.3.1 ABAQUS 中的几种热边界条件和热载荷 .153.3.2 ABAQUS 热应力分析类型 .16第 4 章 程序设计 .174.1 材料及焊件尺寸确定 .174.2 建立几何模型 .174.3 材料定义及截面属性的分配 .184.4 装配 .194.5 定义分析步 .194.6 建立接触 .204.7 创建载荷及预定义场 .214.8 划分网格 .224.9 编写子程序 .234.10 创建作业 .244.11 提交计算 .25第 5 章 计算结果分析 .265.1 温度场计算结果及分析 .265.2 应力应变场计算结果分析 .325.2.1 应力场计算结果及分析 .325.2.2 变形结果及分析 .34第 6 章 焊接方案 .37致 谢 .38参考文献 .392016 届机械设计制造及其自动化专业论文摘 要焊接，作为一种重要的现代化加工手段，得到的焊件密封性好，结构刚度大，且质量相对较轻，可有效减轻产品结构自重。但是，在焊接过程中产生的残余应力和变形对焊件的影响非常巨大。本课题基于 ABAQUS 有限元软件 ， 同时考虑到材料非线性、几何非线性和边界条件非线性，采用热-弹-塑性有限元法对焊接过程进行数值模拟。以 4mm 厚的 6061-T6 铝合金搭接接头为例，采用完全耦合热应力分析方法，同时进行温度场和应力场的求解，得到焊件的温度、应力、应变分布规律，并对结果进行分析，并根据最终结果得出工艺设计方案。关键字：焊接工艺，搭接接头，残余应力，有限元，完全耦合，热应力分析铝合金搭接接头焊接工艺设计ABASTRACTAs an important means of modern processing, Welding is used by various walks of life. With good sealing, good structural stiffness, and light weight, Weldment can effectively reduce the weight of the product, and is good for energy conservation. But during the process of welding, residual stress and deformation of the weldment is very common, which have a big impact on weldment. Based on the finite element software ABAQUS, a thermal-elastic-plastic finite element method was applied in consider of material non-linearity, geometric non-linearity and boundary conditions non-linearity, to simulate welding process. Focus on 4mm thick 6061-T6 aluminum alloy lap joint, Fully coupling method was adopted. we made heat transfer analysis and thermal stress analysis at the same time, so we obtained temperature, stress, strain distribution, which is exactly what we need to analyse.After that,we can get the welding process.Keywords：Welding process, lap joint，Residual stress, Finite element method, Fully coupling, Thermal stress analysis2016 届机械设计制造及其自动化专业论文1前 言焊接，是指以加热、加压或两者并用的方式使工件达到原子间的键和从而形成永久性连接的一种制造工艺及技术。共件，采用焊接连接方式，密封性好，结构刚度大，整体性好，且焊接产品比铸件、铆接件和锻件重量轻，将其运用到汽车、高铁、飞机等动力性机械上，可减轻产品自重，节约能量。因而焊接已成为现代工业中不可缺少的一种工艺手段，已广泛运用到机械、电力、军工、航天、高铁、汽车等各个领域，作用日益重要。铝合金具有较高的比强度、优良的耐腐蚀性能和良好的工艺成形性，在近年得到越来越广泛的运用。焊接作为一种高效的连接方式，在铝合金的加工过程中占有重要地位。焊接过程其实就是一系列复杂的热量传递过程，焊缝及焊接热影响区的热量分布直接关系到焊件的焊接性能和使用性能。热量不足，焊缝区熔化不充分；热量太多，将会导致热影响区的过度软化；热量不均匀，焊后变形大。在焊接过程中，热源相对于工件在不停地移动，在某一时刻，工件只有局部受热，故工件的加热和传热过程是极不均匀的，这种不均匀温度场是产生残余应力和焊后变形的关键因素。对焊接结构而言，残余应力和焊后变形的影响是非常关键的。残余应力的大小和分布情况直接影响到焊件的脆性断裂、应力腐蚀开裂以及疲劳断裂，焊接变形直接关系到焊接结构的尺寸公差和形状公差。所以对焊接温度场、焊接残余应力和焊后变形的正确评估是非常重要的。而焊接是一个包括电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，若采用传统实验法研究，由于影响因素太多会导致结果缺乏规律性，且用时长、成本高。而采用有限元法的热结构耦合功能分析焊接过程，能够克服实验法的缺点，是研究焊接变形与残余应力变化规律的有效方法，为合理选择焊接方式和工艺参数提供了依据。有限元单元法（Finite Element Method） ，简称有限元法，其核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目个规则单元的组合体，通过对离散体进行一系列分析，再进行整体分析，得到工程精度范围内的近似结果来替代对实际结构的分析，这种方法可以解决很多理论分析无法解决的复杂问题。有限元法诞生于 20世纪中叶，经过几十年的发展，有限元理论日趋完善，计算方法日趋成熟。同时伴随着近几十年来计算机技术的迅猛发展，基于计算机平台的有限元软件层出不穷、不断完善，现世界各大公司已经开发出了一大批通用和专用有限元软件，这些软件的出现解决了众多工程领域的计算难题，大大地减少了先期成本和风险，实现了巨大的经济效益。铝合金搭接接头焊接工艺设计2ABAQUS 是由世界知名的有限元分析软件公司 ABAQUS 公司（2005 年被法国达索公司收购，2007 年公司更名为 SIMULIA）于 1978 年推出，是一种通用有限元软件，其最大的优势在于其强大的非线性分析系统，它能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，在分析过程中对这些参数进行调整，保证结果的精确性。它拥有高达 433 种单元的丰富的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可用于模拟绝大多数的常见工程材料，如金属、聚合物、橡胶、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及各种地质材料等。此外，ABAQUS 使用起来非常简便，很容易建立复杂问题的模型。对于大多数数值模拟，用户只需要提供结构的几何形状、边界条件、材料性质、载荷等工程数据即可。故 ABAQUS 已经在世界范围内得到了广泛的应用，涉及机械、土木、水利、船舶、航空、电器、汽车等各个领域。焊接中的热问题主要包括两方面的内容：传热问题（确定温度场）和热应力问题（确定应力应变场）。本课题运用 ABAQUS 有限元软件，采用完全耦合分析方法，同时进行温度场和应力场的求解，对 6061-T6 铝合金搭接接头的焊接过程进行数值模拟与分析，对搭接接头焊接过程中温度场变化问题、残余应力、焊接变形进行模拟，并对结果进行分析。2016 届机械设计制造及其自动化专业论文3第 1 章 铝合金焊接必备知识1.1 铝合金性能铝的比重是 2.7，熔点为 660，具有面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。但是纯铝的强度和硬度很低，难以满足工程结构设计要求，常通过在铝中加入一定的合金元素以得到强度和硬度更高的铝合金。铝合金是以铝为基的合金系总称，主要的合金元素为锌、铜、镁、硅、锰，次要元素有镍、锆、钛、锂、铁等。按添加的合金元素和成材方式，铝合金可以分为：变形铝合金和铸造铝合金。按时效强化方式可分为：时效强化铝合金、非时效强化铝合金和铸造铝合金。与传统的钢铁材料相比，铝合金不仅具有较高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和优良的耐腐蚀性能，而且还具有良好的工艺成形性，目前已广泛应用于机械、化工、电力、军工、航天、高铁、汽车等各个领域。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻 50%以上。1.2 铝合金分类在工业上，以 4 位数规格编号表示铝合金材质，对其进行分类：1 系：含铝 99%以上，价格便宜，是最常用的一个系列；2 系：铜铝合金，硬度较高；3 系：锰铝合金，防锈功能较好；4 系：硅铝合金，低熔点，耐热、耐磨性好；5 系：镁铝合金，密度低，抗拉强度高，延伸率高，疲劳强度好；6 系：镁硅铝合金，抗腐蚀、抗氧化性好，加工性好；7 系：锌铝合金，耐磨性好，具有良好焊接性能。铝合金的状态代号，根据铝合金热处理状态划分，用一个英文大写字母表示：O：退火状态，适用于经完全退火获得最低强度的加工产品F：制造状态，适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品，H：加工硬化状态，适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过（也可不经过）使强度有所降低的附加热处理。铝合金搭接接头焊接工艺设计4T：热处理状态，适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到稳定的产品。1.3 铝合金的焊接特点焊接是对于铝合金结构的一种重要加工工艺。常见的铝合金焊接方法分为三类：熔化焊、压力焊和钎焊。其中各种电弧焊、激光焊和电子束焊都属于熔化焊；电阻焊和摩擦焊属于压力焊；应用于电子行业及散热器件的铝合金多采用钎焊。其中，熔化焊是目前应用最广也是最重要的铝合金焊接技术。然而，由于铝合金材料具有热导性好（约是钢铁材料的 3 倍） 、线膨胀系数大（约是钢铁材料的 2 倍）等特点，焊接时存在以下问题：（1）常温常压下铝合金极易氧化，在表面生成一层附着力很强且难熔的氧化膜（Al 2O3，其熔点为 2060，远高于纯铝熔点），氧化膜的存在不仅阻碍了电弧能量的传递，使得焊接过程的稳定性变差，而且易形成焊缝夹渣和气孔等缺陷；（2）铝合金母材、焊件表面、保护气、大气环境和保护气套管壁等都含有一定量的水分和氢，由于氢的溶解度在固液状态下差别比较大，导致熔池中氢呈现出过饱和状态，为焊缝形成气孔提供了条件；（3）铝合金属于典型亚共晶合金，具有较宽的脆性温度区间，而且线膨胀系数也大，熔池在快速凝固过程中容易在固相线高温区附近形成热裂纹；（4）铝合金的线膨胀系数较大，凝固收缩率约为 6.6%，焊件的变形和残余应力比较大，而热裂纹和残余应力正是影响焊接结构疲劳性能的重要因素之一；（5）合金元素 Mg 的沸点（1090）远远低于铝的沸点（2467），焊接时易发生严重的蒸发烧损，降低了其在焊缝中的组成，不利于强化相颗粒的形成，另外，合金元素 Li 的氧化性极强，是高强度 Al-Li 合金焊接时的一大问题；（6）由于铝合金的热导率和比热容较大，相同板厚时，需要能量更集中、功率更大的热源，有时还需要对焊件进行恰当的预热处理，这必然会导致铝合金接头的过度软化，制造成本也会大幅提高；（7）铝合金对光和热的反射能力很强，在融化和冷却凝固时，没有明显的色泽变化，给焊接操作和熔池检测带来很大困难。2016 届机械设计制造及其自动化专业论文5第 2 章 有限元介绍2.1 有限元法概述有限元法（Finite Element Method,FEM）,从数学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分为有限个小的单元体，并使他们在有限个节点上相互连接，在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学性能，整个连续体的力学性能可认为是这些小单元体力学特性的总和。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为非常有效的工程分析手段。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法的基本步骤是一样的，仅是具体的公式推导和求解运算不同。有限元法求解的基本步骤一般为：第一步：问题和求解域的定义：根据实际要求的问题近似