（材料加工工程专业论文）汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车铝合金车身部件的力学模拟成为一个重要的课题，近年来国内外 对均匀材料的结构做了大量的研究。本文针对这一情况对铝合金接头进行 了研究： ( 1 ) 对6 0 6 3 与5 a 0 2 的焊接性能进行了研究，主要包括对接接头( t i g 焊接， 激光焊接) ，t 型接头( t i g 焊接) ，并且采用i s 0 等应变法对对接接头进行 了力学性能分析； ( 2 ) 采用微孔剪切实验和f e m 分析对微区的材料性能进行了测试，得到了 一种合理的表征焊接接头各个不均匀区域力学性能测试方法，并且对对接 接头的性能测试采用有限元模拟进行了验证； ( 3 ) 运用a b a q u s 商业软件对t 型结构在静态下的屈服，变形到破坏过程 进行了有限元模拟； f 4 ) 针对汽车安全设计研究了部件的关键部分焊接接头的力学性能，获得 了不同焊接方法下接头的力学性能测试方法和大变形分析的统一表征方 法，为进一步的研究部件的大变形奠定了基础。 研究结果表明：1 ) i s o 等应变法没有考虑焊接热影响区，而接头的破坏 大多是发生在热影响区，另外母材和焊缝之问不是简单的接触，而是在有力 的作用的时候两个区是互相拘束的，因此不能表征t 型接头接头微区的材 料力学性能；而穿孔剪切法克服了上面的缺陷，可以对很小的区域的力学性 能进行准确的预测，从而对焊接接头模拟的材料的力学性能的分区提供依 据。2 ) 对于焊接结构t 型接头的静载有限元模拟表明：结构的变形是由材 料的屈服强度控制的，而结构的破坏是以材料的应变控制的。另外模拟的结 果出现很大的应力梯度说明焊接结构对于材料性能用简单的以焊缝，热影 响区以及母材几个分区是远远不够，而是应对材料的力学性能作非线性处 理，从而形成材料力学性能的连续变化。3 ) 铝合金由于本身有自己的特殊性 决定了它的焊接性能，总体来说具有容易形成变形，焊接热裂纹，气孔，烧穿现 象是需要解决的问题，从目前来看铝合金的t i g 焊接对于铝合金是一种比 较成熟的焊接方法，而激光焊接有很太的运用前景。本文的研究为汽车部件 的进一步的安全碰撞分析可以提供有效的依据和奠定了基础。 关键词：材料力学性能，i s o 等应变法，穿孑l 剪切法，有限元模拟，焊接 性能 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 a b s t r a c t t h em e c h a n i c ss i m u i a t i o no ft h ea u t o m o b i l ea l u m i n u ma 1 1 0 ya u t o m o b i l e b o d yp a r tb e c o m e sa ni m p o r t a n ts u b j e c t ，h a v em a d ea1 a r g ea m o u n tr e s e a r c ht o t h es t r u c t u r eo ft h es y m m e t r i c a lm a t e r i a li nd o m e s t i c o u t s i d ei nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e rc o n n e c t sr es e a r c ht ot h ea i u m i n u ma l i o yt ot h i ss i t u a t i o n ： ( 1 ) h a v ec a r r i e do nr e s e a r c hw i t ht h ew e l d i n gp e r f o r m a n c eo f5 a 0 2t o6 0 6 3 ， m a i n l yi n c l u d i n gb u t tj o i n t ( t i gw e l d i n g ，l a s e rw e l d i n g ) ，t h etj o i n t ( t i g w e l d i n g ) ，a n da d o p ti s oe q u a l 一s t r a i nl a wt oa n a l y z eo fp e r f o r m a n c eo f m e c h a n i c s ； ( 2 ) c o m b i n i n gp u n c hs h e a r i n g t e s tw i t hf e ma n a l y s e st ot e s tm a t e r i a l p e r f o r m a n c eo fl i t t l es e c t i o n ，g e t sak i n do fr a t i o n a lc h a r a c t e r i z a t i o n so fw e l d s e a ma n dj o i n te a c h e v e n r e g i o n a l m e t h o do f t e s t i n g o fm e c h a n i cs p e r f o r m a n c e ， a n da d o p tf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt op r o v ei nc o n n e c t i n gt h e f u n c t i o nt e s tc o n n e c t e dc o r r e c t l y ； ( 3 ) u s ea b a q u sb u s i n e s ss o f t w a r c c a r r y o n f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s u r r e n d e rt od e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h ei o d e lts t r u c t u r eu n d e rt h e s t a t i cb e h a v i o r ： ( 4 )s t u d y i n gt h ek e yp a r to fa u t o m o b i l es e c u r i t y a n dw e l dj o i n tt h e m e c h a n i csp e r f o r m a n c e ， g e t d i f f e r e n tm e t h o do fw e l dj o i n tm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e t e s ta n dg r e a ta n a l y s i sd e f o r m a t i o nu n i t ec h a r a c t e r i z a t i o n s m e t h o d ，e s t a b l i s h i n gt h ef o u n d a t i o ng r e a t l yd e f o r m a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h p a r t t h er e s u l to fs t u d ys h o w s ： 1 ) w e l d i n gs e a ms e p a r a t e 1 a wd o e sn o t c o n s i d e rw e l d i n gt h eh e a ti n n u e n c i n ga r e a ，b u td e s t r u c t i o nt h a tc o n n e c t si s m o s t l yt oh a p p e ni nt h eh e a ti n n u e n c i n ga r e a ，b a s em a t e r i a la n dw e l d i n gs e a m s i m d l ec o n t a c ti na d d i t i o n ，b u tt w od i s t r i c tb er e s t r a i n e de a c ho t h e rw h e n e f f e c t i v ef u n c t i o n ，s oe x i s t c e r t a i nl i m i t a t i o nt otjo i n t ，a n dp u n c hh o l e s h e a r i n gl a wo v e r c o m et h ed e f e c ta b o v e ，c a nc a r f yo na c c u r a t ep r e d i c t i o nt o t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fv e r ys m a l la r e a ，t h u so f f e rt h eb a s i st ot h ef e n a r e at h a tw e l d st h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a lo fc o n n e c t i n g s i m u l a t i o n 2 ) s h o wi ntj o i n tf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns t a t i bl o a d i n gw h e n w e l d so ft h es t r u c t u r e ：t h ed e f o r m a t i o no ft h es t r u c t u r ew a sc o n t r o l l e db yt h e i n t e n s i t yo fs u r r e n d e ro ft h em a t e r i a l ，a n dt h ed e s t r u c t i o no ft h es t r u c t u r ew a s 硕士学位论文 c o n t r o i i e dw l t ht h es t r a l no tt h em a t e r i a l r e s u l to fs l m u l a t i o ni na d d i t i o n a p p e a rh e a v ys t r es sg r a d i e n ti si ti si ti si tw e l ds t r u c t u r es p e n das i m p l eo n e w i t hw e l d i n gs e a mt om a t e r i a lp e r f o r m a n c et op r o v et ob e c o m et oj u m pv e r y ， t h eh e a t i n f l u e n c i n ga r e a i sa n df a rf r o mb e i n ge n o u g hi nb a s em a t e r i a l s e v e r a la r e a b u ts h o u l dm a k en o n l i n e a rt r e a n n e n tt ot h em e c h a n i c s p e f f o r m a n c eo ft h e m a t e r i a l ， t h u sf o r mt h ec h a n g i n gi ns u c c e s s i o no f p e r f o r m a n c eo fm a t e r i a i sm e c h a n i c s 3 ) t h ea l u m i n u ma l l o yh a so n e so w n w e l d i n gp e r f o r m a n c eo fd e t e r m i n i n gi to fp a r t i c u l a r i t yb e c a u s eo fi t s e l f ，i ti s a p tt ot a k es h a p eo u to fs h a p et h a to nt h ew h 0 1 eh a v e ，w e l dt h eh o tc r a c k l e ， t h ea i rv e n t ，i ti st h ep r o b l e mn e e d i n gs o l v i n gt ob u r nt h ep h e n o m e n o n ，s e e n f r o mt h ep r e s e n tt i go ft h ea l u m i n u ma l l o yh a sb e e nw e l d e dt ot h ea l u m i n u m a l l o yi sak i n do fr i p e rw e l d i n gm e t h o d ，a n dt h e r ea r ev e r yg r e a ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nl a s e rw e l d i n g s ot h er es e a r c ho ft h i sp a p e ro f f e r st h ee f f e c t i v e b a s isf o rt h et h i n gt h a tf 、l r t h e ri m p a c ts i m u l a t i o no ft h ea u t o m o b i l ep a r ta n d e s t a b l i s h e st h cf o u n d a t ；o n k e yw o r d ：m a t e r i a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ；i s oe q u a l s t r a i nl a w ；p u n c h s h e a r i n g ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a “o n ；w e l d i n gp e r f o r m a n c e i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 甩件林 日期捌年占月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密以 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：排 导师签名：7 圣舍。眩。 日期：五印舌年舌月五日 日期：沙。f 年乡月 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 工程背景 近十几年来，由于能源紧缺，经济萧条，世界各国都在重视节约 能源，把交通运输机械的轻量化作为重点来抓。而铝及其合金因其较 小的密度，良好的塑性，以及较高的比强度己成为汽车车身轻量化 设计中考虑采用的重要轻质材料。全球各大汽车公司都投入很大的 力量进行全铝车身设计的研究，并且取得了重大的科研成果和实际 应用效果。日本住友轻金属公司与美国雷诺尔兹铝制品公司共同开 发出一种代号为s g 一1 、4 a 的车身铝合金板材，硬度比普通铝板高1 5 倍，同时也具有良好的冲压加工性“。“；美国的福特公司和门本的 本田公司都已经推出了全铝汽车，每辆的铝用量为4 5 0 公斤，价格 每辆为7 万美元，计划f j 年内产量在30 4 0 万辆，价格每辆下降到 家用轿车的1 7 万美元左右，而且在速度上都可以有所提高。奥 迪公司在19 95 年首批量生产的a ud ia 8 型轿车是使用铝制材料制造 汽车车身的最具代表性的成功之作“。汽车上铝合金的应用主要是 形变铝合金，( 奠板材、型材、管材等形式通过焊接粘接等连接成组合 件。防锈铝、硬铝主要应用于车门、发动机罩、车盖、行李箱罩、 地板和翼板、保险杠；铝合金型材一般可以用来制造汽车上的一些 框架”。“。但是目前车身铝还存在下面问题“： a 成型性还需继续改善。铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂 纹。如发动机罩内板因为形状比较复杂，为了提高其拉延变形性能采用 高强铝合金，延伸率已超过3 0 ，但还是比钢差，所以在结构设计时要尽 可能地保证形状不突变，让材料容易流动以避免拉裂。 b 尺寸精度不容易掌握，回弹难以控制，在形状设计时要尽可能采用 回弹少的形状。 c 因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因使零 件表面产生碰伤、划伤等缺陷，所以要对模具的清洁、设备的清洁、环 境的粉尘、空气污染等方面采取措旌，确保零件的完好。 d 不能像钢板那样还采用磁力搬运和传递，要设计新的方案。 e 铝合金车身的焊接没有完全满足要求，需要寻找新的焊接方法。 焊接技术在汽车的制造中占有重要的地位。例如全铝结构的 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 a u d ia 8 车身部件由5 0 多种型材2 0 种铸件和1 6 8 块板件构成在车 体的制造中由激光来完成的焊缝3 0 m ，m i g 焊缝2 0 m 并采用17 0 0 个 自穿孔铆钉，成功的替代了传统的电阻点焊工艺显着的提高了车身 成型的质量”1 。目前铝合金激光拼焊板技术正在开发研究中， 同时激光焊接也广泛运用与铝合金的车身结构件的成型，另外t i g 与m i g 焊接接头在铝合金车身的焊接在原有的基础上逐步走向成 熟。因此采用铝合金代替钢材作为铝合金的汽车车身已经成为一种 重要的发展趋势。 1 1 2 铝合金焊接接头表征的必要性 安全作为汽车发展的三大课题( 环保、节能、安全) 之一，得 到了各国政府的重视，汽车工艺设计的改变需要重新衡量车体重量 和安全性之间的关系。但是我国现有的汽车大部分存在正面碰撞被 动安全性差的问题，而对于铝合金汽车车身这个问题更加没有引起 重视，必须通过改善车身结构以提高铝合金汽车的正面碰撞的被动 安全性，而且改造后的车身结构必须同时满足白车身结构的弯曲、 扭转刚度和固有模态这些基本力学性能要求。而要解决高速碰撞问 题，首先应对汽车车身的简单结构的静态和准静态的材料力学性能 提供保障。对于结构大量采用焊接的这一工艺的结构，如何才能保 障整个结构的安全性，这就是我们研究的主要方向，同时也引发了 一个重要的课题，那就是对于接头的性能的测试。由于焊接的过程 中存在着很多的质量缺陷，比如气孔、热裂纹、未焊透等都会影响 整个结构的安全性。同时采用的焊接方法和工艺不同，焊接接头的 不同区域的材料性能差异很大，对于汽车用铝合金常用的焊接方法 有t i g ，m a g ，激光焊接等等，其中t i g 焊接热影响区较大，接头存在 明显的软化区，激光焊焊缝较窄，热影响区不明显。传统的力学性 能表征方法无法精确的描述接头力学性能的不均匀性的影响，而只 是人为的将接头分为母材，焊缝两种材质，这在汽车结构的撞击破 坏的研究中不能满足要求，因此有必要探索一种新的材料表征的方 法来描述材料的不均匀性。针对这些情况如何寻找一种适用于小区 域的材料性能测试的方法成为一个重要的课题。史耀武对多种材料 进行了纯剪切实验和单轴拉伸实验，得出了剪切强度和抗拉强度的 关系式，同时提出了微剪切韧性的概念，并且用于焊接接头的强度 表征1 ，但是剪切实验试样精度要求比较高，而且该文献没有从剪 切实验得到材料的拉伸性能的相关论文。因此材料局部力学性能测 硕士学位论文 试方法的研究对焊接接头的性能表征有重要的意义，为焊接结构件 的模拟提供了重要材料性能数据。 1 1 3 铝合金简单结构的力学模拟的重要性 针对移动装盖的安全性，进行铝合金屈服、变形和破坏行为的 研究具有重要的理论意义和实用价值。从材料分析，钢制汽车构件 的屈服、变形和破坏行为目前国内外各汽车制造商及研究机构己做 了大量的研究和分析，如“大众”，“奔驰”汽车公司已有了成熟的 分析软件及测试系统。从结构上看，传统的整板冲压汽车构件的力 学分析也己很成熟，但对于拼焊铝结构件的屈服、变形直到破坏行 为的认知仍有许多空白，值得深入研究分析。 铝结构的屈服、变形直至破坏行为的实验研究要花费大量的人 力和财力，特别是移动装置的破坏行为耗资巨大。而结合课题的自 身特点采用“计算模拟+ 关键实验”相结合的方法进行研究，可有效 地节约成本，提高效率。用有限元软件进行模拟、计算，并开发应 用软件；用少量的关键实验对铝结构的屈服、变形和破坏行为进行 观察测定，并验证计算仿真结果，为结构优化设计提供指导。该研 究将对拼焊铝合金结构件在汽车制造业中的应用做深入的技术准 备。研究车身结构大变形的方法主要有理论研究，实物实验和数值 仿真三种。理论研究能抓住问题的本质性的东西，为实物实验和数 值仿真提供一些方向性的建议，但相对来说，比较粗糙。实验验证 是整个研究中不可缺少的，但是实物实验需要大量的人力，物力和 财力，而且危险性很大，因此在实物实验之前，进行数值仿真，对 于改进和优化实物实验的模型具有非常重要的意义。在开展整车或 零部件大变形研究前，对简化模型进行静态和准静态的研究，有利 于掌握问题的一些有关碰撞等的相关的本质性和规律性。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 材料力学性能的测试研究现状 1 ，2 ，1 1 传统的材料力学测试方法 ( 1 ) 金属的单向拉伸的力学性能测试方法 一般的均匀金属材料的力学性能可以通过对圆棒或板材试样进行拉 伸实验得到标定以内的平均力学性能。我们可以根据材料力学测试 出试样的载荷一位移曲线，并且用实验测定的载荷p 除以试样的原始 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 截面积矗得到工程应力，拉伸位移增量出除以标注长度得到工程 应变占，从而得到工程应力应变曲线即盯一占曲线，如图1 1 ，从而得 出了材料弹性模量e ，( 弹性极限) ，吼( 屈服点) ，瓯( 延伸率) 等 各种力学性能。 图1 1 典型材料的单向拉伸曲线 图1 1 虚线表示材料的真应力一真应变( 盯，一s ，) 曲线，曲线d 到 b 段可以采用钉= l i l ( j + 1 ) 和听= 盯( 占+ 1 ) 直接转换成对应的口r 一占，曲 线，加工硬化指数甩，强化系数k 可以通过仉= k 计算出来；b 到k 点的真应变可以通过靠= l i l ( 瓦辱) 得出( f 。为试样的原始截面积，f ，为某 时刻试样的截面积) ，而对应真应力可以用对应时刻的载荷除以面积得 到，从而得出整个的真应力一真应变曲线。同样在足点通过测定拉伸实 验断口的面积r 可以计算出断裂应力盯，以及材料的断面收缩率妒， 计算如下： 4 硕士学位论文 听= 盯( 占+ 1 ) 岛= 1 1 1 + 1 ) o t = k ? 氐曲每 。， ：堡生1 0 0 一。 盯，：垒 式中g 为真应力，盯为条件应力，j 为条件应力，岛为真应力， k 为强化系数，”为加工硬化指数，s ，为断裂应变，f 。为试样的原始 截面积，只为拉伸实验断口面积，妒为断面收缩率，盯，为断裂应力，乓 为断裂时的载荷，由文献 1 4 ，l5 各向同性材料断裂时的真应变，作 为材料的断裂等效塑性应变，为有限元模拟断裂的断裂判据提供有 效的材料数据。但是单向拉伸实验有一定的局限性：( a ) 真应力应变 曲线是材料平均属性，在试样发生紧缩过程的截面的面积无法测量， 导致不能准确的表征材料的真应力真应变曲线；( b ) 对于焊接接头等 材料不均匀材料不能够准确的表征：( c ) 不能对小尺寸材料的性能进 行测试。 ( 2 ) 扭转力学性能测定实验 扭转实验是采用圆柱形试样，在扭转实验机上进行，试样尺寸 为2 3 0 咖中( 1 o 15 ) 咖，有时也采用5 0 咖的短试样。在实验过程 中，随着扭矩的增大，使扭转角不断增大，直到屈服、变形直到断 裂破坏。主要可以用来测试材料的切变模量g ，扭转比例极限t ， 扭转屈服强度0 和抗扭强度“等性能指标。扭转实验可以精确的测 定塑性材料的变形抗力和变形能力，这是单向拉伸实验和压缩实验 难以做到的。但是班转实验由于试样中表面切应力大，而心部切应 力小，所以很难准确测定表层开始塑性变形的时刻，即很难测定材 料的微小的变形抗力。根据扭转自身的特点可以知道扭转实验无法 对材料韵受到正应力的作用状态进行表征。 ( 3 ) 剪切力学性能测定实验 剪切实验常用的方法有单剪切实验，双剪实验和冲孔实验三种， 他们的共同特点是测定都是简单的测试材料的剪切强度“。单剪切 实验由于试样在受到剪切的同时还伴随挤压和弯曲，但在通常假设 剪切面的切应力均匀分布，因此不能测定比例极限和剪切屈服强度： 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 双剪实验同样和单剪切实验一样存在缺陷不能对比例极限和屈服强 度进行准确的测定；而冲孔剪切实验吸取了前两种方法的长处，对 剪切状态进行了改进，有一定的效果，但是很少有人对其进行系统 的研究，并且与材料的拉伸力学性能联系起来。 ( 4 ) 金属的硬度测试 金属有软硬的分别，一般金属采用刻划法和压入法来确定其硬 度，而压入法是最为常见的检验方法。通常的压入法包括布氏、洛 氏、维氏和显微硬度等几种。硬度实验简便、迅速，人们早就探讨 了如何通过所测定的硬度值来评定金属的其他力学性能指标，但至 今没有从理论上确定金属的硬度与其他力学性能之间的内在联系。 大量实验证明金属的抗拉强度与硬度之问成正比的关系，即”“”1 ： = 女船( 1 2 ) 式中女为比例系数，不同的金属材料其值不同，同类金属经不 同的热处理后，其值基本上不变。针对这一情况我国计量科学研究 院还制定了黑色金属、铝合金和铜合金的强度与硬度换算表，有一 定的价值。硬度映射法不能准确的预测材料的强度，特别是对于铝 合金抗拉强度没有相关资料报道，因此经过焊接的铝合金接头力学 性能还需要采用其他方法测定，此外强度一硬度关系映射法对于材 料塑性变形中的加工硬化过程无法描述，也需要更精确的表征方法 来获得材料的拉伸力学性能。 1 2 1 2 焊接接头的力学性能测试方法研究现状 ( 1 ) 微剪切实验对焊接接头力学性能的评价 对于焊接接头的不均匀性国内外进行了大量的研究，一般都是 从小试样的角度进行考虑。近年来从剪切的角度预测材料的强度的 研究很多，史耀武通过单剪切实验对焊管接头的力学性能进行了评 价，它采用系列加载终止实验对微剪实验过程中试样的变形和断裂 进行了研究，并提出了微剪切韧性的概念1 。该方法定义了微剪强 度h ，微剪切屈服强度t 。，以及微剪切塑性口进行了明确的定义，并 且定义了微剪韧性巩，具体的定义如下： 6 硕士学位论文 矗：垒 “ a 只 。2 芎 ( 1 3 ) 1s 口= l 一 6 w s = g p 峪、d s 式中p m 。为最大的剪切力，4 是试样的初始横截面积，0 为 剪切屈服力，6 为试样的原始宽度，s 为剪切位移，其中s ，为断 裂点的剪切位移。同时该实验研究还把焊接结构钢的剪切的特征 值和拉伸特征值的对应关系推算出来了，即： 髓麓：辫 。， l 盯，= 1 8 3 f ，一1 3 6 2 、 微剪切实验对于特定的均质材料的力学性能的表征是准确的，通 过a ，矿等力学性能参量可以客观反应材料的塑性与韧性，但是其测 试精度很大程度上取决于试样的几何加工精度，即试样的加工状况， 测试设备等系统误差对实验的测试误差影响很大，给该实验的统一 和重复性带来困难，此外微剪切实验结果给出了一与盯v - f 。的对 应关系，但对于材料整体的剪切和拉伸过程没有对应，没有明确提 出剪切特征曲线和拉伸特征曲线的关系，因此提出通用的局部材料 性能测试方法成为一个重要课题。 ( 2 ) 硬度映射法测定材料拉伸性能特征值 由于材料硬度实验简便，迅速，因此硬度映射材料拉伸性能特 征值的研究得到了广泛的重视，尽管没有从理论上找到内在的联系， 但是有一些经，验公式，如在( 1 2 ) 中有叙说。c o h o o n n ”研究了钢的屈 服强度和硬度的关系，发现条件屈服特征值和维氏硬度有一定的关 系如下： ：= ；钮”胛 ( 1 5 ) 式中盯是钢的条件屈服强度，定义为拉伸的条件应力应变曲线上 对应o 2 的塑性应变的应力；s ，为对应的a 。的应变；删为维氏硬 度值。y u r io k a ”研究了在焊接接头中焊缝金属的抗拉强度和硬度存 在下面的关系： = 3 o m 7 + 2 2 3( 1 6 ) 式中：以是钢的挠拉强度，可以通过拉伸实验得到的条件应力 7 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 应变曲线的最大载荷处的应力确定。而本课题组的朱亮教授在前人 的基础上对管线钢材料拉伸特征值进行了研究，得出管线钢焊缝的 屈服点和最大载荷处的真应力与真应变的特征值关系式”“： s 。= l i l ( e 。+ o 2 哟 伫掌! 型丫= 竺竺竺兰) l ( 护一l + o - 2 ) j 3 吒：吼f 旦l l ” 引8 d 旧z z 3 ( 1 7 ) 式中f 。，吒，为对应f ，时的真应变和真应力，q ，矗为屈服点真应 力和真应变，一为加工硬化指数，口，s 。为最大载荷处的真应力和真 应变。由于该研究真应力应变曲线满足幂指数关系，可以通过拟合 计算得到删服点到最大载荷处的真应力应变曲线。浚研究是在钢的 基础上得到的，但是对于韧性比较好的铝台金存在一定的局限性， 因此研究铝合金的焊接接头的材料力学性能有重要意义。 ( 3 ) 小试样与有限元法结合的方法测定材料局部力学性能 针对材料局部力学性能印度人a s i f h 1 ls a i n 提出了小试样与有 限元模拟的方法测定材料力学性能。该实验采用刚性的半球形冲头 对测试材料进行穿刺加载，得到载荷位移曲线”“，如图1 2 所示为穿 孔加载实验模型。 图1 2 穿刺的实验装置示意图 下面采用有限元模拟对材料力学性能进一步拟台，首先对材料的 、j鱼矗，l 月 ： = 毛 硕士学位论文 弹性模量进行验证，通过系列实验得到材料的一个近似的弹性模量， 输入有限元计算，得到模拟的载荷位移曲线，并且与实验曲线作比 较，比较以后对输入的弹性模量调整，做第二次计算，得到载荷位 移曲线，重复上面的比较，调整到模拟的载荷位移曲线和实验的弹 性部分重合，可以认为最后一次输入的弹性模量为所测材料的弹性 模量，同样在不同应力条件下的应变也是采用上述方法进行拟合的， 最终得到材料的应力应变曲线，当最后一次输入有限元软件a b a q u s 计算得出的模拟结果与实验曲线重合时，认为输入的真应力一真应 变曲线为材料的拉仲力学性能曲线，其计算模型如图1 3 所示。该方 法克服了以往的各种力学形能测试方法的缺陷，对穿刺的探针的半 径可以适用很小的材料的力学性能的研究，但是也存在一定的缺陷， 主要表现在：( 1 ) 没有考虑材料不均匀性和材料的各向异性，不均匀 性材料在实验过程中会在材料的薄弱环节断裂；( 2 ) 采用有限元模拟 的方法对材料做模拟时，在塑性阶段既要考虑应力的影响又必须考 虑应变的影响，因此在塑性阶段每个点的拟合工作量大。( 3 ) 完全采 用有限元模拟得出的材料的性能，对于测试材料拉伸性能计算量过 大，对于研究的成本和价值有一定的影响。 图1 3 实验对应的有限元模拟模型 1 2 2 铝合金结构焊接性能的研究现状 1 2 2 1 铝合金结构激光焊接性能 根据文献 8 ，9 ，1 0 铝合金由于重量轻、无磁性、热导率和强度 高、良好的成形性、低温性能、耐腐蚀性能，被广泛地应用于各种焊 接结构和产品之中，采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减少 5 0 以上。与传统的t i g 焊、m i g 焊相比，激光焊接是一种功能多、 适应性强、可靠性高的精密焊接方法。由于高的功率密度，焊接时热 9 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 输入量低，在保证熔深的基础上，焊接热影响区小，焊接变形小，激光 焊接不需要真空装置，因此激光焊接具有质量高、精度高、速度高的 特点。激光焊接根据熔深的不同分为热导焊( 功率密度在1o 。w c m 2 106 w c m2 之间) 和深熔焊( 功率密度在lo6 w c m2 1 07 w c f 2 之间) ， 热导焊时浅层金属主要靠表面吸收激光能量后向下的热传导而被加 热至熔化，形成的焊缝截面近半圆型。这种焊接方法可焊接厚度在 2 5 4m m 以下的材料。深熔焊时，由于材料瞬时熔化、汽化，在激光 束中心形成匙孔，激光可以透过匙孑l 通过金属蒸气而直接射入到孔 底，称为匙孔效应”1 ”3 。焊缝窄而深，深宽比可达12 ：1 另外激光焊 接的焊缝组织明显比其他焊接方法有很大的优势如图1 4 ( 文献 1 1 ) 所示。 图1 4c 0 2 激光焊接和m lg 焊接比较图 但是由于铝合金对激光的反射很强，相对钥的激光焊接吸收率 较低，如图1 5 所示，因此铝合金的激光焊接首先遇到的是如何有 效的提高材料对激光的吸收。 硕士学位论文 l i 。 。 l s l 树 l 、一 l “k 舡a 、一，i k 、 。+ ，女 图15 铁，钢铝合金对激光的吸收率比较 激光焊接作为一种熔焊方法，铝合金的激光焊接也不可避免的 存在熔焊经常遇到的焊缝气孔、焊接热裂纹和接头的软化的问题。 但是由于激光所具有的高能量密度，快速加热和冷却以及激光焊缝 大的深宽比等特性，上述焊接性问题也将具有自身的特点，而且更 加复杂。虽然激光焊接热输入较常规焊接方法低得多，但是由于铝 合金的高的热膨胀性，大型薄板的焊接应力变形也是不容忽视的。 与其他熔焊类似，焊缝中的氢气孔也是铝及其合金激光焊接是常见 的缺陷。空气和保护气体中的水分以及氧化膜中吸附的水分是产生 焊缝气孔的主要原因。由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极 易形成氧化膜。铝合金表面氧化膜可以吸收较多的水分，吸收的水 分可以结晶水的形式存在。如a 1 ：o 。h ：0 或者a l 。0 。3 h ：0 ，也可以化 合水的形式存在，如a l ( o h ) 。，当氧化膜不致密是将吸收更多的水分， 如a 卜m g 合金表面的氧化膜由a 1 ：0 。和m 9 0 组成，而m g o 越多，形成 的氧化膜越不致密，容易吸收更多的水分，因此较纯铝具有更大的 气孔倾向。在激光加热时，铝合金的表面的结晶水和化合水将逐步 分解。分解的水分和空气及保护气体中的水7 分可以在激光作用的高 温区直接分解产生h ，这些h 或者溶入过热的激光焊接的溶池中， 随后在熔池的冷却过程中析出形成气泡：或者直接在未熔化的氧化 膜上产生气泡，这些气泡如不能上浮则形成焊接气孔。由于激光加 工焊接熔池的深宽比较其他的熔焊方法更大，且焊接速度高，熔池 的体积又小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸 出。所以在激光焊接过程中气泡很容易残留在焊缝中而形成气孔。 铝合金激光焊的难点在于铝合金对c 0 2 激光束( 波长为1o 6u m ) 极高的表面初始反射率( 超过9 0 以上) ，对y a g 激光束( 波长 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 1 0 6pm ) 反射率接近8 0 。由于反射率大、热导率高，在实际铝合 金的激光焊接过程中，一定要保证良好的光束聚焦，同时，还要用高 功率密度的高能激光进行照射。实验证明，深熔焊的临界功率密度为 4 ，o 1 06 w c m 2 。铝合金激光焊焊缝还易产生气孔，对6 0 0 0 系列的铝一 镁一硅合金，裂纹的敏感性较大，焊缝成形不良。这样，会造成焊缝的 力学性能往往低于母材。 国外在这方面的研究比较成熟，人们研究的侧重点主要是铝合 金激光焊接的熔化特性、气孔和裂纹的成因机理、焊接缺陷对力学 性能的影响及激光焊接铝合金的等离子体现象等等。m a n e h a r uk a t sn n a 和q uy a n 。2 k 24 24 对a 3 0 0 3 、a 6 0 6 1 、a 6 n o l 、a 5 a 0 2 、a 5 l 8 2 进行 c 0 2 激光焊接，利用气体光谱分析法对微孔中气体成分进行分析，发 现气孔中气体成分为9 0 的h 2 和lo 的n 2 ，微孔产生与氢在高温大量 溶入有关：对于不规则气孔，借助s e m 观察和孔内e d x 分析，结果表 明孑l 内壁镁的含量是焊缝附近的4 倍，估计不规则大气孔与镁的蒸 发烧损有关。6 0 0 0 系列a 卜m g s i 合金其裂纹敏感性大。h 1 r o t o y a m a o k am ash ir o y a k i ”利用i t tech 公司生产的i tl c 5o 0c 0 2 激 光器焊接a 6 06 3 铝合金( 用于压力容器) ，分别在填丝( a 一4 0 43 一 w y ，a 一4 0 4 7 一w y ) 和不填丝情况下对焊缝进行以氦气为载体的密闭气 压实验，考查裂纹敏感性。填丝时，焊缝的泄漏率达到了标准要求( 标 准为l 。3 l o 。o p a m 3 s ) ，不填丝时，其泄漏率为9 3 l l o “o p a m 3 s 。 因此可以认为调整焊缝金属成分，填加s i 对减少裂纹有一定好处。在 文献 2 3 中，作者d o n g d ok i m 和a k i r a a l a t2 s u n a w a 利用脉冲 n d ：y a g 激光分别在空气和氩气中焊接a 卜m g 合金，对等离子体进行了 波谱分析。同时在假定局部热平衡条件下，利用谱线相对强度的波尔 兹方法，测定了等离子体温度和电子数浓度，等离子谱线为a l 、m g 、 c r 、m n 、c u 、f e 、z n 的原子谱线和单一的m g 离子谱线以及分子a 1 0 、 m 9 0 和a l h 的分子谱线，低功率密度下，m g o 谱线较强，高功率时，则 a 1 0 谱线强。当采用氩保护时，没有a 1 0 、m g o 谱线。在空气中，当光束 能量密度为1 o 1 0 ”aw m2 时，测得的等离子体温度为3 2 8 0 k 15 0 k 电子束密度为1 8 5 1 0 ”1 m3 ，即激光诱导a 卜m g 合金等离子体是温度 低且非常弱的等离子体，其温度比铝的沸点稍高。目前国外利用y a g 激光与t i g 电弧( 直流或交流) 并用，可以在小输出激光下获得与大 输出激光同等的熔深。利用c 0 2 激光与m i g 电弧复合热源焊接a 5 0 8 3 、 a 6 0 6 l 合金时，首先用m i g 电弧将铝合金表面熔化，然后用1 o k wc 0 2 激 光束照射到液态铝合金表面。从提高铝合金对激光的吸收率及增大 1 2 硕士学位论文 熔深的角度来说，这种复合热源的焊接方法在焊接方面是一种很有 发展前途的焊接方法另外在国外针对铝合金的激光焊接对其进行 了改进，采用双光束，一束用来焊接，另束对其焊接溶池进行搅拌， 以保证焊接质量这种方法也得到了很广泛的运用。 在我国由于受大功率激光器限制，激光焊接工艺研究较国外起 步晚，关于铝合金激光焊的研究远远落后于发达国家，如德国奥迪公 司a 2 和a 8 全铝结构轿车的面世也是因为铝合金激光焊接技术的成 功开发和应用才得以实现，如图1 6 所示“。 图16 激光焊接的汽车车架和焊接现场图 目前国内采用填充焊丝铝合金的激光焊接的普遍采用的技术， 其目的是( 1 ) 改善焊缝的冶金特性防止焊接热裂纹和提高焊接接头 的机械性能；( 2 ) 降低激光焊接对工件焊前坡口的准备和接头装配精 度要求但是铝合金的激光焊接尽管在国外得到了飞速的发展，但是 在国内还有很长的路要走，如焊接气孔，焊接热裂纹，等离子体，焊缝 区的软化等都是要等待解决的问题。 1 2 2 2 铝台金结构其他焊接性能 铝是一种活性金属，其表面很容易形成氧化膜，因而焊接区的 表明清理和防护问题较难解决。对焊接过程产生较大影响。铝的熔 点较低，在6 5 0 8 0 0 ，而氧化膜的熔点高达2 0 5 0 ；铝的比重为 2 ，7 ，氧化膜比重为3 8 5 ，因此开始熔化时，氧化膜阻碍铝的熔化， 对焊接熔池的形成影响很大，进而关系到t i g 起弧的时滞量及激光 焊接中激光功率的选取。熔化后有会沉入熔池底部，阻碍铝的继续 熔化，以及焊材与母材的结合，形成夹渣；铝合金材料热膨胀系数 大，导热快，冷却时会产生较大的焊接应力和变形，形成焊缝裂纹： 1 铝在液态时对氢的溶解度较大，而固态时几乎不吸收氢，因此焊缝 汽车铝合金车身的材料力学性能测试与简单结构有限元模拟 冷却时会形成大量的气孔，影响焊接质量；铝合金在37 0 左右时， 强度很低，在薄板焊接中对熔池的承接作用很差，焊接时很容易出 现坍塌，形成烧穿；另外焊接过程中铝合金熔化时没有明显的颜色 变化，使观测者难于掌握实际温度变化，给焊接造成一定困难。 纵上所述，由于铝合金是一类活性金属，对焊接环境、工艺、 设备中的很多因素都很敏感，焊接时一定要严格遵循一定的焊接规 程如焊前必须严格进行清理工作，焊接时对工件进行夹持反变形措 施，并做好保护工作等才能获得良好的接头质量，铝合金的t i g 焊 接严格按上述要求，采用合理的焊接工艺，能够获得较好的焊接接 头。 1 3 铝合金结构变形和破坏的基本原理 1 3 1