（材料加工工程专业论文）电阻点焊组织预测和质量控制研究.pdf

中文摘要 电阻点焊广泛应用于航空、航天、能源、机械、电子、车辆及轻工部门，在 现代制造业中占有不可替代的地位。但是电阻点焊非线性、时变和多因素耦合的 复杂过程，以及熔核相变过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给实验研究带来了 很大困难和挑战。 本文采用s y s w e l d 有限元软件动态模拟点焊的全过程。模拟中考虑了材料热 物理性能与温度的非线性关系和晶相转变及同一时间晶相转变潜热以及晶相组 织对温度的影响，进行了力、热、电三场耦合计算，研究了铝合金点焊相变形成 过程，实现了对铝合金点焊组织的预测，为更好的研究和控制点焊接头质量提供 有效的实用方法。 建立了铝合金电阻点焊的力、热、电耦合模型，模拟了电阻点焊过程温度场 和相变场的变化情况，揭示了铝合金焊接过程中母材和热影响区的变化过程以及 熔核产生、形成、长大过程，并对其进行了分析，再现了铝合金点焊组织形态动 态演变过程。实验证明，模拟结果与实验结果相吻合。 为了提高铝合金点焊接头强度，改进铝合金点焊接头的质量，本文采用在铝 合金点焊时增加回火工艺的方法控制焊接质量。分别通过数学方法、物理实验方 法和数值模拟方法三种方法对实验的结果进行分析和互相论证，物理实验方法和 数值模拟方法结果的吻合，证明回火工艺能显著提高接头剪切强度，从而实现对 点焊接头质量的有效控制。 关键词：数值模拟；接头质量；组织预测；电阻点焊 a b s t r a c t r s w ( r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ) i sw i d e l yu s e di na r e a so fa e r o s p a c e e n e r g y s o u r c e ，e l e c t r o n i c s ，v e h i c l ea n dl i g h ti n d u s t r y ，a n dp l a y st h ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e m m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r , t h en u g g e tf o r m a t i o no fr s wi se x t r e m e l y c o m p l e xa n dn o n - l i n e a rm u l t i - p h y s i c sc o u p l i n gf i e l d s ，n u g g e tf o r m a t i o ni si n v i s i b l e a n dw e l dt i m ei si n s t a n t a n e o u s s ot h a ti ti sd i f f i c u l tf o ru st oo b s e r v ea n dr e s e a r c h t h r o u g ht r a d i t i o n a le x p e r i m e n t t h i sp a p e ru s es y s w e l df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，s i m u l a t ed y n a m i c a l l yt h ew h o l e p r o c e s so fs p o tw e l d i n g ，t a k ei n t oa c c o u n tt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a la n d t e m p e r a t u r eo ft h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i p ，c o n s i d e rt h ep h a s ec h a n g e sa n dl a t e n th e a t o fp h a s ec h a n g e si nt h es a n l et i m ea n dt h ei m p a c to ft h em i c r o s t r u c t u r et ot e m p e r a t u r e p h a s e ，t h et h r e et e r m so fp o w e r ，h e a t ，e l e c t r i c i t yc o u p l e d r e s e a r c h i n go na l u m i n u m p h a s et r a n s i t i o np r o c e s s ，a n df o r e c a s t i n gt h ea l u m i n u mm i c r o s t r u c t u r ef o r e c a s t si nt h e a l u m i n u mo fs p o tw e l d i n g ，p r o v i d i n ga ne f f e c t i v ea n dp r a c t i c a lm e t h o df o rb e a e r r e s e a r c h i n ga n dq u a l i t yc o n t r o l l i n gt os p o tw e l d i n gj o i n t s t h ee l e c t r o t h e r m o m e c h a n i c a lm o d e li se s t a b l i s h e do ft h ea l u m i n u mo ft h e r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，t h em o d e ls i m u l a t e dt h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp r o c e s so f t e m p e r a t u r ea n dp h a s ec h a n g e si nt h ea l u m i n u mo ft h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，a n d r e v e a l st h e p r o c e s s o fb a s e m e t a l ，h e a t a f f e c t e dz o n ea n dt h em e l t i n g n u c l e a r - g e n e r a t e d ，t h ef o r m a t i o na n dg r o w t hp r o c e s si nt h ew h o l ep r o c e s so fw e l d i n g ， a n dm a k er e p r o d u c t i o no ft h ed y n a m i ce v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ei np r o c e s so ft h e a l u m i n u mo fs p o tw e l d i n g t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c h i no r d e rt oi n c r e a s ej o i n ts t r e n g t ho ft h ea l u m i n u m a l l o ys p o tw e l d i n g ，a n di m p r o v e t h eq u a l i t yo f s p o tw e l d i n gj o i n t st o ，t h ep a p e ra d da na d d i t i o n a lt e m p e r i n gp r o c e s sa t a l u m i n u mo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g r e s p e c t i v e l y , t h ep a p e ra n a l y s i sa n dp r o o f t h r o u g ht h r e em e t h o d so fm a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，p h y s i c a le x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l to fp h y s i c se x p e r i m e n t m e t h o d sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sc o n s i s t e n t ，i tp r o o ft h a tt e m p e r i n gp r o c e s sc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e j o i n ts h e a rs l r e n g t h , t h u sa c h i e v i n ga l u m i n u mo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gj o i n t so nt h e q u a l i t yo fe f f e c t i v ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , j o i n tq u a l i t y , m i c r o s t r u c t u r ep r e d i c t i o n , r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 。或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储签名：罗保发 签字吼坩年莎月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孵改 导师签名： 签字日期：矽衍年6 月夕e t 签字日期： 罗锭 ， ) 怨s 日 日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 铝合金材料是实现汽车轻量化的理想材料，铝合金的比重是碳钢的1 3 ，采 用铝合金材料制造汽车车身，在保证具有与钢材同样强度和刚度的前提下，车身 重量可减少5 0 ，整车重量可减少1 0 ，同时可以减少相同数量的燃油消耗和 环境污染。铝合金材料还被称为“绿色材料”，可反复回收利用，回收重熔铝合 金所需能量仅是生产新铝合金所需能量的5 ，而再生铝合金材料能够保持原有 材料的性能n 1 。同时，铝合金具有良好的防腐性能，其表面只需稍加处理就可获 得满意的防腐性能，而不像一般碳钢材料那样必须进行电镀或镀锌等处理才具有 防腐性能。目前经济发达国家已开始进行铝合金汽车的生产，一些公司现已推出 了铝合金汽车，如美国通用公司推出的“p r e c e p t 瞳3 、福特公司推出的“合成 - - 2 1 0 ”、德国宝马公司推出的“5 2 8 、德国大众公司推出的“奥迪a 8 州3 1 及新 近推出的“奥迪a 2 ” 4 ，其中“a 8 和“a 2 ”均已批量生产。 在航空航天领域，为了减轻飞行器的重量，大量的薄板结构采用铝合金材料。 薄板结构最理想的连接方法是电阻点焊。但是，由于铝合金的点焊目前还存在着 表面质量差、焊点强度波动大等缺点，对于重要结构部件的连接还是采用铆接。 与点焊相比，铆接接头具有刚性差、重量大等缺点。如果解决了铝合金点焊的表 面质量和焊点强度的波动问题，大量采用点焊工艺，飞行器的重量将会迸一步降 低，动力学性能也会得到进一步的提高。 由于铝合金具有独特的物理化学性能，在焊接中会产生一系列的困难和特 点，具体表现为： ( 1 ) 铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜( 熔点约2 0 5 0 。c ) ，焊接时如未能将 其消除，将会影响基体金属的熔化质量，形成夹杂等质量问题； ( 2 ) 热导率大( 约为钢的4 倍) ，导电性好，焊接时若要达到与钢相同的焊速， 则焊接线能量要比焊钢时大2 4 倍； ( 3 ) 线膨胀系数大，焊件有产生较大的热应力、变形及裂纹的倾向； ( 4 ) 易产生气孔； ( 5 ) 铝合金焊接接头的强度较低睛1 。 可以说，铝合金电阻点焊技术已经成为铝合金在汽车、航空航天等领域推广 第一章绪论 应用的一个主要制约因素，随着科技的发展，铝合金材料将会在更多的领域得到 广泛应用。但是，由于铝合金具有上面所提到的独特的物理化学性能，给铝合金 材料的电阻点焊带来了极大的困难；与普通碳钢点焊相比，铝合金点焊不仅需要 采用较大的焊接电流，而且焊接分流影响较大，焊点强度有待提高，焊接质量难 以控制，远远不能满足生产的要求，从而严重影响了铝合金在汽车工业中的应用。 因此，对铝合金电阻点焊进行研究是非常必要的，并且在目前它已成为焊接研究 领域中的热点。 1 2 课题提出的意义 铝合金不仅是一类量大、面广的基础材料，而且在国防建设中占有十分重要 的地位，发挥着不可替代的作用。1 9 9 7 年，美国制定了铝工业短、中、长期研 究计划，提出了一系列降低铝生产成本，提高传统铝合金性能的基础研究课题哺3 。 同年，日本启动了“超级金属 国家重大基础研究五年计划，“超级铝 为该计 划中的两个主题之一，其目标是采用晶粒超微细化技术将现有大多数工业铝合金 的强度、韧性和耐蚀性提高0 5 倍订1 。1 9 9 9 年，我国也启动了“提高铝材质量的 基础研究”这一国家重点基础研究发展规划项目，旨在进一步推进我国铝工业的 发展，全面提升我国铝材料的性能和质量。随着航空航天技术的迅速发展，铝合 金作为低密度、高强度的金属材料，越来越受到人们的青睐。 在众多的焊接技术中，电阻点焊技术因其可靠性强、成本低、效率高以及方 法简单等优势成为轿车车身装配的主要连接手段，完成了轿车车身装配中9 0 以上的装配量，占据着举足轻重的地位。近些年来，激光焊等新的高科技焊接技 术逐渐进入汽车工业，但是由于激光焊技术对被焊钢板的匹配间隙有着非常苛刻 的要求，从而对焊装夹具的精度提出了更加严格的要求，国内的汽车装配生产线 都比较落后，很难满足激光焊工艺的要求。通过采用特殊的电阻点焊工艺，则可 以很好地避免激光焊遇到的这些困难，因此，电阻点焊工艺仍然是当今、甚至在 以后许多年内轿车车身装配连接的主要手段。 电阻点焊是铝合金板材连接的主要方法，铝合金板材属于变形铝合金，变形 铝合金分为可热处理强化和不可热处理强化，不可热处理强化的铝合金板材主要 为1 0 0 0 系列、3 0 0 0 系列、4 0 0 0 系列和5 0 0 0 系列铝合金，可热处理强化的铝合金板 材主要为2 0 0 0 系列、6 0 0 0 系列和7 0 0 0 系列的铝合金，本文分别选取不可热处理强 化的5 0 0 0 系列铝合金板材和可热处理强化中的6 0 0 0 系列板材进行研究，5 0 0 0 系列 具有较高的强度、良好的塑性和抗腐蚀性，且易于加工成形，而5 7 5 4 铝合金具有 中等强度，优良的耐蚀性、可焊性，良好的塑性和加工性能，是5 0 0 0 系列的典型 2 第一章绪论 合金；6 0 0 0 系具有一系列的良好的综合性能：良好的物理和化学性能，较高的耐 蚀性能、工艺性能和塑性，是最重要的挤压合金，而6 0 8 2 是其中应用最广泛的铝 合金。所以，本文选用5 0 0 0 系列合金和6 0 0 0 系列合金作为研究对象，具有很强的 代表性。 另外，电阻点焊具有非线性、时变和多因素耦合的复杂过程，熔核形成过程 的不可见性和焊接过程的瞬时性给实验研究带来了很大困难，再加上铝合金材料 的特殊性，使得人们对铝合金点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。计算机 数值模拟技术的发展为点焊研究提供了有效的理论分析手段，对点焊的研究与发 展有着非常重要的作用。数值模拟并不拘泥于点焊实验条件的限制，可灵活地对 点焊过程中的各种影响因素进行研究，还可以帮助人们进行一些不可能通过实验 而完成的研究和分析。目前数值模拟己渗透到各个领域，并成为继实验和理论方 法之后的另一种分析手段。焊接过程中，快速加热及快速冷却过程使焊接接头组 织发生剧烈的变化，导致接头强度和韧性改变，过程复杂，影响因素多，难以直 接建立物理模型和数学模型。为了了解焊接过程对材料力学性能的影响，动态地 再现焊接接头的组织变化过程，人们期待着能够对焊接凝固过程及其组织进行模 拟。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，并取得了令人满意的结果。 因此本课题对铝合金点焊相变组织的有限元仿真及预测和对铝合金点焊接 头性能质量控制的研究，旨在探讨一种新的研究思路，利用系统科学的思想，按 照现代材料加工发展的方向，采用数值仿真技术，建立设计，焊接，质量控制一 体化仿真的理论和方法，具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 数值仿真技术的研究现状及发展趋势 1 3 1 点焊数值仿真技术的研究现状及发展趋势 焊接数值仿真是以实验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或焊 接过程的某一个方面，利用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识( 如焊 接温度场，焊接热循环，焊接h a z 的组织，硬度，焊接接头的强度，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控制方程。并使用物理模拟 校检，校核数值模拟的结果，作为必要补充徊3 。近年来，随着热力学、连续介质 力学和显微组织动力学等方面理论研究的进展，有关研究人员现已经将焊接性分 解为热力学、力学和显微组织结构等过程，从而影响焊接性的各种因素通过数学 方法有机的联系在一起，使得对焊接性进行更系统的研究已经成为可能。图卜1 第一章绪论 所示为温度场、组织场和应力场三者之间的关系。 化学成分、焊接参数、晶粒尺寸 l q ( 相捐图变, 行t t 为t 图) 。飞 相 变 热 相变潜热，迤 “ 力 憾 一 学 、 三f 显微组织的形成和发展1 - 曼 焊接接头的力学性能 强度、硬度分靠h a z 软化、脆化 图卜1 温度场、组织场和应力场三者之间的关系 图1 - 1 中，箭头表示的是相互之间的影响：粗实线箭头表示强烈的影响，细 实线表示较弱的影响。需要强调的是把显微组织的转变包括到分析中去。 从2 0 世纪6 0 年代起，数值模拟技术开始应用到电阻点焊研究中，为点焊研 究提供了一个非常有效的分析手段。点焊过程涉及了力、热、电、磁、冶金等物 理、化学过程，目前研究较多的是点焊过程中的力、热、电行为。根据物理学中 描述力、热、电问题的基本方程，通过对方程中参数变化和边界条件进行假设， 即可建立点焊过程的数学模型，进而用数值方法对点焊过程的温度场、电流场、 电势场和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程的机理。由于点焊过程中力、 热、电是相互影响的，这三方面的耦合是电阻点焊过程数值模拟的难点所在。 1 9 9 7 年，h h u h 和w j k a n g 建立了点焊的3 d 热电有限元模型呤1 ，研究了电 极端部椭圆度对热电行为的影响。模型中考虑了两个接触面上的接触电阻、本体 电阻以及其它物性参数随温度的变化。研究表明电极的椭圆度对点焊过程中的电 流分布和产热都有影响。但在研究中，忽略了接触压力对接触电阻的影响，并将 接触电阻随温度的变化关系假设为线性。1 9 9 8 年，印度学者0 p g u p t a 和a m i t a v a d e 建立了轴对称的有限元模型n 训。该模型考虑了交流的集肤效应，接触区域随 着焊接进程根据温度、电极压力和材料强度进行不断的修正。1 9 9 9 年，吉林工 大的王春生等人建立了三维有限差分模型用于分析异质材料点焊的热电耦合行 为3 ，其接触电阻的处理采用了a l t s l a f 的研究结果。2 0 0 0 年，j a l n i l a k h a n 等人建立了铝合金点焊的三维热模型n2 。，研究了焊接电流、工件接触电阻和电极 与工件接触面热阻对点焊形核、液态熔核区流动的影响。2 0 0 1 年，龙听等人建 立了镀锌钢板电阻点焊的轴对称有限元热电分析模型n 引，其接触电阻采用了 4 第一章绪论 c ：l t s a i 等人模拟中所用的结果，并根据实验数据对其进行了标定。同年，林 忠钦等人建立了轴对称模型用于对轿车的白车身点焊装配过程进行分析n 钔，但在 模型中并没提及接触电阻问题。2 0 0 2 年，李宝清通过建立铝合金电阻点焊过程 力、热、电耦合分析的有限元模型，研究了铝合金电阻点焊过程的机理；并对点 焊过程进行了产热分析和能量分布分析n 副。2 0 0 3 年r i c h a r dd ，f g a r dm ，l a c r o i x m 等人采用迭代算法来解决电、热、力的耦合问题，但这种迭代方法非常耗时n 6 1 。 2 0 0 4 年，杨黎峰，赵熹华等建立了描述铝合金电阻点焊液态熔核流动行为和传 热过程的轴对称有限元模型，指出熔核的对流传热，并计算了对流速度n 刀。2 0 0 5 年，常保华等人采用基于显微接触理论的接触电阻模型，获得电极与试件和试件 与试件接触界面上接触半径的变化n 引。2 0 0 6 年，叶茂等人采用a n s y s 有限元分 析方法建立了电热和热力耦合有限元模型，考虑随温度变化的材料特性参数和对 流边界条件等，对点焊过程中的接触问题进行适当简化，通过对低碳钢薄板点焊 过程的分析，得到点焊接头的温度场模拟焊核形成过程，求得熔核及热影响区的 形状和尺寸，并提出了用熔核设计这一概念来研究电阻点焊n 引。2 0 0 7 年，罗震 等人，提出基于数值模拟的点焊接头力学性能的逆过程设计方法，建立点焊焊接 结构的力学性能与熔核尺寸的模型，通过有限元软件进行模拟计算，找到熔核形 核所需的电流曲线豫0 1 。 到目前为止，对于点焊热、电、力行为研究比较多，而且大多依据热、电、 力问题建立了点焊模型，研究点焊过程机理，形核过程以及相关的力学性能，但 是他们均未对点焊相变过程建立模型，进行相关数值模拟的研究，所以在点焊相 变组织数值仿真领域，迄今为止，可以说是研究的空白领域。 1 3 2 微观组织模拟技术的研究现状及发展趋势 焊接质量的好坏，力学性能的优劣在很大程度上取决于焊后的微观组织态。 因此，通过建立完善的焊接微观组织模型来分析接头显微的形成过程，类型及状 态，对于预测焊件的力学性能并最终控制焊件的质量至关重要。对焊接组织进行 模拟预测是焊接工作者长期致力研究的课题。常用的组织优化原则对不同条件下 制备的试样进行金相检验，以得到其组织形成的规律性。这样要耗费大量的人力， 物力，具有一定的盲目性。为了实现快速有效的选择焊接参数，节省实验经费， 提高焊接速度和经济效益。近年来，采用微观组织的数值模拟方法对焊接接头的 显微组织进行预测，可以把热影响区最终的相变组织、性能与使用的焊接工艺条 件联系起来，为优化焊接工艺参数奠定了基础，它可以把焊接工艺从定性阶段提 高到了定量分析阶段。 目前，微观组织的数值模拟己成为一个新的研究热点。微观组织的数值模拟 第一章绪论 经历了从定性模拟、半定量模拟到定量模拟，从定点形核到随机形核，从纯物质 微观组织的模拟到对多元合金微观组织的模拟，数学模型和研究方法也在不断完 善，但目前仍然处于学术研究阶段，欲使微观组织的数值模拟直接应用于指导实 际生产，还有待于进一步努力。要精确模拟微观组织的形成过程，要真实地再现 微观组织的形貌，就要找到一种可靠的数学模型来准确预测晶粒的形核、生长、 吞并、阻碍等过程。在宏观传热、传质、动量传输和结晶理论基础上，通过固相 分数这一桥梁将微观组织变化通过传热方程的源值项联系起来，形成了宏观、微 观模拟相统一的模拟方法。 在焊接过程中，快速加热及快速冷却过程是焊接接头组织发生剧烈的变化， 导致接头强度和韧性的改变。焊接过程复杂，影响因素很多，难以直接建立其物 理和数学模型。为了了解焊接过程对材料焊后性能的影响，动态地再现焊接接头 过程的组织变化过程，人们期待着能够对焊接凝固过程及其组织进行模拟。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，去取得了令人振奋的结果。 早在1 9 9 6 年，o l d f i e l d 口玎根据金属的传热及形核生长理论建立了晶粒生长 模型。8 0 年代以后，随着计算机技术的发展，组织模拟在铸造中得到了广泛的 研究，而在焊接领域里，组织模拟起步相对较晚，但近十年的发展非常迅速。 对于相变计算模型，目前国内外的研究大体上可分为两类： 一类是基于简单的动力学解析公式，只考虑主要的焊接参数，得到t 。，。( 8 0 0 冷却到5 0 0 ) 和t 。( 高温停留时间) 与热影响区最终组织关系。这种方法简 单，计算量小。k e e a s t e r l i n g 建立了一套计算微合金钢焊接过程中热影响区 组织与硬度变化的解析公式凹2 引，文献 2 4 ，2 5 将k e e a s t e r l i n g 的解析公式采 用微机编程，用来对微合金钢焊接热影响区的组织与硬度进行计算。 另一种研究是以热力学和动力学为基础，建立基于物理化学冶金的数学模 型。这种方法综合考虑温度、相变及热应力之间的耦合效应，一般比较复杂。焊 接接头相变领域的数值模拟中，数值方法大致可以分为如下三种类型瞻包2 7 1 。 ( 1 ) 利用相变热力学和相变动力学计算给定条件下任意时刻的相变变化， y u k i ou e d a 等人对这种方法进行了比较系统的论述。在y u k i ou e d a 等人的研 究中，相变动力学是以j o h n s o n - a v r a m i m e h 珏鲫等方程为基础，方程中需要的参 数受相变温度，冷却速度，相变形核，晶粒长大等因素的影响，可通过实验和相 变动力学的相关公式进行计算确定。这种模型的优点是在模型参数确定过程中， 可以对相变进行比较深入、具体的研究，计算时考虑到化学成分的变化对相变的 影响，理论上可以实现很高的模拟计算精度。它的缺点是在操作上模型参数的确 定比较困难，必须进行大量复杂的实验才能保证模型参数的准确，因而在实际的 6 第一章绪论 相变模型计算汇总，这种方法的应用较少。 ( 2 ) 利用等温转变相图( t t t ) 来计算冷却过程中的相变变化。该模型以 j o h n s o n - a v r a m i - m e h 等方程为基础，利用t t t 图的数据来确定模型的参数数值， 随着相变温度的降低，采用s c h e i l 相加性原理m 1 对已发生的相变进行等量的代 换，直到相变结束。与第一种方法相比其优点是数值计算所需要的参数由t t t 图 确定，需要的实验简单，实验数量较少，不涉及相变力学的复杂计算，计算的难 度较小，其缺点是通过相加性原理计算孕育时可能导致严重的偏差。因此 f m b f e r n a n d e s 们等人在计算相变的开始时间时根据已有的实验数据对相变的 开始时间进行修正；y u k i ou e d a 晗鲫等人则直接提出了利用热影响区连续冷却组织 转变图( s h c c t ) 来确定相变开始时间的方案。这种模型也在国内的一些研究中 得到应用3 。 ( 3 ) 近年来，直接利用s h - c c t 图来计算相变的模型也得到了很大的发展， 比较典型的如l e b l o n d 相变模型船7 1 和d p o n t 汹1 等人建立的数学模型。 r f o u r t u n i e r 等人在l e b l o n d 和d p o n t 研究的基础上，实现s h c c t 图和t t t 图的相互计算2 1 。由于不需要t t t 图，从而进一步减少了建立模型所需要的实验 量由于热循环过程和奥氏体晶粒尺寸等方面的影响。这种模型适用于与建立模型 条件相同的情况下。国内方面，李午申曾采用这种模型进行相变计算啪。 对于晶粒长大过程的模拟，h a i d e m e n o p o u l o s 通过将热力学和动力学模型 耦合，模拟激光焊中热影响区扩散相变过程，计算焊接热过程中强化相的体积分 数及平均晶粒尺寸。h u z i k e r 口引等人则根据部分解析发所预测出的热循环曲线来 计算焊缝中心线处晶粒生长情况。s i s t a 、m i s h r a 和k o s e k i 啪1 等人利用蒙特卡罗 方法对组织预测取得了一定的成果。在国内，莫春利刀等在已知温度场基础上模 拟了铁素体不锈钢在钨极氩弧焊中热影响区的晶粒长大情况。温俊芹口踟等通过模 拟在不同热输入和峰值温度条件下的晶粒长大情况，得出了晶粒长大趋势与热输 入和峰值温度之间的定性关系，并成功验证了温度梯度在晶粒长大过程中所起的 热钉扎作用。陈东等人通过三维蒙特卡罗方法模拟超细钢焊件的热影响区组织， 指出超细钢在焊接中具有很强的晶粒长大趋势引。 但是到目前为止，焊缝内的相交组织的模拟仍处于起步阶段，焊缝内晶粒生 长情况的模拟更需要进一步的研究。而在点焊研究方面，迄今为止，还没有见到 相关文献论述对于点焊相变组织和晶粒长大的模拟预测。 1 4 论文主要研究内容 综上所述，目前对于铝合金点焊相变组织的数值仿真研究几乎是个空白。本 第一章绪论 文拟分别对具有代表性5 0 0 0 系列和6 0 0 0 系列铝合金进行相变组织的数值仿真， 实现对铝合金电阻点焊的组织预测，并对铝合金电阻点焊的接头性能进行研究。 本课题的研究主要从以下几个方面进行探讨和研究： ( 1 ) 实现热、电和力的三场耦合计算，模拟铝合金点焊过程的温度场和相 变场。 一 ( 2 ) 建立相变组织模拟的相变模型，对于不可热处理强化的5 0 0 0 系列合金， 其模型的建立通过回复与再结晶动力学理论；对于可热处理强化的6 0 0 0 系列合 金，其模型的建立是通过运用扩散动力学理论。 ( 3 ) 利用数值仿真出的相变场进行组织分析和预测，探讨铝合金点焊过程 中母材组织，热影响区组织和熔核组织的变化进程。 ( 4 ) 对不同点焊工艺条件下铝合金点焊性能进行分析，主要研究出回火工 艺对铝合金点焊性能的影响，实现对铝合金点焊接头质量的控制。 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 2 1 点焊熔核的形成 电阻点焊在电极压力和大电流作用下，利用界面接触电阻和工件本体电阻的 产热而形成熔核，其工作过程如下： 2 1 1 点焊焊接循环 焊接循环是点焊中完成一个焊点所包括的全部程序。一个比较完整的点焊焊 接循环由加压、反复加热、反复冷却、维持、休止等十个程序组成。但对于一般 比较常用的金属材料，只需预压程序段、一次通电程序段、间隙程序段、二次通 电程序段、维持程序段和休止程序段等六个程序段就可以满足要求，图2 1 是点 焊焊接循环的示意图。 图2 - 1 点焊焊接循环示意图 f 一电极压力i 。一一次通电电流i 。一二次通电电流1 一加压程序2 一一次通电程序 3 一间隙程序4 一二次通电程序5 一维持程序6 一休止程序 点焊的电流提供的焦耳热是焊接的主要能源，但对电极来说，并不是一件好 事，电极压力及过大的焦耳热会造成电极的烧损消耗，单凭空气冷却是不够的。 所以，点焊机有一个水循环冷却系统，在焊机电极探出一个中空的细铜管，冷却 水由此处流入，再由管外铜电极内流出，达到水冷却的目的，图2 2 是电阻点焊 基本原理结构图。 9 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 图2 - 2 电阻点焊基本原理结构 2 1 2 点焊接头的形成过程 熔核、塑性环及其周围母材金属的一部分构成了点焊接头。在一良好的点 焊焊接循环下，接头的形成过程是由预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段所 组成，如图2 3 所示。 1 预压阶段 预压阶段的机一电特点是f w o 、i - - - - - 0 ，其作用是在电极压力作用下清除一 部分接触表面的不平和氧化膜，形成物理接触点( 图2 3 b i ) ，这就为以后焊接 电流的顺利通过以及表面原子的键合作好准备。 图2 3 基本点焊焊接循环( a ) 和接头形成示意图( b ) 1 一加压程序2 一焊接程序3 一维持程序4 一休止程序 i 一预压，i l i 一通电加热一冷却程序 2 通电加热阶段 通电加热阶段的机一电特点是f w o 、i o ，其作用是在热与机械( 力) 作 用下形成塑性环、熔核，并随着通电加热的进行而长大，直到获得需要的熔核尺 1 0 一国协 -目。 k 晕 乒目卜 一瓣言 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 寸。 通电加热阶段包括两个过程：在通电开始的一段时间内，接触点扩大，固态 金属因加热而膨胀，在焊接压力作用下金属产生塑性变形并挤压板缝( 图2 3 b i i ) 。这一塑性变形有助于形成密封熔核的环带，同时也导致板缝发生翘离，从 而限制了导电通路的扩大，对保持足够的电流窨度起到有利作用；继续加热后 开始出现液态熔核并逐渐扩大到要求的核心尺寸( 图2 3 b e l ) ，切断电流停止 加热熔核将进入冷却结晶阶段( 图2 3 b i v ) 。 3 冷却结晶阶段 冷却结晶阶段的机一电特点是f w 0 、t = o ，其作用是使液态熔核在压力作 用下冷却结晶( 图2 3 i v ) ，详细过程见213 所述。 2 1 3 熔核的结晶过程 减弱或切断焊接电流，焊接区产生的热量不足以弥补散失的热量时，熔核便 开始冷却结晶。该凝固过程时间很短，熔核的结晶规律符合凝固过程理沦。 由于材质和焊接规范特征的小司，熔核的凝固组织可有三种：柱状组织、等 轴组织、“柱状+ 等轴”组织。 纯金属( 如镍、铜等) 和结晶温度区阃窄的台金( 碳钢、合金钢、钍台金等) ， 其熔核为柱状组织+ 铝台金等其熔核为叫主状+ 等轴”组织，熔核凝固组织完全 是等轴的情况很少见。下面以l y l 2 c z 薄板点焊为例分析熔核的结晶过程，“ 主 状+ 等轴”组织形成模型如图2 4 所示。 ，丽擀熟i t t , l ，： 藏爨簸 】 “柱抗一等轴”组织形成过程模型 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 【广液态金属表面( 1 2 熔核高处) s 一母材固相表面( 熔核线处) 图( a ) ：凝固前夕的熔核，熔合线上许多晶粒处于半熔化状态，液态金属 能很好的润浸取向不同的半熔化晶粒表面，为异质成核结晶提供了有利条件。 图( b ) ：液态熔核的温度开始降低，熔合线处液态金属首先处于过冷状态， 结果以半熔化晶粒作底面沿( 0 0 1 ) 向( l y l 2 c z 铝合金属立方晶系) 长出枝晶束。 某些枝晶发生二次轴的熔断、游离和向熔核中心运送。 图( c ) ：枝晶继续生长，锯齿形的连续凝固层向前推进，液体向枝晶间填 充，使枝晶粗化；与热流方向倾斜的枝晶束生长受阻，枝晶间距自动调整。更多 的枝晶二次轴发生熔断、游离并被运送到熔核心部；枝晶前沿液体金属的温度梯 度逐渐变缓和溶质浓度的不断提高，均使等轴晶核在熔核心部增殖，个别晶核以 树枝晶形态生长。 图( d ) ：液态金属成分过冷愈来愈大，大量的等轴晶核以树枝晶形态迅速 长大，彼此相遇以及与柱状晶的枝晶束相遇互相阻碍。凝固即将结束，当剩余液 体金属不足以完全填充枝晶间隙时，即将形成缩松缺陷。 图( e ) ：具有缩松缺陷的熔核“柱状+ 等轴”组织断口形貌示意图。 图( f ) ：优质接头的熔核“柱状+ 等轴 组织断口形貌示意图。 2 2 点焊过程有限元原理 2 2 1 电势方程 根据电磁场理论h ，电流给定时体内电压分布满足l a p l a c e 方程。对于轴对 称问题，体内电压分布规律可用微分方程( 2 1 ) 描述： 旦止型) + 上型+ 旦( 土型) ：o ( 2 1 ) 却、p e 却 p e r8 ra z 、p e a z 式中，一圆柱坐标系中的径向坐标； z 一圆柱坐标系中的轴向坐标； u 一电压( v ) ： 风一材料的电阻率( q 所) 。 电极与工件的电阻率是温度的函数，在整个区域内，电阻率分布不均匀，电 压分布也就不均匀；电阻率随温度每时每刻都变化，那么电压每时每刻也是变化 的。 1 2 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 2 2 2 热传导方程 电阻点焊属于典型的有内热源的瞬态传热问题，在点焊过程中，由热源传给 焊件的热量，主要是以对流为主，而母材和焊接材料获得热能后，热的传播则是 以热传导为主。焊接传热过程中所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时 间的温度变化问题。因此研究焊接温度场，是以热传导为主，适当地考虑对流作 用。 焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力、变形计算以及焊接质量 控制的基础，焊件在快速加热和冷却过程中温度场的正确描述是进行组织转变前 提条件，是相变组织模拟仿真的基本条件。焊接温度场的准确计算必须建立起准 确的热传递数学模型和符合焊接生产实际的物理模型，根据具体的焊接工艺和条 件对热源进行校正；考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系，建立了焊 接过程的数学模型和物理模型。 焊件上某点瞬时的温度分布，可以表示为： t = t ( x ，y ，z ，t ) ( 2 2 ) 式中t 一为焊件上某点的瞬时温度( k ) ； ( x ，y ，z ) 一某点的坐标： t 一时间( s ) 。 因此非线性瞬态热传导问题的控制方程可以表示为： 舞害碣粤( 玛僻为龟 ( 2 - 3 ) 白尹一= ：一i 幻：一) + 一i 向k 一) + 一( ，z 一) + l) a 反、反7 西西7 岔、a 7 一 式中c 一材料的比热容( j k g k ) ； p 一材料的密度( k g m 3 ) ： t 一温度场的分布函数( k ) ： t 一时间( s ) ： k x ，k y ，k z - x ，y ，z ：y 向上的导热系数( w m k ) ； q 一内热源( j m 3 ) 。 温度场计算时，将模型的对称面定义为绝热边界条件，即 a t ：0 a 珂 其他周围表面定义为换热边界条件，即 ( 2 - 4 ) 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 五等= 口( 疋一互) 0 7 式中五一材料的热导率( j m 2 s ) ； n 一边界表面外法线方向； a 一表面换热系数( j 叠s k ) ； 疋一周围介质温度( k ) ； z 一物体表面温度( k ) 。 当采用有限元计算时，传热一般采用矩阵形式： ( 2 - 5 ) c 丁) + k 丁 = q ) ( 2 6 ) 式中 c 卜比热矩阵，考虑系统内能的增加； 一温度对时间的导数； k 】一热传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； n 一节点的温度向量； 纠一节点的热流矢量。 c 】= p c m r n d v 缈2j , q n d v + 工h ：t n d a x = 工 曰 r d 】 雪 d 矿+ 正o r d a 式中n - 元素的形状函数。 2 2 3 边界条件 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 在有限元分析中，为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，需要附加一 定的边界条件。通常有下列三类边界条件： ( 1 )第一类边界条件，已知边界上的温度值 五娑饮+ 力娶，z ，+ 彳娶他：f ( x , y , z , t ) ( 2 1 0 ) c o y o z 式中 允一材料的热导率( j m 2 s ) ； n 一边界表面外法线方向； f ( x ，y ，z ，t ) 为已知温度函数。 ( 2 ) 第二类边界条件，已知边界上的热流密度分布 1 4 第二章电阻点焊过程的有限元模拟 五娶+ 五娶以，+ 五娑，l ：吼( 训，印) ( 2 1 1 ) o x o y c z 式中名一材料的热导率( j m s ) ； n 一边界表面外法线方向； g 。一单位面积上的外部输入热源。 ( 3 )第三类边界条件，己知边界上的物体与周围介质间的热交换 五娶+ 旯娶刀，+ 兄娶他：p ( r o 一乃) ( 2 1 2 ) o x o y o z 式中五一材料的热导率( j i m s ) o n 一边界表面外法线方向； 一表面换热系数； z 一周围介质温度； z 一边界物体温度。 2 2 4 相变方程 在金属中发生的固态相变可以分为两类，即扩散型相变和非扩散型相变。 1 、扩散型相变 相变是由于新旧两相的吉布斯自由能差引起的。扩散型相变的自由能变化可 以表示为： a g ”= - v ”( g 0 一g ) + 彳”y 一q ( 2 - - 1 3 ) 式中v n g ” - - 新相的体积； e 。生成单位体积新相引起的自由能降低量； q 一单位体积固态相变引入的应变能增加； y 形成新相与旧相界面的单位面积表面自由能； g 由于位错等缺陷存在使形核所需激活能降低的自由能。 通常相变动力学方程是根据新相增量与控制相变的某一变量成比例的假定 上得到的，如时间，温度，应力，相变驱动力等。对扩散型相变，假定新相增量 与吉布斯自由能的降低( 相变驱动力) 成正比，在此基础上，推导出 j o h n