（材料加工工程专业论文）铝合金焊接结构退火消应工艺研究.pdf

中文摘要 因为铝合金比强度大、耐腐蚀等优良的特性，所以铝合金结构在当今社会的 各个领域都发挥着重要的作用。铝合金结构在加工过程中，尤其是焊接加工过程 中会出现许多的问题，特别是焊接残余应力和残余形变。它们的存在会对结构的 几何尺寸、结构强度、抗应力腐蚀( s c c ) 能力产生影响。 本文针对5 ：, 0 6 铝合金焊接结构的焊后残余应力消除问题，采用有限元法对 一个5 a 0 6 铝合金焊接构件的退火消应处理过程进行了热一力耦合分析；研究了热 处理过程中1 c r l 3 支撑工装与退火炉的炉温对退火温度场均匀化的影响以及退 火处理得到不同温度场对5 a 0 6 焊接结构残余应力释放的影响。对于5 a 0 6 铝合金 焊接结构退火处理过程的工艺参数及退火处理结果进行了模拟检测实验，并采用 数值方法进行了处理。本文的研究对于控制和改进5 a 0 6 铝合金焊接结构退火处 理工艺具有一定的指导意义 本文的主要工作是建立5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构及其内装1 c r l 3 支撑工装 的三维有限元模型，分析该结构在退火消应过程中的温度场均匀化过程及内装焊 接工装对这一过程的影响。考虑材料热物性参数和力学性能依赖于温度的变化， 以热一弹塑性理论为基础，利用大型有限元分析软件a n s y s ，模拟了实际结构在 热处理中的温度场均匀化和残余应力释放的动态过程。通过模拟计算和实验研 究，分析该5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构在不同退火工艺规范下的应力消除效果。 确定适用于该5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构的退火消应规范，为控制其焊后残余应 力水平提供热处理工艺研究依据。 关键词：5 a 0 6 铝合金；温度场；焊接残余应力；有限元；热一力耦合分析 a b s t r a c t b e c a u s ea l u m i n u ma l l o yh a v es o m eg o o dc h a r a c t e r ss u c ha sg r e a ti n t e n s i t y , c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，t h e a l u m i n u m a l l o y s t r u c t u r ei nt h ev a r i o u sa r e a so f c o n t e m p o r a r ys o c i e t yp l a y sa l li m p o r t a n tr o l e mt h ec o a r s eo fp r o c e s s i n g ，a l u m i n u m a l l o ys t r u c t u r ep a r t i c u l a r l yw e l d i n gp r o c e s s e sw i l l b em a n yi s s u e s ，p a r t i c u l a r l y r e s i d u a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o n t h e i re x i s t e n c ew u lh a v ei n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r eo f t h eg e o m e t r i cs i z e ，s t r u c t u r a ls t r e n g t h , r e s i s t a n c et os t r e s sc o r r o s i o n ( s c c ) c a p a c i t y i m p a c t i no r d e rt oe l i m i n i s ht h er e s i d u a ls t r e s so f a l u m i n u ma l l o ys t r u c t u r ea f t e rw e l d i n g ， t h i ss t u d y i n gu s e df i n i t e - e l e m e n tm e t h o dt oa n a l y s et h et h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l i n g i nt h ep r o c e s so f a l u m i n u ms t r u c t u r eh e a tt r e a t m e n t b a s e do nt h er e s u l t ，t h i ss t u d y i n g r e s e a r c h e dt h ee f f e c tt h a tt h ec l a m pa n dh e a tr e s o u r c et e m p e r a t u r ea c t e do nh e a t t r e a t m e n th o m o g e n e i t yt e m p e r a t u r ef i e l d , a n dt h ee f f e c tt h a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e f i e l d sa c t e do nt h er e s i d u a ls t r e s sr e l e a s eo ft h ew o r k p i e c ei nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s b a s e do ne x p e r i m e n t a t i o n , e x a m i n e dt h er e l a t e dd a t u m 、t e c h n i cp a r a m e t e ra n dh e a t t r e a t m e h tr e s u l t so fa l u m i n u ma l l o yw o r k p i e c eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，a n dd e a l e dt h e r e s u l t sw i t hn u m e r i c a lv a l u em e t h o d ，t h i ss t u d y i n gh a sd i r e c t i o ns e n s et oc o n t r o la n d i m p r o v et h ep r o c e s so f a l u m i n u ma l l o yh e a tt r e a t m e n t t h ec o r eo ft h i sp a p e ri st oc r e a t ea3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ea l u m i n u m a l l o ys t r u c t u r ew i t hc l a m pt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ed y n a m i c a lp r o c e s so f r e l e a s i n g r e s i d u a ls t r e s s b e c a u s et h et h e r m a lp h y s i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a ld e p e n do nt h e t e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e ru s e st h em o s tp o p u l a ra p p l i c a t i o np r o g r a m , a n s y s ，t o s i m u l a t et l l ep r o c e s so fr e l e a s i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dh o m o g e n e i t yt e m p e r a t u r ef i e l d a l lt h e a n a l y s i sp r o c e s s e sa r eb a s e d o nt h eh e a te l a s t o p l a s t i e i t yt h e o r y t h e c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nt h a tt h ec l a m pd o e sl i t t l ee f f e c to nt h ep r o c e s so fr e l e a s i n g r e s i d u a ls t r e s sb u to nt h eh o m o g e n e i t yp r o c e s so f t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h er e l e a s i n g r e s i d u a ls t r e s sd e c r e a s ew h i l et h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e k e yw o r d s ：5 a 0 6a l u m i n i u m a l l o y , t e m p e r a t u r ef i e l d , f m i t ee l e m e n t ， h e r m a l s t l u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i s u 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，也不包含为获得基壅盘堂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。 学位论文作暑签名：矫i 寸碌签字日期：力护万年 月叩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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) 学位做作者签名弘中万、 签字日期：鲫6 年哆月7 7 日 签字日期：口6 年p 月7 日 天津大学硕士学位论支第一章绪论 1 1 铝合金及其焊接性 1 1 1 铝合金的物化性质 第一章绪论 在地壳中，铝的含量仅次于氧、硅，约占8 1 3 ，是地球上储量最多的金属元 素。铝用作工业材料还不足9 0 年，但却是仅次于铁的重要工业用材。 众所周知，铝的重量轻并且耐腐蚀。铝的密度约为2 7 6 7 9 9 1 皙m 3 ，大约 是钢或铜密度的1 3 i 1 1 。 铝通常需要合金化才加以利用，合金化元素主要是铜、镁、锰、硅和锌【2 】。 为了获得所希望的性能和晶粒再细化，有时在特定的合金系统中再添加少量的 铬、铁、镍、和钛。 1 1 2 铝材的分类 铝材有多种分类方法： ( 1 ) 按有无合金成分，铝材分为纯铝及铝合金。铝合金又分为a i m n 合金、 a i - c u 合金、a l s i 合金和a 1 m g 合金等系列； ( 2 ) 按压力加工能力，铝材分为变形和非变形铝合金( 例如：铸铝) ： ( 3 ) 按能否热处理强化分，铝材又分为非热处理强化和热处理强化铝合金， 纯铝、铝锰合金、铝镁合金不能通过热处理相变来提高强度，但铝铜和铝镁硅合 金可通过固溶时效析出强化相来提高强度，称为可热处理强化铝合金。 5 a 0 6 属非热处理强化的铝镁合金。 1 1 3 铝合金的焊接性 焊接性是表示金属材料是否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能 的焊接接头的特性1 2 】。 铝合金特殊的焊接性能主要有以下几个方面。 ( 1 ) 强的氧化能力铝和氧的亲和力很强。铝在空气中容易与氧结合生成致 密的三氧化二铝薄膜，它易吸附水分，并在焊接过程中形成气孔、夹渣等缺陷， 从而降低焊接接头的力学性能。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 高的热导率和导电性铝合金的热导率、热容、熔化潜热大，热导率为 2 2 5 3 陟，足) ，比钢大一倍多，因此焊接铝合金时要比钢消耗更多的热量。为 了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源。 ( 3 ) 容易形成热裂纹铝的线膨胀系数为2 3 6 x 1 0 6 ，约比钢大2 倍，凝固 时体积收缩率达6 5 6 6 ，因此在焊接某些铝合金时往往由于过大的收缩内 应力而导致裂纹。 ( 4 ) 容易形成气孔铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体。在高温下溶入 的大量氢气在焊后冷却凝固过程中来不及逸出而凝集在焊缝中形成气孔。 ( 5 ) 高温下的强度和塑性低在高温下铝的强度和塑性很低，以致不能承受 液体金属的重量而使焊缝成型不良，甚至形成塌陷、烧穿等缺陷。 ( 6 ) 合金元素易蒸发和烧损某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌 等，这些元素在高温作用下极易蒸发、烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分， 同时也降低了焊接接头的性能。 ( 7 ) 无色泽变化铝及铝合金从固态变成液态时无明显的色泽变化，因此在 焊接过程中给操作者带来不少困难嘲。 1 1 4 铝合金结构的焊接残余应力与变形 在铝合金的焊接过程中，焊接区经历一个复杂的不均匀快速加热和冷却过 程，这必然引起焊接区发生不均衡的应力应变变化，这种不均衡的应力应变是导 致焊后形成残余应力和变形的主要原因。 铝合金刚度差( 约为碳钢的三分之一) 、线膨胀率大( 约为碳钢的二倍) 、高温 强度低( 3 7 0 时强度仅为1 0 m r a ) ，致使其焊接结构的焊后变形与钢相比严重的 多，而且其矫正难度也很大，一旦发生大的焊接变形，结构几何尺寸精度和使 用性能将难以保证1 4 】。 1 2 焊后残余应力与变形控制方法 焊接过程不均匀的加热与冷却导致焊接接头区产生非均匀的膨胀和收缩，在 结构中引起残余应力与变形。残余应力的存在对结构的脆性破坏、疲劳破坏、应 力腐蚀开裂以及尺寸稳定性都有不良的影响。而焊接变形也是结构设计上要考虑 的重要问题。事实上，如果结构约束大而变形小，焊后残余应力则会增大，反之 如果结构约束小，则其焊接变形就会很大。由于铝合金的热导率和线膨胀系数分 别比钢大l 2 倍，焊接变形问题更加突出，所以控制焊接残余应力与变形是制造 铝合金焊接结构时必须考虑的重要问题。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 控制焊接残余应力的方澍5 1 ( 1 ) 振动法 有研究表明，用适当的方法在焊接结构上施加足够高的振动应力使之形成稳 定的共振状态，就有希望把一些焊接残余应力去除掉。对于具体的焊接结构需要 仔细研究适用的振动消应工艺并评估其效果。 ( 2 ) 锤击法 焊接时，及时锤击焊接金属使其产生塑性伸展，可使该部位的拉伸残余应力 得到松弛。这种应力松弛是局部的，主要目的是预防焊接开裂。 ( 3 ) 静拉伸法 在平行于焊接的方向进行机械或热拉伸将使焊缝区发生拉伸塑性变形，以达 到减小焊缝区纵向残余应力的目的。如果焊接接头是高匹配的，则不能用拉伸法 来消除焊缝区的纵向残余应力。 ( 4 ) 预热法 焊前预热的目的主要是防止焊缝开裂，同时也有减低焊后残余应力峰值的作 用，但不能把残余应力完全消除。 ( 5 ) 热处理法 对焊接结构进行整体退火处理是使焊接残余应力完全松弛的有效办法。 在无法对大型焊接结构进行整体退火处理的情况下，对焊缝区进行局部热处 理可使焊接残余应力得到部分松弛。 1 2 2 控制焊接变形的方法6 】 铝合金焊接结构的焊接变形可以从设计和工艺两方面来解决。设计上如果考 虑得比较周到，注意减少焊接变形，往往比单纯从工艺上来解决问题方便得多。 相反地，如果设计考虑不周，则往往给生产带来许多额外得工序，大大延长生产 周期，提高产品成本。因此，除了要研究工艺措施外，还必须重视设计措施。 1 设计措施 ( 1 ) 合理地选择焊缝的尺寸和形式。焊缝尺寸直接关系到焊接质量和焊接变 形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构 的承载能力条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。 ( 2 ) 尽可能减少不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常需要采用筋板来提 高板结构的稳定性和刚性。但是为了减轻重量采用薄板，不适当地大量采用筋板， 反而不经济。因为这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且因焊接变形大，增 加校正工时。如果适当加厚壁板，从而减少了筋板，即使结构的重量稍重一些， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 还是比较经济的。 ( 3 ) 合理地安排焊缝的位置。在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴， 或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁、柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。 焊缝对称于中性轴，有可能使焊缝所引起的挠曲变形互相抵消。而焊缝接近断面 中性轴，可以减少焊缝所引起的挠曲。 2 工艺措施 ( 1 ) 反变形法。这是生产中最常用的方法，事先估计好结构变形得大小和方 向，然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消。 ( 2 ) 刚性固定法。这个方法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限 制焊接变形。用这种方法来预防构件的挠曲变形，效果远不及反变形。但是利用 这种方法来防止角变形和波浪变形，还是比较好的。本文中的工装就起到刚性固 定的作用。 ( 3 ) 合理地选择焊接方法和规范。选用线能量较低的焊接方法，可以有效的 防止焊接变形。如果没有条件采用线能量较小的焊接方法，又不能进一步降低规 范，则可采用直接水冷或采用铜冷却块来限制和缩小焊接热场的分布，达到减小 变形的目的。应该注意的是，对焊接淬硬性较高的材料应慎用。 ( 4 ) 选择合理的装配焊接顺序。在装配焊接比较复杂的结构时，可把它分成 几个简单的部件，分别装焊，然后再进行总装焊接。这不但利于控制焊接变形， 而且由于作业面扩大，也为了缩短生产周期，提高生产率创造良好的条件。 1 3 焊接残余应力与变形的数值模拟技术 随着信息技术、数值计算和计算机技术的发展，过程模拟技术渗透到焊接工 程问题的研究中，从而使对焊接过程的认识逐步从技艺走向科学化1 7 , 研。焊接不 均匀加热、冷却过程产生的焊接残余应力与变形，不仅影响焊接结构的尺寸精度， 同时也影响结构的强度、韧性等使用性能。数值分析方法和计算机技术的发展为 研究焊接应力与变形问题提供了新的手段。1 9 7 0 年代，日本u n d ay 等 9 1 0 】在热 弹性有限元基础上提出了计算焊接残余应力固有应变法。m a s u b u c h ik 等【1 1 】也是 该领域的早期研究者之一，曾取得了许多积极的成果，推动了数值模拟技术在焊 接领域的研究、应用。 国外关于铝合金焊接残余应力与变形方面做了很多研究。文献 1 2 】阐明了振 动焊接在控制变形方面的作用。而火焰喷水法消除残余应力大约在1 9 5 0 年出现 于美国【l3 1 。 文献【1 4 】中论述了前苏联的研究成果。他们研究了一种吸热胶用于 焊接过程中对焊缝进行冷却。其原理是利用吸热胶中的水分蒸发和无机盐化学反 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 应吸收焊缝中的热量，从而等效降低线能量，促使其快速冷却形成畸变温度场， 在焊缝及近缝区形成纵向塑性拉伸，达到降低残余应力的目的。此方法不受材料 和焊接位置及形状的限制，其有很大的灵活性。近年来随着工业的迅猛发展，人 们已不满足于对结构的简单变形控制，而更倾向于对焊接构件的定量、稳定的控 制。因此国内外一些学者相继提出了一些主动、定量控制变形的方法，如低应力 无变形焊接法、瞬态热拉伸焊接法和预拉伸焊接法等0 5 q 7 我国在焊接应力与变形领域的数值模拟研究工作主要从1 9 8 0 年代开始。唐 慕尧等对单面焊终端裂纹的力学机制和焊接应力数值模拟进行了研究，提出了相 应的控制措旄【l “1 9 1 。霍立兴教授等对耐热钢1 0 c r m 0 9 1 0 和s f 2 2 0 5 管道环形焊 缝的残余应力场进行了模拟；分析了b t 2 0 钛合金电子束焊和焊后电子束局部热 处理的实际焊接温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布，数值模拟 的结果与实测的残余应力值基本一致口o 翻。杨愉平口3 1 、，郭绍庆等【2 棚对高强铝合 金薄板进行了二维平面应力的瞬态有限元分析。方洪渊等瞄j 对l f 6 铝合金薄板 平面内环焊缝焊接应力和变形的特点进行了模拟分析。 国内关于铝合金焊接结构的研究也有很大的进展，璋明n t 2 6 _ l 等对在预拉伸应 力作用下，焊接了厚度为4 m m 的5 a 0 5 铝合金试板，通过焊接试板挠曲变形量的 测定，探讨了预加拉应力对铝合金焊接变形的影响。试验结果表明，预拉伸焊接 法可以有效减小铝合金薄板焊缝处的纵向挠曲变形量，在弹性应力范围内，随着 预拉伸应力的增大，试板的焊接变形逐渐变小。高翔【2 7 1 等研究一种投资少、见效 快的解决方法一振动处理，来解决铝合金的焊后廷迟变形。实验证明振动处理 能降低铝合金焊接结构残余应力峰值，使内应力均匀化，对于控制焊后延迟变形 有明显效果。振动后对焊缝组织的微观结构分析显示，振动处理降低了位错密度， 因为住错密度是内应力的直接表征，因此振动处理的作用效果可以用振动前后微 观结构的变化来解释。 由于焊接过程的复杂性及影响因素的多样性，对于复杂和大型焊接结构的应 力与变形的预测目前还存在一定的困难，主要表现在数值模拟过程中的结构自由 度规模庞大；瞬态分析时间步多；材料性能的严重非线性影响了求解的精度和效 率；焊接局部高温区的存在导致有限元方程组性态变差；焊接的移动热源导致过 程非线性；考虑坡口、填充金属、多道焊等工艺因素会增加数值模拟过程的计算 工作量田3 0 j 。这些都是要随着计算机硬件技术和软件环境的进步，来逐步解决 的问题。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 热处理工艺的数值模拟技术船1 建立模型一直在热处理数值模拟技术领域中处于重要位置。文献 3 2 1 总结了 减小热处理变形的建模以及模拟的趋势和任务，回顾了从1 9 8 2 年到1 9 9 9 年举行 的历次国际会议发表的与建模有关的论文情况。1 9 8 4 年在瑞典l i n k s p i n g 大学召 开的热处理内应力计算国际专题会议被认为是淬火过程数值模拟的里程碑。在这 次会议上，有我国学者y u a nf a - r o n g ( 袁发荣) 和w rs h a n g 1 i ( 武尚礼) 的论文m 】。 在过去的十年中，a s m - h t s ( 美国材料热处理学会) 成功举办了三次关于淬火和变 形控制的国际会议。数学和计算机模型及科学计算的国际会议( i c m c m & s c ) 也一 直关注材料加工工艺计算及其数学模型的开发进展。 1 9 9 6 年我国学者刘庄、吴肇基等出版了有关热处理数值模拟专著d 4 1 。2 0 0 0 年3 月在我国上海交通大学召开了首届热加工建模和计算机模拟国际会议。在这 次会议上，我国学者发表了数量可观的论文，涉及到淬火和回火f 弘删、表面处 理和焊接 4 1 4 5 1 、相变【4 纠羽、化学处理【4 9 5 0 】等多方面的内容，是我国在这一领域 研究成果的集中展示。 在过去的十年中，计算机的容量和速度有了突飞猛进的发展，随着国际上相 关基础和应用研究活动的日趋活跃，热处理过程的计算机模拟技术在工业上得到 越来越多的采用。模拟所使用的软件不仅有a b a q u s 、a n s y s 、m a r c 等通用 有限元软件，还有h e a r t s ( 日本) 、s y s w e l d ( 法国) 、t r a s t ( 瑞典) 、 d e f o r m - h t ( 美国) 、n s h t ( 中国，清华大学) 、s j t u - c a r b c a d ( 中国，上海交 通大学) 等专用软件，热处理过程数值模拟研究的环境日趋完善。 1 5 本文的研究内容和目的 为了解决5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构的焊接变形问题，本文通过a n s y s 建模， 用数值模拟技术分析焊接结构的退火消应过程，主要研究内容包括： ( 1 ) 建立5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构及其内装接工装的三维有限元模型，分 析该结构在退火消应过程中的温度场均匀化过程及内装焊接工装对这一过程的 影响； ( 2 ) 通过模拟计算和实验研究，分析该5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构在不同退 火工艺规范下的应力消除效果； ( 3 ) 确定适用于该5 a 0 6 铝合金筒形焊接结构的退火消应规范，为控制其焊 后残余应力水平提供热处理工艺研究依据。 天津大学硕士学位论文 第二章5 a 0 6 铝合金焊接结构与工装 第二章5 a 0 6 铝合金焊接结构与工装 2 15 a 0 6 铝合金的成分及- 眭能 5 a 0 6 铝合金属a 1 m g 系非热处理强化变形铝合金。其特点是密度比纯铝小， 有很好的抗海水腐蚀、焊接和抛光性能，塑性优秀，且强度比纯铝和铝锰合金高。 5 a 0 6 铝合金适用于各种塑性加工成型制品，可供造船、车厢、仪器和容器等各 种焊接结构用5 1 1 ，是航空航天工业不可缺少的重要材料【5 2 】。 5 a 0 6 铝合金化学成分见表2 1 。从表2 1 中可以看出，5 a 0 6 铝合金含有 5 8 6 8 的镁，这有利于改善耐蚀性，还可以提高合金强度。含有0 0 2 0 1 的钛， 可以促使合金获得细晶粒组织。 表2 15 a 0 6 铝合金化学成分 5 l 】( 质量分数) ( ) 主要合金元素其他元素 m g m n啊b ea lc uf es iz n 0 0 0 0 1 - 5 8 - 6 80 5 - 0 80 0 2 - 0 1余量0 10 40 40 2 0 0 0 5 5 a 0 6 铝合金的密度为2 6 4 0 k g m 3 ，在退火和挤压状态下塑性良好，适于制 造焊接容器、受力部件、飞机蒙皮及骨架构件( 5 3 】。 5 a 0 6 铝合金的常规力学性能如表2 2 所示 表2 25 a 0 6 铝合金的常规力学性能 拉伸强度肌p a屈服强度m _ p a弹性模勤v i p a伸长率 3 6 7 91 9 3 80 6 8 71 7 5 2 25 a 0 6 铝合金焊接结构 图2 1 中所示的是一个焊接的5 a 0 6 圆筒形结构，铝筒内部沿周向焊有加强 筋板，筋板焊接完成以后，需要沿轴向将部分筒壁切除( 图2 - l 中标以a 、b 的 部分) 。为防止因焊接应力松弛致使铝筒截面产生过大的径向变形，需预先在铝 筒内部各筋板之间安装支撑工装。 天津大学硕士学位论文第二章5 a 0 6 铝合金焊接结构与工装 4 0 7 高 2 ：刀 5 叼1 2 3 ( 5 0 ( 9 0 ) a 暑 图2 15 a 0 6 铝合金焊接结构示意图 2 3 控制结构变形的支撑工装 支撑工装的作用是使该铝合金结构在制造过程中能够保持设计所要求的截 面径向尺寸及形状。该工装的部分结构如图2 - 2 所示。由图2 2 中可以看到，该 工装主要由垂直支撑、水平支撑、联动机构和芯轴几部分组成。铝筒的径向位移 被工装的支撑部分限制，因此产生的压缩载荷通过联动机构作用在中间的芯轴 上，压缩载荷大小相等、方向相反，被相互抵消，这种控制简体径向变形的方式 叫做刚性固定法【5 5 】。安装该工装时，只需将图2 2 右视图中的芯轴相对支撑部分 示向右侧水平移动，支撑部分就会被联动机构驱动伸出。反之将芯轴向左侧水平 移动，支撑部分缩回，该工装即就被卸下。 天津大学硕士学位论文 第二章5 a 0 6 铝合金焊接结构与工装 4 卜垂直支撑2 一水平支撑3 一芯轴4 一联动机构 图2 - 2 支撑工装结构 该工装需要在热处理条件下承载，因此其主要承载部分用1 c r l 3 制造。该工 装在5 a 0 6 筒形焊接结构中的工作状态如图2 3 所示。 图2 - 3 带有支撑工装的5 a 0 6 焊接结构 天津大学硕士学位论文 第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 本文采用a n s y s 有限元程序，分析5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度 时间历程。 a n s y s 程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。与其它有限元分析 软件如s a p 或n a s t r a n 等相比，它有以下特点： ( 1 ) a n s y s 使用统一数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、 分析求解及多场分析的数据统一； ( 2 ) a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y s 的g u i ( i 羽形界面) 就可建立 各种复杂的几何模型； ( 3 ) a n s y s 提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器： a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非 线性分析； ( 4 ) a n s y s 支持智能网格划分等【5 6 1 。 3 1 退火温度场模拟【5 7 删 进行结构退火温度场的有限元分析应先把求解域离散化，即把求解域分割为 有限个多面体( 称之为单元) 。再以单元节点的温度作为基本未知量，建立起单 元温度插值函数，并以单元节点温度来表示单元内任意点处的温度，这样整个求 解域即可由有限个离散单元来代替，求解域上连续的温度函数日g ，弘z ，f ) 亦由有 限个单元的温度插值函数取代，即把整个求解域上连续分布的温度函数问题转化 为求解有限个单元节点温度的问题。 3 1 1 温度场的变分问题 假设一封闭曲面s 所围成物体的初始温度为日g ，y ，z ) ，曲面上各部分分别承 受对流、辐射、热流输入和表面温度已知的边界条件，则求解其温度场即为寻找 满足下列微分方程和定解条件的温度分布函数p 。 丢卜割+ 号一期+ _ a f ，k o 矿o ) 叫 刚， 天津大学硕士学位论文 第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时问历程 式中以，七，t 一一对应工，y ，：方向的导热系数( w m 一) ； g 。热流强度，也就是用内部热源表示的每单位体积的热生成率( 叫m 3 ) 1 考虑自然对流的边界条件 ( 1 ) 在对流边界母上， 吒_ 0 0 = 矗 一0 ，) ( 3 - 2 a ) 式中厅一与温度有关的对流系数( w m 2 ) ； 见一流体的平均温度( ) ； 0 一固体的表面温度( ) 。 ( 2 ) 在辐射边界母上， 砖罢= j i 一0 5 ) ( 3 - 2 b ) 式中j i 辐射系数； 以一辐射流的温度( ) 。 ( 3 ) 在热流边界s 上， k 掣：q s ( 3 - 2 q s 3 - 2 c ) r n _ 2 ) 2 考虑相变边界条件 在相变条件下，相变界面的状态是释放( 或吸收) 与材料体积转变率成正比 的潜热。该潜热要由离开界面前沿的热流来平衡。 3 考虑刚性边界条件 在给定的温度边界s 上 0 = 西( 3 3 ) 式( 3 1 ) 的初始条件为： 在瞬态分析中必须给出如下初始时刻的温度分布， 0l ，= o ( x ，y ，z ) ( 3 - 4 ) 在稳态分析中q b = q 。在瞬态分析中，当q b = q - a - c ! ( 詈) 时表示包括比热c 影响在内的单位体积的热生成率。 将式( 3 1 ) 至式( 3 - 4 ) 用变分表示，建立泛函7 r 【6 l 】 石= j ，斗偿) 2 + b 2 + 啦) 2 忆厅( 一剐峦 一f s c 和。( 彩n p 一岛哟。d s j 脚8 d v 取泛函盯的一阶变分，并令其等于零，则有 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 断= - r 占旺) r 丝匣p 矿一k 厅 一日5 印5 峦一凡_ i 一日5 p 5 落 ( 3 5 ) 一f s ，目k 箝5 , i s f r q b l 涮矿= o 式中= o o o o o o ； lk x 00 l l ( _ l0 七，0i 。 【0 0 t j 其中k 称为导热系数矩阵。 温度场的求解即在式( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 的约束下，寻找能够满足式( 3 5 ) 的 函数7 l 的问题，即变分问题。 3 1 2 温度场的有限元离散 对于一般问题，找到能满足式( 3 5 ) 的函数，r 相当困难，甚至是不可能的。 利用有限元方法可把总体温度场p ( x ，j ，z ，f ) 转变为所有单元的温度场函数，将式 ( 3 5 ) 对整个求解域的积分变为对全部单元的积分，将在边界砖和母上的积分 变为在其对应单元边界上的积分。 单元的泛函分式为： 断。= 占p 。尸誊。日。一6 0 r s 一6 0 7 r 8 + 阳s “ c o 一6 0 一足。包一05 ) 一阳一k 一0 ) 由断= 断，= 0 得到有限元系统的总体热流平衡方程 k 。0 = 荭+ 西一c o + k 。缸一0 s ) + k p 一0 5 ) ( 3 6 ) 式中k 。一总体刚度矩阵； q 。一边界热源输入形成的总体节点热流矢量； 蜴一内部热生成的总体节点热流矢量； c 一总体热容矩阵； 置。一总体对流矩阵； 置一总体辐射矩阵。 式( 3 - 6 ) 是以节点温度为未知量的代数方程组，即通过有限元离散把求解 微分方程式( 3 - 5 ) 的问题转化为求解代数方程组的问题。通过式( 3 6 ) 求得有 限个单元节点的温度后，根据单元温度插值函数就可以求出单元内任意点处的温 度，从而得到所求问题的温度场。 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 3 25 a 0 6 铝合金焊接结构的退火分析模型 3 2 3 退火热源模型 本文模拟井式热处理炉的退火过程，井式退火炉结构包括圆筒形炉体外壳、 隔热层、耐火层等，简图如3 1 所示。 简化模型如图3 2 ，将图3 1 中1 、2 、3 合为一层。将外壳的参数设为恒温 ( 即室温) ，这样就实现了实际热处理炉的隔热层的作用。图3 - 2 中m 面上施加 温度和热辐射系数，用来代替炉中的加热元件，从而建立了热源模型。 卜筒形炉体外壳2 一隔热层3 一耐火层4 加热元件5 一炉口 图3 - 1 退火炉结构简图 i彩 弋霾 i多。 i 乒 i# l g 图3 - 2 简化退火炉简图 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 3 2 4 模型单元的选择 本分析采用a n s y s 的单元库中的s o l i d 8 7 单元进行热分析。 s o l i d 8 7 是八节点的三维热实体单元。进行结构应力应变分析时，该单元 被等效的结构单元s o l i d 9 2 代替，节点分布不变。s o l i d 8 7 和s o l i d 9 2 单元的 形状和节点分布如图3 3 和3 - 4 所示。 z z 图3 - 3s o l i d 8 7 单元的几何参数 l 图3 - 4s o l i d 9 2 单元的几何参数 k k 3 2 5 网格划分 网格划分是建立有限元模型的重要环节，网格数量增加，计算精度会有所提 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时问历程 高，但同时计算规模也会增加【6 2 1 。 。 退火处理是一个均匀的热过程，结构整体的温度梯度变化不大，可以采取均 匀的网格划分。对图2 ，l 所示的5 a 0 6 铝合金焊接结构采用s o l i d 8 7 单元划分网 格，单元总数为3 7 2 1 9 ，节点总数为7 31 4 1 ，单元最小尺寸2 m m 。图3 5 和图3 - 6 分别是5 a 0 6 铝合金焊接结构和支撑工装的网格划分情况。 3 2 6 材料属性定义 图3 - 55 a 0 6 铝合金焊接结构的网格划分 图3 - 6 支撵工装的网格划分 用于铝合金焊接结构的材料5 a 0 6 和支撑工装材料1 c r l 3 的热物理性能参数 如表3 - 1 所示。 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时问历程 表3 - 15 a 0 6 和1 c r l 3 的热物理参数【6 3 一删 比热( j k g k ) 导热系签：( w m k 1 密度( k g m 3 ) 泊松比 温度( k ) 5 a 0 6 1 c r l 35 a 0 61 c r l 35 a 0 61 c r l 35 a 0 61 c r l 3 2 9 38 9 8 4 6 61 7 72 42 7 5 07 7 6 00 3 50 _ 3 3 9 39 5 l4 8 0 1 8 12 5 22 7 3 07 7 6 0o 3 50 - 3 4 9 31 0 0 35 1 9 1 8 52 5 5 42 7 l o7 7 6 00 3 5o 3 5 9 31 0 5 55 5 91 8 9 2 5 5 42 6 9 07 7 6 0o 3 5o 3 6 9 3 1 1 0 86 1 41 9 32 5 5 42 6 6 07 7 6 0o 3 5o 3 3 2 7 载荷和边界条件 1 退火处理炉热源载荷 对于退火处理问题，以施加在井式热处理炉内壁( 如图3 - 2 的m 面) 节点 上的节点温度和热辐射系数作为热源。 2 边界条件 开始加热前，结构上所有节点的初始温度为2 9 3 k 。在退火过程中结构节点 与周围介质的对流换热和辐射会导致热量转移，结构自身的热传导使得温度场逐 渐均匀。退火炉带有风扇，属于强制对流，对流系数不可忽略，还要考虑热辐射。 通常情况下耐火砖的热辐射率为0 8 0 9 ，铝的热辐射率为o 8 【6 5 1 ，所以本文 温度场分析辐射边界条件的发射率定义为炉热源辐射率为0 9 ，结构辐射率为 o 8 。 炉内强制对流换热系数采取如下公式1 6 5 1 进行换算： a 日= k v 0 8 式中一一对流换热系数矿02 芷) 】； y 一一炉气的实际流速s ) ； k 一一取决于炉温系数，见表3 - 2 。 表3 - 2k 与炉温之间的关系瞄】 炉温( k )2 9 33 7 3 4 7 35 7 36 7 37 7 3 k 系数5 3 84 84 1 83 4 7 3 3 63 1 9 3 2 8 时间步长的确定 时间步长的大小关系到温度场的计算精度。步长越小计算精度越高，同时计 算时间加长。由于退火处理的温度变化平缓，因此采用等步长进行温度场的计算。 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 开始先选几个时间步进行试算，并逐渐将时间步长逐渐依次减小。当相邻两次步 长的温度场计算结果的差别达到预定要求时即认为该时间步长已符合要求。最终 把时间步确定为6 0 0 步。 为了能一次性得到退火处理均匀的温度场，计算时把加热保温时间设置为长 时间的1 0 9 8 0 s ，然后根据温度场计算结果确定其均匀化所需要的时间。 3 3 温度场计算结果 3 3 15 a 0 6 铝合金结构退火处理的温度时间历程 图3 7 至图3 1 0 所示炉温为3 0 0 退火保温时间分别为1 0 ，2 0 ，4 0 和1 8 0 m i n 时5 a 0 6 铝合金焊接结构上的温度分布状况。 与之对应的结构外壁上的轴向温度分布和结构中问筋板内表面上的周向温 度分布分别如图3 1 l 和图3 1 2 所示。由图3 - 1 1 和图3 一1 2 可见，保温时间为 4 0 m i n 时，结构上的温度分布己完全均匀化，最高温度点位于结构外壁上，温度 值为2 9 0 5 c 。最低温度点位于筋板内表面，温度值为2 8 8 5 c ，温度差值为1 9 。最高温度值与炉温相差9 5 c 。 图3 7 炉温为3 0 0 c 、保温时间为1 0 r a i n 的温度分布 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 图3 - 8 炉温为3 0 0 c 、保温时间为2 0 r a i n 的温度分布 图3 - 9 炉温为3 0 0 c 、保温时间为4 0 m i n 的温度分布 图3 1 0 炉温为3 0 0 1 c 、保温时间为1 8 0 m i n 的温度分布 - 1 8 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时间历程 p v 魁 赠 图3 一l l 结构外壁上轴向温度分布 周向角度 图3 一1 2 结构中间筋板内表面上的周向温度分布 在不同的炉温下，结构上a 点( 温度最高) 和b 点( 温度最低) ( 见图3 - 1 3 ) 的温度一时间历程见图3 1 4 和图3 1 5 。由见图3 1 4 和图3 1 5 可以看到，在不同 的炉温下保温4 0 m j n 后结构上的温度可保持为定值。 图3 - 1 6 示出了保温4 0 m i n 时结构外壁上的轴向温度分布。图3 1 6 中的数据 表明保温4 0 m i n 后，结构上的温度已均匀化，最高温度和最低温度之差在2 。c 的 范围内。 在不同的炉温下，结构上的最高温度( t m 。) 与最低温度( t m i 。) 之差t 与保温时间的关系如图3 1 7 所示。由图3 - 1 7 可见，保温4 0 m i n 后t 保持为一 天津大学硕士学位论文第三章5 a 0 6 铝合金焊接结构退火消应的温度一时问历程 恒定值