钢轴对称件闪光对焊焊接工艺和接头温度场与组织模拟.doc

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羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅袀莇芆螀螆莆荿薃肅莅蒁螈羁莄蚃薁羇莄莃袇袃莃蒅虿膁莂薈袅肇莁蚀蚈羃蒀莀袃衿肇蒂蚆螅肆薄袂膄肅莄蚄肀肄蒆羀羆肃蕿螃袂肂蚁薅膀肂莁螁肆肁蒃薄羂膀薅蝿袈腿芅薂螄膈蒇螇膃膇蕿蚀聿膆蚂袆羅膆莁虿袁膅蒄袄螇芄薆蚇肆芃芆袂羂节莈蚅袈芁薀袁袄芀蚃螃膂芀莂薆肈艿蒅螂羄芈薇薅 目 录目录 1摘要、关键字2一、绪论3二、闪光对焊焊接工艺研究与分析14三、第三章闪光对焊焊接温度场测定及其有限元分析18四、闪光对焊焊接热影响区组织研究24五、参考文献30摘要利用较优的工艺参数进行焊接实验研究其焊接温度场分布。通过温度检测系统实测了45钢轴对称件闪光对焊焊接过程的温度场分布，确定了轴向温度T(x)与轴向距离X之间的关系为lnT(x)：尉口+k+彩+彬)；同一横截面上的径向温度由表及里逐渐升高，呈抛物线规律变化；以焊接热循环过程中的峰值温度TP为基准，将焊接热循环曲线分为升温段和降温段分别进行拟合处理，得到了不同测温点的焊接热循环曲线。基于有限元分析建立了闪光对焊焊接过程热电耦合的二维轴对称简化模型，该模型中结合闪光对焊的实际及材料物性参数随温度变化的特性，考虑了接触电阻及相变潜热对产热过程的影响，模拟得到了闪光对焊焊接加热过程任一时刻温度分布及任一位置焊接热循环。模拟与实测两者比较验证了所建热电耦合二维简化模型的合理性。基于45钢轴对称件闪光对焊焊接温度场的实测，采用MC模拟与理论分析结合的方法研究了焊接HAZ奥氏体晶粒长大，考虑了晶粒长大动力学及温度对晶粒长大的影响。根据EDB模型确定了奥氏体晶粒长大动力学方程，确定了模拟时间MCS与实际时间t、实测温度T(t)之间的关系方程，以VB为运行环境，再现了焊接HAZ晶粒长大的动态演变过程，模拟和实测的晶粒大小结果基本相吻合。MC模拟指出温度梯度使焊接HAZ中晶粒长大尺寸仅为整体受热时的70左右，焊接加热阶段对晶粒长大的贡献为2530左右。关键词：闪光对焊；正交试验；温度场；有限元模拟：MC方法；焊接HAZ；晶粒长大ABSTRACTThe three point bending test indicated that the plasticity of welding joint was worse thanthat ofthe matrixThe analysis ofmicrostructure is as follows：the grain size is finer graduallyfrom the weld to the overheated zone to the phase change Zone with the peak temperature fallalong with the distance going up away from the weld，the austenitic grain size of theoverheated zone is large and Widmanstaten structure is formed，which is the cause of thetoughness feltThe microstrucmre transformation and the grain size distribution wereanalyzed in different zones of welding HAZAnd the interactions of the temperature，microstructure and performance were discussedThe flash butt welding temperature distributions of axisymmetric 45 steel based on theoptimized parameters were measured by the temperature test systemThe relation between theaxial temperature T(x)and the distance x Was described as tnr(x)=K(a+bx+cx2+凼3)，theradial temperature ofthe same crosssection rose from the exterior to the interior and assumedparabola regularityThe weld thermal cycle curve offlash butt welding HAZ Was divided intocalefaction and refrigeration phases by peak temperature Tp，and Was fittedA simplified thermoelectric coupling 2-D axial symmetry model of flash butt weldingWas founded based on finite element analysisWith the fact of flash butt welding and thecharacteristic of material properties varied wim temperaturethe influences of the contactresistance and the phase change latent heat on heat generation process were considered in thismodelThe temperature distribution of each time and the weld thermal cycle of each positionin the heating process were obtained in the simulationThe comparison of the simulatedresults and the measured valnes proved the rationality ofthe simplified modelBased on the measurement of temperature distributions of axisymmetric 45 steel in flashbutt welding，it studied the austenite grain growth州th MC simulation and theoretical analysis，the influences of the grain growth kinetics and the temperature 011 grain growth wereconsideredThe austenite grain growth kinetics Was deduced in flash butt welding HAZ witllEDB，and the relationship of MC step，actual time and actual temperature was determinedUnder the background of VB，the dynamic evolutionary procedure of grain growth in flashbutt welding HAZ Was reappearedand the MC simulated result Was in agreement witll themeasured valueThe temperature gradient in the simulation makes the grain size in thewelding HAZ as 70ofthat in bulk heating and the welding heating process makes the graingrow only 2530or SO ofthe final grain sizeKeywords：flash butt welding，orthogonal test，temperature field，finite element simulation,MC method，welding heat affected zone，grain growth第一章绪论焊接作为制造业的基础加工工艺与技术为工业经济的发展做出重要的贡献。它广泛地应用于石油化工、航空航天、核动力工程、微电子工程、桥梁、船舶，以及各种金属结构等工业部门。焊接技术在推动我国的经济建设和发展方面起着重要的作用。电阻焊的加热温度比熔焊低、加热时间短，导致焊接热影响区(HeatAffected Zone，简称HAz)小，许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用这种方法实现优质连接。闪光对焊作为电阻焊的一种，具有高速高效、无须对被焊工件进行预处理、焊缝强度高、焊接过程简单等优点，使其广泛应用于汽车、航天和其他工程领域中。同时闪光对焊在异种金属及新型材料焊接中也有一定的应用。由于闪光对焊与熔化焊有着本质的区别，有必要对其热传导及组织变化等方面进行深入研究。11闪光对焊技术的发展、应用及特点111闪光对焊技术的发展和应用闪光对焊是电阻焊工艺的一种，电阻对焊主要适用于小截面工件的焊接，如小截面线材、管材、链环及截面积小于200mm2的低碳钢棒材等。对于大截面工件的对焊，如钢轨、输油输气管道、电站锅炉、石油钻杆等要用闪光对焊。从焊接物理本质来看，闪光对焊时虽然也产生液态会属，但在接头中不存在由液相凝固而形成的铸造组织，因此不能归入熔化焊一类，属于固相焊接，这是闪光对焊的突出特点，是其与熔化焊最主要的区别。有些利用熔化焊很难实现焊接的材料如高速钢、球墨铸铁和灰铸铁等都可成功的采用闪光对焊。某些异种金属的焊接，如铜和铝等，采用熔化焊几乎是不可能的，却能以闪光对焊解决。国内外闪光对焊典型的应用有钢轨和管道的焊接，航空航天工业中如航空发动机活塞环的焊接，汽车制造业中如汽车轮辋的焊接，另外如锚链、钢窗以及刀具的焊接也大都采用闪光对焊的方法。闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源并使焊件被焊端面缓缓移近到局部接触，利用产生的电阻热使接触点迅速被加热至高温熔化，产生强烈的金属飞溅，形成闪光(即烧化过程)，然后继续移近焊件被焊接端面，使之进一步闪光和加热直至整个焊接端面在一定深度范围内达到预定温度，最终迅速施加项锻力完成焊接的过程。闪光焊技术几乎是和电阻焊技术同时出现的。1885年美国人EThomson教授取得了电阻对焊的专利，这是有关电阻焊的最早记录。1886年第一台电阻对焊机诞生。1903年德国人首先使用了闪光对焊技术 20世纪5070年代，前苏联、美国、德国、日本、瑞士以及其他一些国家，对闪光对焊的基本理论及闪光焊机的研制进行了大量的工作，使闪光焊技术得到了迅速的发展，主要表现在以下几个方面l、在工件的送进控制上，由最早的手动杠杆、电动凸轮逐渐过渡到液压系统控制；2、在控制电压的方式上，由搭片式、插刀式的级数转换器，发展到水银引燃管，再发展到晶闸管：3、在闪光焊接的供电波形上，由传统的单相交流，发展到三相次级整流；4、在焊机容量方面，一些大容量的可以焊接大截面工件的闪光焊机也被研制出来。上世纪6070年代，原西德公司生产的大型闪光焊机，功率达4103kW，顶锻力达700t，可焊接截面积为lxl05mm2的工件；日本生产的3103kW薄板闪光对焊机，可焊接宽度为1800mm，厚度为65mm的钢板。随着工业的发展，需焊接工件的截面也越来越大，对焊机需用容量的要求也增大。为了节省功率并满足大截面工件闪光焊接的需要，国内外很多科研机构都对闪光焊的工艺过程进行了一系列的研究，并取得了显著成果，研究成功了程序控制降低电压闪光对焊、脉冲闪光对焊和有限自适应闪光对焊等新工艺。进入20世纪80年代，计算机技术也开始应用到闪光对焊过程的控制与参数检测中。这些措施都大大扩大了闪光对焊的应用范围，提高了闪光焊焊接接头的质量。我国对闪光对焊的研究起步晚，且跟国外有一定的差距。在焊机的研制生产方面，上世纪50年代我国生产了凸轮预热交流闪光焊机LM一180，其额定功率为150kW，送进速度由凸轮曲线决定，不能改变，无法适应不同工件的需要。之后成都电焊机厂陆续研制了UN系列闪光对焊机，如用于m1625m钢筋对焊的UN一150J光焊机，用于焊接截面积为450mm2的摩托车轮圈的UNQ125型闪光焊机等。上海电焊机厂生产了容量为250kW的带钢闪光对焊机，该机采用液压传动，焊接截面积达到了l，350mm2。在闪光焊技术理论研究方面，国内一些研究单位也做了一些工作，取得了一定的成绩。如铁道部铁道科学研究院通过对自适应连续闪光焊焊接过程的原理研究，提出了建立闪光焊最佳参数的方法；武汉锅炉厂的科技工作者根据1976年国际焊接年会提出的“能量控制法”，对锅炉钢管的闪光焊进行了研究。1998年清华大学机械系研制成功了500kW次级整流式大型拖车轴头闪光焊机，该焊机用工控机作为控制核心，同时备有手动控制系统，采用位移传感器和液压系统，利用预热闪光焊工艺成功焊接了截面为6,488mm2的工件，该项目1999年被教育部鉴定为“总体达到国际先进水平，部分技术位于国际领先地位”，其研制成功填补了国内空白Ill。虽然进行了上述的一些研究工作，但就目前情况来看，与国外先进闪光焊技术相比，我国的整体技术水平还很落后，国内在应用闪光焊焊接大型构件(如钢轨、汽车轮辋)时，闪光焊机还主要依靠进口。由上述闪光对焊机的发展可以看出，设备取决于工艺，因此为了制造出满足特定焊接要求的闪光对焊机需要对其焊接工艺进行研究。112闪光对焊的工艺特点根据工艺不同，可将闪光对焊分为连续闪光对焊和预热闪光对焊两种。连续闪光对焊焊接循环由闪光、顶锻、保持、休止等程序组成。其中闪光、顶锻两个连续阶段组成连续闪光对焊接头形成过程，保持、休止等是对焊操作中为形成牢固接头所必须的程序预热闪光对焊与连续闪光焊不同之处是在闪光阶段前增加了预热程序。闪光阶段是闪光对焊加热过程的核心。闪光开始时，由于焊件端面上存在微小的凹凸不平，只有小部分区域相接触，电流沿接触点流过，这些点上很大的电阻和电流密度使金属迅速升温熔化，熔化金属形成连接两个端面的过梁，由于过梁中部电流密度最大，不容易散热，使金属快速升温到沸腾温度，过梁内部产生蒸汽使其与表面之间形成巨大的压力差和温度差，有的过梁爆破飞出，形成绚丽的火花，闪光对焊由此得名。端面烧损的微区脱离接触，但工件仍在缓慢移近中，又在新的接触点上产生过梁并爆发闪光。由此可见闪光过程即是液体过梁不断形成和爆破的过程。另外闪光过程还可以烧掉焊接端面上的脏物和不平，降低焊前对焊件端面的准备要求；液体过梁爆破时产生的金属蒸汽和其他气氛(如CO、C02等)排挤大气，减少了端面氧化，形成自保护；闪光后期焊件端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和污染了的金属提供有利条件。当焊件对口及其附近区域获得合适的温度分布时即可进入顶锻阶段，此过程为一快速的锻击过程。开始时，动夹具突然加速使对口间隙迅速减小，过梁断面增大而不再爆破，闪光骤然停止，对口及邻近区域开始承受愈来愈大的挤压力。这一过程中焊件端口的液态金属被彻底排出，使焊缝中不残留由液态金属凝固而产生的铸造组织：排除了过热金属及氧化杂质，造成洁净金属的紧密贴合，提高焊缝接头的纯净度：对口和邻近区域在挤压力的作用下获得适当的塑性变形，促进焊缝高温金属的再结晶过程，从而形成牢固的焊接接头。预热阶段是预热闪光对焊工艺特有的，是闪光前期对焊件进行预热升温而使焊件达到良好焊接状况的步骤。预热可以提高焊件的端面温度，以便在较高的起始顶锻速度或较低的设备功率下顺利地丌始闪光，并可减少闪光留量，节约材料；预热时加热区域较宽，使顶锻时易于产生塑性变形，并能降低焊后的冷却速度，有利于可淬硬金属材料的对焊，5，61。闪光对焊焊接工艺的主要规范参数有：1、调伸长度L调伸长度是闪光对焊的一个主要参数，是指焊件伸出夹钳电极端面的长度。2、闪光留量f闪光留量随截面积的增大而增加，一般选择略大于临界闪光留量，这样实际闪光留量稍有波动也不会影响温度分布，保证顶锻前温度分布的一致性。3、闪光速度vf除少量小截面焊接性良好的焊件外，一般均采用加速闪光。4、闪光电流密度Jf(或次级空载电压U20) 对焊件的加热有重要的影响。它与焊接方法、材料性质和焊件端面尺寸等有关，通常在较宽的范围内变化。连续闪光对焊、导电导热性好的金属材料、展开形端面的焊件，Jf应取高值；预热闪光对焊、大断面的焊件，Jf取低值。例如，在额定功率情况下，低碳钢闪光时的Jf平均值为5-15Aram2，最大值为2030Amm2；顶锻时J。(顶锻电流密度)为40-、-60Amm2。在实际生产中，常常是给出次级空载电压U20，一般取在1514V之间。选择原则是在保证稳定闪光的条件下，尽量选用较低的U20。5、顶锻留量。由封闭间隙所需的距离、排除端面液体金属层所需的距离、补偿凹坑不平所需的距离和保证材料获得必要的塑性变形所需的距离等四部分组成。过小的顶锻留量将导致材料塑性变形不足而引起局部不能形成共同晶粒，导致力学性能下降。过大的顶锻留量将导致轧制纤维的严重扭曲而影响力学性能，严重时还可能会产生裂纹。6、顶锻速度V。顶锻的目的之一是将氧化物挤出接头，氧化物必须在接头冷却到某温度之前被挤出。通常V。略大些对获得优质接头有利。7、顶锻压力F。顶锻压力是为了达到预定的塑性变形量而施加的力，其值随材料的热强性能和加热温度分布而异。8、夹紧力Fc夹紧力Fc是为防止焊件在夹钳电极中打滑而施加的力。9、预热温度T，和预热时间h等。一般认为预热次数多些、每次短接时间短些有利于材料的均匀加热，但次数过多、短接时间过短则会导致预热过慢。基于所选择的焊接规范参数，预热阶段结束时要求沿整个焊件端面(尤其是展开形焊件，如板材等)得到均匀的预热，并达到所要求的温度值13,61。闪光阶段结束时必须满足对口处会属尽量不被氧化；对VI端面加热均匀；沿零件长度方向获得合适的温度分布：端面上有一层较厚的液态金属层等。顶锻阶段结束时对121及其邻近区域要获得足够且适当的塑性变形。闪光对焊焊接工艺的规范参数选择适当时，可以获得几乎与母材等性能的优质接头。化央渣及魏氏组织等缺陷影响焊接接头的拉伸及弯曲性能，使接头强度降低，脆性增大；而焊缝区的金相组织变化与焊缝区域的温度场、焊接工艺参数及焊缝区域出现的缺陷组织等多种因素密切相关，如果没有正常合格的金相组织，闪光对焊焊接接头的性能将受影响。钢铁研究总院瞵J对400MPa级超细晶粒Q235热轧带肋钢筋闪光对焊焊接接头的组织和性能研究发现其焊缝有轻微脱碳现象，组织以粗大针状铁素体和块状铁素体为主，只有少量珠光体存在，熔合线附近的晶粒也较粗大；焊缝硬度偏低，靠近熔合线的粗晶区硬度最高。对闪光对焊的系统性研究鲜见报道，本文拟对45热轧钢的闪光对焊焊接工艺及焊接温度场与接头组织、性能之间的关系进行综合研究。12焊接过程数值模拟概述焊接过程的研究主要体现在焊接热过程、冶金过程及焊接接头组织情况等几个方面，以往研究主要以试验手段为基本方法，其模式为“理论试验生产”，但大量的焊接试验增加了生产成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，引发了虚拟制造技术的热潮，这其中就包括对焊接过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现，为焊接生产朝“理论数值模拟生产”模式的发展创造了条件，使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。焊接数值模拟是以试验为基础并采用一组控制方程束描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得对该过程的定量认识，如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ的硬度、焊接区的强度、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其控制方程。1、焊接热过程的数值模拟；2、焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟：3、电弧物理；4、焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟；5、焊接应力和应变发展过程的数值模拟；6、非均匀焊接接头力学行为的数值模拟；7、焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟；8、特种焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等； 9、焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟等。焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。近二十几年来，很多学者都对数值模拟技术在焊接中的应用进行了研究，取得了不少成果。国际上比较著名的学者，如日本大阪大学的上田幸雄教授长期从事焊接热弹塑性理论的研究，创建了“计算焊接力学”的新兴学科。美国MIT的KMasubuchi教授在焊接残余应力和变形以及焊接结构分析方面有深入地研究。瑞典的LKarlsson教授和加拿大的AGoldak教授等在焊接热传导和热应力分析以及焊接接头组织性能预测方面作了许多研究并取得了不少成果。奥地利的HCerjac教授在计算机辅助焊接性方面进行了研究。日本的AMatsunawa教授和MUshio教授分别在焊接熔池和电弧物理方面进行了深入地分析等，国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。国内在20世纪80年代初才开始焊接数值模拟的研究工作，近些年来也取得了不少成果。西安交通大学和上海交通大学较早在焊接传热和热弹塑性应力分析方面作了许多工作近十年来焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展，研究工作已普遍由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的宏观尺度的模拟进入到以研究组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段；由单一的温度场、电场、流场、应力应变场、组织模拟进入到耦合集成阶段；由共性通用问题转向难度更大的特定问题，包括解决特种焊接模拟及工艺优化问题，解决焊接缺陷消除等问题；由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节集成等。13焊接温度场数值模拟的意义及研究状况焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说一切焊接物理化学过程都是在热过程中发生和发展的，例如焊接温度场决定了焊接应力场和应变场，还与冶金、结晶、相变过程有着不可分割的联系，成为影响焊接质量和生产率的主要因素之一，因此焊接热过程的准确测量和计算是进行焊接冶金分析、焊接应力应变分析和对焊接过程进行控制的前提。国内1981年西安交通大学唐慕尧等人首先编制了有限元热传导分析程序，计算了薄板焊接二维准稳态温度场，计算中未计及材料热物性的非线性及工件表面的热损失。之后上海交通大学在焊接热传导数值分析方面作了许多工作，陈楚等人提出了求解非线性热传导问题的变步长外推法，建立了焊接温度场的计算模型和相应的计算机程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析，并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型，并在此基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好。西安交通大学的段权、张新国等人习利用有限元方