45钢轴对称件闪光对焊焊接工艺和接头温度场与组织模拟

1、 314182430目录摘要、关键字一、绪论二、闪光对焊焊接工艺研究与分析三、第三章闪光对焊焊接温度场测定及其有限元分析四、闪光对焊焊接热影响区组织研究五、参考文献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InT(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

2、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 ED模型确定了奥氏体晶粒长大动力学 方程，确定了模拟时间MC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

3、动态演变过程，模拟和实测的晶粒大小 结果基本相吻合。M(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 25%30%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that ofthe matrix The analysis ofmicrostructureis as follows ： the grain size is finer graduallyfrom the weldto the overheated zone to the phase change Zone with the peak te

4、mperature fallalong with thedistance going up away from the weld ，the austenitic grain size of theoverheated zoneis large and Widmanstaten structure is formed，which is the cause of thetoughness feltThe microstrucmre transformationand the grainsize distribution wereanalyzed indifferent zones of weldi

5、ng HAZ And the interactionsofthe temperature ，microstructureand performance were discussedThe flash butt welding temperature distributionsof axisymmetric45 steel based on theABSTRACTjoint was worse thanThe three point bending test indicated that the plasticity of welding凼3) ，theand assumedoptimized

6、parameters were measured by the temperature test system The relation between the axial temperature T(x)and the distance x Was described as tnr(x)=K(a+bx+cx2+radial temperature ofthe same cross section rose from the exterior to the interiorparabola regularityThe weld thermal cycle curve offlash butt

7、welding HAZWas divided intocalefaction and refrigerationphases by peak temperature Tp， and Wasfitted A simplified thermoelectriccoupling 2-D axial symmetry model of flash butt weldingWas founded based on finiteelement analysis With the fact of flash buttwelding and thecharacteristic of material prop

8、ertiesvaried wim temperature the influences of thecontactresistance and the phase change latent heat on heat generation process wereconsideredin thismodelThe temperature distribution of each timeand the weld thermal cycle of each positionin the heating process were obtained inthe simulation The comp

9、arison of thesimulatedresults and the measured valnes proved the rationality ofthesimplifiedmodelBased on the measurement of temperature distributions ofaxisymmetric45 steel in flashbutt welding ，it studied the austenite graingrowth 州 thMC simulationand theoretical analysisthe influences of the grai

10、n growth kinetics andthe temperature 011 grain growth wereconsidered The austenite graingrowth kinetics Was deduced in flash butt welding HAZ witllEDB， and the relationship ofMCstep ， actual timeand actual temperature was determined Under the background ofVB，the dynamic evolutionaryprocedure of grai

11、n growth in flashbutt welding HAZ Was reappearedand the MCsimulated resultWas inagreement witll themeasured value The temperature gradient in the simulationmakes the grain size in thewelding HAZ as 70%ofthat in bulk heatingand the welding heating processmakes the graingrow only 25% 30% or so ofthe f

12、inalgrain size Keywords： flash butt welding， orthogonaltest ，temperature field ， finite element simulation,MC method，welding heat affectedzone，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(

13、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200mm的低碳钢棒材等。

14、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

15、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E. Thomson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

16、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4Xl03kVV顶 锻力达700t，可焊接截面积为Ixl05mm2的工件；日本生产的3X 103kW薄板

17、闪光对焊机，可焊接宽度为1800mm厚度为6. 5mr1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

18、我国生产了凸轮预热交 流闪光焊机LMH180,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 ur系列闪光对焊机，如用于m16-25n钢筋对焊的UNH 150T光焊机，用于焊接截面积为450mm的摩托车轮圈的UNQ 125型闪光焊机等。上海电焊机厂生产了容量为 250kW勺带钢闪光对焊机，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

19、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勺工件，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

20、）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勺闪光对焊机需要对其焊接工艺进 行研究。112闪光对焊勺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 固接头所必须勺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 上存在微小勺凹凸不平， 只有小部分区域相接触， 电流沿接触点流

21、过， 这些点上 很大勺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勺过 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勺压力差和温度差，有勺过梁爆破飞 出，形成绚丽勺火花，闪光对焊由此得名。端面烧损勺微区脱离接触，但工件仍在缓慢移近中，又在新勺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 以烧掉焊接端面上勺脏物和不平， 降低焊前对焊件端面勺准备要求； 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

22、勺液体金属层， 为顶锻时排除氧化物和污染 了勺金属提供有利条件。当焊件对口及其附近区域获得合适勺温度分布时即可进 入顶锻阶段， 此过程为一快速勺锻击过程。 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，

23、 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X, 5, 61。闪光对焊焊接工艺的主要规范参数有:是指焊件伸出夹钳电极1、调伸长度L调伸长度是闪光对焊的一个主要参数，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保证顶锻前温度分布的留量,这样实际闪光留量稍有波动也不会影响温度分布,致性。3、闪光速度vf除少量小截面

24、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5-15A/ram2,最大值为2030AZmm2顶锻时J。（顶锻电流密度）为40-、-60A/mm2在实际生产中，常常是给出次级空载电压U20, 般取在1.514V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U2（X5、顶锻留量。由封闭

25、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

26、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,

27、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400M P级超细晶粒Q23熱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

28、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

29、勺硬度、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

30、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K. Masubuchi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L. Karlsson教授和加拿大的A. Goldak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H. Cerjac教授在计算机辅助焊接性方面进行了研究。日本的A. Matsunawa教授和M Ushio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

31、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

32、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，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

33、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

34、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法对焊接接头的非线性热传导问题进行研 究，得出焊接热循环曲线， 非线性数值分析表明在金属相变温度附近采用经典线 性方法的结果偏差较大， 并指出在模拟焊接接头温度场分布时必须考虑材料热传 导参数的非线性特征。132电阻焊焊接温度场数值模拟的研究进展由于闪光对焊的热过程很复杂， 目前这方面的文献较少， 相关方面对于点焊 及电阻对焊的研究较多，同样作为电阻焊方法，它们有一些共同点。 Greenwood早在1961年

35、运用有限差分方法建立了第一个描述点焊过程的轴对称热传导模型。该模型考虑了温度对材料物性参数的影响和工件内部产生的焦耳热， 并预测出快速加热时将在电极周边下方形成环状熔核， 指出早期阶段高温区集中于电极与工 件接触区域的边缘，这一结论在后来得到了 Kmse等人的试验验证，但该模型没有考虑接触电阻和熔化潜热等因素。ES. Myers等人认为这样的简化将带来很大 的误差，并指出任何准确的点焊温度场数值模拟都要在充分了解接触电阻行为的 基础上才能成为可能。后来，J. Ruge也发表了类似的数值模型。BenRIy和 Gree nwoo（等人研究了中碳钢点焊过程中接触电阻对温度场分布的影响，指出接触电阻仅

36、在加热初期起作用， 并且随着加热的进行， 接触电阻很快稳定下来。 1967 年，W Rice等人建立了一维差分模型对碳钢点焊过程进行研究，指出接触电阻对点焊的热行为影响不大，它在焊接过程中很快达到恒定值 f矧。H. A Nied在 1984年提出了一个电阻点焊过程的有限元模型， 对电阻焊作了开创性的工作。 他 建立了完整的电热力三者耦合的数学模型， 该模型可以用来分析压力和焊接 循环，预测温度分布、 热膨胀及其应力和熔核的几何尺寸等， 加深了对点焊过程 的认识。此后 Tsai ， Browne， Zajac 等都采用有限元的方法对点焊过程作了进 步的研究。1989年国内吴水海采用了电热耦合有限

37、元法对点焊时电位分布和温度 分布进行了研究。 1991年哈尔滨工业大学曹彪建立了低碳钢点焊的有限元模型，考虑了点焊过程中接触面的变化和接触压力对接触电阻的影响， 但未考虑变形对热、电分析的影响。 吉林工业大学王春生等人建立三维有限差分模型分析了异质 材料点焊的热、 电耦合行为及点焊熔核的形成过程。 2001年上海交通大学龙昕等人建立了镀锌钢板电阻点焊的轴对称有限元模型模拟了电阻点焊过程中电极与 工件的温度场分布， 模型中采用标定法来解决接触电阻产热的问题， 运用生死单元技术解决镀锌钢板焊接时镀锌层熔化的模拟问题。2004年清华大学常保华采用基于显微接触理论的接触电阻模型对点焊过程进行了模拟。

38、天津大学吴志生等用 数值模拟的方法研究了铝合金点焊温度场及电极导电导热性能对电极端面温度 的影响。吉林大学杨黎峰P”对铝合金点焊熔核流场及热场进行了有限元分析。相对于电阻点焊而言， 电阻对焊的研究起步较晚， 电阻对焊在顶锻阶段具有较大 的塑性变形，所以增加了问题的复杂性。为此Dawso率先采用有限元对不锈钢棒 的电阻对焊过程进行了模拟，随后Eggert对不锈钢棒、Nied对钛合会板的电阻对 焊进行了模拟， 选用的都是六节点三角形单元、 纯粘塑性材料模型。 模型中忽略 了应变对材料强度的影响。 1998年西安交通大学吴丰顺等人采用电、 热、塑性变 形耦合的有限元法， 模拟了直流电阻对焊过程， 探

39、讨了变形过程中电场、 温度场、 变形之间以及变形过程中界面夹杂物消除率和变形之间的相互关系。 闪光对焊尽 管与点焊和电阻对焊有相似之处， 但其焊接过程中有电弧现象、 材料的熔化、 物 质的烧损及较大的塑性变形等增加了问题的复杂性。 目前关于闪光对焊温度场数 值模拟的文献较少。 基于其在铁轨接长方面的应用， 2005年中铁山海关大桥集团有限公司P3J对高锰钢闪光对焊的温度场进了数值模拟，建立了轴对称的有限元 模型，考虑了随温度变化的热物理性能参数及接触电阻， 利用单元生死技术模拟 了物质烧损过程，提出了热电耦合的模拟方法。西南交通大学的焊接研究所J对U,IMn钢轨对焊顶锻阶段的热、力行为进行了模

40、拟。北京工业大学的王维斌对超细晶粒钢直流闪光对焊过程进行了研究， 他根据直流电阻阳光对焊的焊接特点， 以 连续介质电热原理为基础， 建立了可以表示闪光对焊的物质烧损和传热的电热耦 合模型，该模型可以准确的分析闪光对焊过程温度场与分布特征， 并最终实现了 整个焊接过程的电、热、力顺序耦合分析。从目前发表的资料而言，国外对闪光 对焊温度场的模拟基本无纪录。1。 4焊接接头微观组织的研究方法及研究状况焊接热影响区平均晶粒尺寸和晶粒大小的分布情况是焊接接头极为重要的 微观特征，这一特征直接决定着焊接件的焊接接头诸如强度、韧性、硬度、抗腐 蚀性及冲击韧性等许多性能。 因此对焊接热影响区晶粒大小的分布情况

41、进行研究 就显得非常重要。 为了了解焊接过程对材料性能的影响， 利用数值模拟的方法可 以动态的再现焊接接头的组织转变过程， 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，并取得了令人振奋的结果。141焊接接头微观组织的研究方法国内外较早普遍采用的方法是利用模拟焊接热影响区连续冷却转变(SimulatingHAZ Continuous Cooling Transformation，简称 SHCCT曲线对焊接热影响区的微观组织及性能进行研究，这种方法充分利用SHCC图的特点，无需大量的试验，但其使用面窄，通用程度不够，而且SHCC图的

42、建立本身也很复杂,需要高精度的测试仪器和大量的试验工作。另外HCerjak 等开发的综合性计算 程序“ HAZ CALCULATOR提供了大约50个冶金计算法，可用于各种状态的低合金钢的性能研究， 这种方法建立在大量试验的基础上， 可靠性高， 但费用较昂 贵。随着对焊接热动力学认识的深入， 利用建立数学模型的方法对焊接热影响区 的组织演化进行研究变得切实可行， 并越来越受到重视。 这种方法使用面广， 可 在计算机上实现， 试验成本低， 而且通过建模可以在更高的水平上加深对焊接热 影响区物理化学过程的理解。 目前模拟焊接接头微观组织的方法主要有确定性方 法和概率性方法。 确定性方法是指在给定时刻

43、， 一定体积熔体内晶粒的形核密度 和生长速率都是确定的函数， 该函数可通过实验求得。 运用确定性方法建立的模型可成功预测微观组织的特征， 如等轴晶的平均尺寸和柱状晶的纵向生长等。 王 永生等人P6J从晶粒长大的基本理论出发，考虑了焊接条件下的影响因素，综合焊缝金属合金元素对奥氏体晶粒长大的影响， 建立了一个在连续冷却条件下基于 碳原子扩散速率的低合会钢焊缝金属奥氏体晶粒尺寸的计算模型。 华中科技大学 的张国栋等人印 l 建立了基于夹杂物惰性界面非扩散形成的针状铁素体连续转变 动力学模型， 该模型可以用来研究焊缝中针状铁素体的转变特征， 包括转变温度 范围，转变程度以及与焊缝化学成分、工艺参数、

44、相变温度之间的关系，相变过 程中的最大可能转变趋势等。 上述方法多是基于相变热力学和相变动力学建立确 定性模型来实现组织转变的模拟， 忽略了与晶体学相关的因素， 无法反应晶粒生 长的几何和拓扑情况。因此有必要应用统计的方法来预测焊接热影响区晶粒生长及最终晶粒大小。基于概率性思想提出了随机性模拟方法，即蒙特卡洛（MonteCarlo，简称MC方法和元胞自动机（Cellular Automata ，简称CA）方法避免了上述问题。MC法与CAS 模拟晶粒长大时， 在能量的计算方法上均是以晶粒长大物理原理为基础， 按照概 率的方法通过自由能增量进行计算。 在微观组织模拟时，M方法是以界面能最小 为原理

45、、概率统计理论为基础，并以随机抽样为手段对晶粒生长过程进行模拟。M（法没有分子动力学中的迭代问题，也没有数值不稳定的情况，确保了其收敛性,M（法的收敛速度与问题的维数无关，这是它的优点，且其误差容易确定。另外,M（法的计算量小，所需机时少。CA法最早是由Von Neuman和Ulam作为生物机体的一种可能的理想模型而提出的， 随后它们被逐渐引入到数学、 物理和材料科学等更加广泛的领域。其在材料科学中的应用也是近几十年才发展起来的。CA法是 物理体系的一种理想化， 是一类离散模型的统称， 或者可以说是一种建立模型的 基本思想和方法，该思想是将研究整体离散成有限个胞，将时间离散成时问步， 每个胞的

46、状态随时J日J的变化按一定规则变化，变化中只受相邻胞的影响实现 局部的相互作用。 近年来发展了一种新的模拟方法， 即相场法也逐渐成为人们的 研究热点。 相场法是一种计算技术， 通过引入相场这一新变量而得名。 相场理论 是建立在统计学基础上，并以Ginzburg . Landai相交理论为基础，通过微分方程 反映扩散、 有序化势及热力学驱动力的综合作用。 相场方程的求解结果可以描述 金属系统的固液界面的形态、 曲率以及界面的移动。 目前相场法主要应用于模拟 凝固过程的枝晶生长情况，还没有被用于焊接接头的组织模拟 Lj ”。1. 4. 2焊接接头微观组织MCg拟研究进展MC方法在焊接接头微观组织模

47、拟中的应用最广泛。 该方法适用于研究材料中 的随机过程及现象，是将研究对象划分为很多小的单元，每个单元为一个单晶， 给每个单元赋值为其取向数，通过计算与取向值对应的相邻单元间的能量变化， 确定晶粒的长大，通过系统总能量最小化来完成结构的演化模拟。MCT法是在20世纪40年代首次作为一种独立的科学方法被提出来的，并首先应用于核武器的研 制、粒子传输等领域。1983年以Anderson、Srolovitz等为首的美国EXXO研究组 首先提出了二维M（算法，应用于二维的晶粒长大动力学模拟，后又将其应用于模 拟晶粒长大的尺寸分布、拓扑学和局部动力学研究。从此引起了广大学者的 重视并进一步将其应用于再结

48、晶、 多晶材料的晶粒长大、 有序一无序畴转变等多 种金属学和物理学的仿真过程。Brown和Spittle最先利用MC方法建立了晶粒长大 的概率模型。后来的研究者Panping Zhu和Smith考虑了材料的界面能与体积能，并结合连续性方程将Brown和Spittle的方法进行了改进。1994年Paillard等人应用M（技术在二维网络上模拟铁硅合金的正常和异常晶粒生长，得出用MC法模拟晶 粒长大的可行性。同年Radhakrishnan和Zacharia提出了改进的M（算法，以获得M（模拟与晶粒尺寸和时间之间的关系。1995年他们使用改进的M（模型深入研究焊接热影响区的晶粒结构及边界的钉扎作用，

49、 从此利用MC方法模拟焊接热影响区微 观组织得到了迅速发展。1996年Gao等人4H提出了 2个不同的模型，基于实验数据（Experimental dataBasedModel 简称 EDB的模型和晶界迁移（Grain BoundaryMigration Model ，简称GBM的模型来模拟金属、合会的正常晶粒长大，使 M（模拟能够应用于整个焊接过程，并结合 M（方法将GB模型应用于马口铁再结晶区等温晶粒长大的分析，还探讨了 ED模型在连续加热的钛合金晶粒长大中的应用,并进一步将两种模型应用于实际工艺生产过程中， 得出了等温过程和连续加热过 程中晶粒长大的规律。 此后的学者对焊接热影响区晶粒长

50、大模拟的研究均是基于 这两种模型进行的。国内学者对MCT法应用于晶粒长大的模拟也进行了不少研究。1994年陈礼清 等利用平面三角形点阵及M（模拟方法较好的重现了二维多晶体晶粒的长大规律, 淬态生长指数的模拟值为0.45,基本符合理论预测值。钟晓征，陈伟元等43-451不同以M（法为基础，使用改进的Q. State potts算法对多晶材料的正常和异常晶粒长大过程进行可视化模拟， 并对正常晶粒生长形貌演化也进行了可视化研究， 模拟时间下正常晶粒的形貌演化图与生长动力学相符合， 逼真度较好， 且生长指 数模拟值达到 047，且改进算法能有效减少仿真计算时间，便于在普通的实验环境上实现正常晶粒生长形

51、貌演化的计算机模拟。 宋晓燕等利用三维MC技术模拟 了较完整的单相材料正常晶粒长大的过程， 获得了晶粒长大动力学和拓扑学的全 面信息。山东大学张继祥等人也对现有的 MC法乍了进一步的改进，得出了更加符合实际物理过程的择优算法。 近年来对焊接组织及热影响区的模拟主要集中在纯 金属方面。莫春立等人利用ED模型对单相铁素体不锈钢的焊接HAZ晶粒长大过程进行了动态模拟，很好地反映了晶粒长大的动力学过程，并预测了HAZ中晶粒的分布以及温度梯度对晶粒长大的影响。 屈朝霞等结合大量的焊接热模拟试验， 建 立并确定了 400MP新一代钢铁材料脉冲MA焊的焊接HAz晶粒长大动力学方程，并在此基础上绘制出了新一代

52、钢铁材料焊接 HAZ勺奥氏体晶粒长大图。陈东等人通过M（模拟与理论分析相结合的方法对超级钢 TIG焊HA奥氏体晶粒长大的过程进行了研究，综合考虑了温度梯度、晶界液化及析出相粒子等因素对HA2奥氏体晶粒长大的影响。就已经对高强度合金钢轨闪光对焊的显微组织进行了研究15“。国内北京工业大学材料科学与工程学院与北京钢铁研究总院合作L321对Q235（超细晶粒钢闪光对焊温度场进行有限元模拟的基础上， 考虑了晶粒长大动力学及温 度梯度的影响，利用ED模型将MC方法应用于计算闪光对焊接头焊接HAz晶粒的大 小及分布， 同时研究了接头中温度梯度对奥氏体晶粒长大的影响， 确定了一次奥氏体晶粒度与温度梯度的关系

53、。本文拟结合闪光对焊焊接HAZ实际金相组织的测 量，采用上述方法建立合理的模型模拟闪光对焊焊接热影响区晶粒的长大及分 布，再现焊接接头的晶粒演变过程。第二章闪光对焊焊接工艺研究与分析闪光对焊作为一种固相焊接的方法，是在热机械（力）联合作用下进行的，通常比熔化焊的工艺条件好，在交通、建筑等行业有着广泛的应用。合理的焊接工艺参数是 实现高质量焊接的重要条件。 本章鉴于闪光对焊技术的工艺参数繁多，采用正交试验设计的方法，通过适量的试 验次数来确定轴对称件 45钢较优的闪光对焊焊接工艺参数组合，并反映出各参数组合 之间的内在关系。利用单一水平正交表 L9（34） 进行试验方案的设计，根据第一章中叙 述

54、的闪光对焊的主要规范参数，选择适当的焊接参数为试验因子，每个因子选择三个位 级数进行 45钢的闪光对焊焊接工艺研究，以焊接接头的抗拉强度为考核指标，将焊接接 头的力学性能符合要求的组合最终确定为其较优的焊接土艺参数。21试验设计概述 试验设计 （Experimental Design） 是以概率论与数理统计为理论基础，经济科学地 安排试验的一项科学技术，其主要内容是讨论如何合理安排试验和正确分析试验数据， 从而达到尽快获得优化试验方案的目的【52】。试验设计能从影响试验结果特征值（指标 ）的多种因素中判断出哪些因素显著与不显著，并能由此推导出预测数学模型，对设计能 达到的指标值及其波动范围给以

55、定量的估计。常用的试验设计方法有：正交试验设计法、 均匀试验设计法、单纯形优化法、双水平单纯形优化法、回归正交设计法、序贯试验设 计法等。本章采用了正交试验设计方法对闪光对焊焊接工艺进行研究分析。 目前在材料研究领域中正交设计和均匀设计是最主要的试验设计方法，它们分别用 于热处理、铸造、焊接、材料开发和表面处理等方面，基本涵盖了材料研究中的各个领 域，两种方法各有所长，给研究者提供了一定的便利。正交试验法是在实际经验与理论 认识的基础上，总结出的一种只需做少数次试验而又能反映出试验条件完全组合内在规 律的方法，这种方法的数据点分布均匀，可用相应的级差分析方法、方差分析方法、回 归分析方法等对试

56、验结果进行分析，从而引出许多有价值的结论。211正交试验设计法 正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它利用规格化的表格，即正 交表，科学的挑选试验条件，合理安排试验。其优点在于能从很多试验条件中选出代表 性强的少数次条件，并能通过对少数次试验条件的分析，找出较好的生产条件即最优或 较优的试验方案。用正交表安排多因素试验的方法就称为正交试验设计法。 正交试验设计中的基本概念主要有考核指标、试验因素及因素位级数三个。1、考核指标是在试验设计中，根据试验目的而选定的用来衡量试验效果的量值 （ 指标 ） 。定量或定性的考核指标均可。考核指标可以是一个或数个。本章采用闪光对 焊焊接接头的力学

57、性能作为考核指标。值的量，也称为试2、试验因素指当试验条件变化，试验考核指标也发生变化时，影响考核指标取验因子，一般记为A, B, C等，对应于正交表的列标号。本章确定 45钢闪光对焊工艺参数时选用调伸长度、输出电流百分比（闪光电流密度 ） 、闪光时间、次级空载电压等四个焊接参数为试验因素。3，位级指试验因素所处的状态。一般试验方案是由若干个试验因素所组成的若 干组合，因素在试验方案中变化的状态，就称为位级 （水平） 。本章根据经验值及试验 条件确定每个试验因素有 3个位级。212正交表原理及其选择 正交表是运用组合数学理论在 IF 交拉丁方的基础上构造的种规格化的表格。正交 表的符号是：Ln

58、(j1)其中：L为正交表的代号；n为正交表的行数(试验次数、试验方案数 )；j为正交 表中的数码(因素的位级数);i为正交表的列数(试验因素的个数);N=j*i为全部试验 次数 (完全因素位级组合数 )。常用的正交表有 L4(23) 、L8(27) 、L16(215) 、 L9(34) 、 L16(45) 等。正交表是依 据正交性原理设计的，其正交性主要体现在整齐可比性和均衡分散性两个方面。l 、整齐可比性 在同一张正交表中，每个因素的每个位级出现的次数是完全相同的。由于每个因素 的每个位级试验结果中与其他因素的每个位级参与试验的几率是完全相同的，这就保证 各个位级中最大程度的排除了其他因素位

59、级的干扰，因而能最有效地进行比较和做出展 望，容易找到好的试验条件。2、均衡分散性在同一张J下交表中，任意两列(两个因素)的位级搭配(横向形成的数字对)是完 全相同的。正交表安排的试验条件均衡地分散在因素位级的完全组合之中，因而具有很 强的代表性，容易找到好的试验条件阮531。正交试验设计法之所以具有很高的效率，是由于正交表的这蹲个特性，在应用正交表时必须要用这两个性质对所用的正交表进行 检查、验证。选择合适的正交表是试验能够成功进行的关键一步。正交表的选择主要考虑以下几 个方面：考虑因素的个数：一批允许作试验的次数；有无重点考察的因素。实际上选择 正交表时也和考虑因素的位级个数有关，即位级数

60、的确定与正交表的选择这两个问题是 相互牵连的，经常放在一起考虑。22闪光对焊焊接工艺试验方案的确定 设计好正交试验方案是发挥正交试验优越性的首要环节。进行正交试验首先要明确 试验目的，确定考核指标，然后挑因素，选位级，确定因素位级表，进而选择适宜的正 交表。本章对直径为m16mm长度为100mm勺45钢闪光对焊焊接工艺参数进行优化研究，考核指标为焊接接头的抗拉强度，单位为MPa它越大说明焊接效果越好，所选择的工艺参数越优。针对第一章中对闪光对焊主要焊接工艺参数的介绍，本章拟选择调伸长度L、输岀电流百分比Jf(闪光电流密度)、闪光时间t、次级空载电压U20等四个焊 接参数为试验因素，不考虑各因素