鋁合金點焊組織模擬論文

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摘要：電阻點焊的組織決定焊接接頭熔核的性能，熔核的性能決定焊接的質量。通過模擬點焊接頭的組織，可預測在不同點焊參數下接頭的組織形態和力學性能等，從而實現通過尋求最佳焊接工藝來改善焊件性能的目的。研究鋁合金點焊相變組織的分布規律，對優化點焊設計和工藝參數有重要的指導作用，本文通過應用有限元模擬軟件進行數值模擬，對6082鋁合金電阻點焊過程中的組織轉變進行模擬與研究，并通過實驗進行驗證，從而得出電阻點焊對6082鋁合金的組織轉變的影響。試驗驗證表明，數值模擬與試驗結果吻合良好，為鋁合金點焊基礎理論研究提供了一種有效的分析手段。

關鍵詞：數值模擬；金相組織；鋁合金；電阻點焊1、引言

鋁合金在航空航天、船舶制造、機車和汽車制造業等領域獲得了廣泛的應用。轎車采用

鋁合金制造車身較采用鋼板制造車身可減輕車體重量6O%左右，能顯著降低燃料消耗和減少環境污染。但是，鋁合金點焊所存在的問題限制了點焊在鋁合金汽車生產中的應用，鋁合金點焊的熔核形狀不規則，尺寸大小不一，熔核在凝固時極易形成縮孔、縮松和氣孔，由于冷卻速度較快，熔核的結晶組織主要是從熔合線向內生長的柱狀晶。在這方面，吉林工業大學的趙熹華等人通過采用熔核的孕育處理技術做了詳細的研究，將柱狀晶組織變為等軸晶組織，取得了良好的效果[1]。但是，該技術如何工程化的問題還正在研究之中。如果能對點焊

的相變組織進行有限元模擬計算，得到鋁合金點焊過程溫度場和相變組織的分布規律，從微

觀上改變焊接質量，對提高和穩定點焊質量具有重要意義。鋁合金點焊是一個高度非線性的力、熱、電相耦合的復雜過程，隨著焊接研究的深入，

溫度，相變和熱應力之間的耦合效應越來越受到人們的重視。Y.Ueda等人曾提出溫度，相變，熱應力之間的耦合關系式，J.Ronda等人利用該耦合模型對焊接接頭進行了有限元計算。Ronda等[2]用統一的方法推導了相變規律和相變塑性，建立了相容的TMM模型，并形成了系

統理論。Yang等[3]在熱冶金耦合方面也作了深入的研究。他們在模擬溫度場、速度場、熱循

環以及熔池形狀時,采用瞬時、3維、湍流條件下的熱傳輸和流體流動模型。本文基于有限元專業焊接模擬軟件動態模擬焊接的全過程，進行數值模擬時，考慮了材

料熱物理性能與溫度的非線性關系，以及相變潛熱對溫度場的影響，實現溫度場和應力應變

場的耦合計算，揭示了鋁合金點焊過程溫度場和相變組織的分布規律，其結果有助于更好地了解焊接過程中熔體的運動狀態、凝固組織細化和產生缺陷的原因,為正確選擇點焊工藝參數等提供理論指導。

2點焊相變原理

熔核、塑性環及其周圍母材金屬的一部分構成了點焊接頭。在良好的點焊焊接循環條件

下，接頭的形成過程是預壓、通電加熱和冷卻結晶三個連續階段所組成。

（1）預壓階段：在電極壓力的作用下清除一部分接觸表面的不平和氧化膜，形成物理觸點，為焊接電

流的順利通過及表面原子的鍵合作準備。（2）通電加熱階段：在熱與機械力作用下形成塑性環、熔核，并隨著通電加熱的進行而長大，直到獲得需要的熔核尺寸。通電剛開始，由于邊緣效應，使焊件接觸面邊緣處溫度首先升高，接著由于金屬加熱膨脹，接觸面和電流場均擴展并伴有繞流現象，而靠近電極的焊接區金屬散熱較有利，從而在焊接區內形成了回轉雙曲面的加熱區，其周圍產生了較大的塑性變形。隨著通電加熱的持續，電極與工件接觸表面增加，表面金屬的冷卻增強，而焊接區中心部位由于散熱困難溫度繼續升高，形成被塑性環包圍的回轉四方形液態熔核。繼續延長通電時間，塑性環和熔核不斷長大。當焊接溫度場進入準穩態時，最終獲得橢圓形液態熔核，周圍是將熔核緊緊包圍的塑性環。（3）冷卻結晶階段：使液態熔核在壓力作用下冷卻結晶。由于材質和焊接規范特征不同，熔核的凝固組織可有三種：柱狀組織、等軸組織、“柱狀+等軸”組織。

由于點焊加熱集中、溫度分布陡、加熱與冷卻速度極快，若焊接參數選用不當，在結晶過程中會出現裂紋、胡須、縮孔、結合線伸入等缺陷，可通過減慢冷卻速度和段壓力等措施來防止缺陷產生。

3點焊熔核有限元仿真

點焊是一個多因素及多重非線性的復雜問題。在進行數值模擬時，考慮其可作為軸對稱問題，對等厚

板的焊接取l／4平面進行分析。為簡化計算，本文假定電極壓力恒定。本文采用簡化的軸對稱2D模型建立6082鋁板點焊的簡化模型。出于簡化模型的目的，假設上下兩塊鋁

板在與電極端面直徑對應的中心部分以及電極端面是粘連的，假設電極-工件間及工件間的接觸行為屬于無滑動接觸。焊接電流為恒流，材料的熱物理性能隨溫度變化，忽略電流的趨表效應、接觸面的熱電效應和接觸熱阻[4,5]。模型的網格采取自由劃分，共含1996個固體單元，2120個節點。被連接材料為6082鋁合金，

板厚2.0mm，采用Cu～Cr合金電極，端部直徑6mm，端部曲面半徑40mm。

3.1材料屬性

材料的熱物理性能參數是溫度的函數，在模擬中，材料的熱物理性能除了密度和潛熱外，其他如比熱、導熱系數、電阻率等均隨溫度變化。材料在相變和熔化時存在潛熱，模擬中將潛熱在相變溫度區間均勻折算為比熱容，以模擬其產熱效果。

6082鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，該合金的組織比較簡單，主要合金元素為Mg、Si,另外還有少量的Fe、Zn、Cu、Mn，主要組織組成物為Mg2Si，Mg/Si比為1.73，大部分合金不是含過量鎂就是含過量的硅。當鎂過量時，合金的抗蝕性好，但強度與成形性能低；當硅過量時，合金的強度高，但成形性能及焊接性能較低，抗晶間腐蝕傾向稍好。

3.2工藝參數

采用直流焊接電源，焊接電流為14KA，電極壓力為1.5KN，焊接時間為15個周波(相應頻率50Hz)。具體方案見表1：

3.3焊接溫度場的模擬

焊接溫度場的準確計算是焊接冶金分析、殘余應力與變形計算以及焊接質量控制的前提，焊件在快速加熱和冷卻過程中溫度場的正確描述是進行組織轉變和焊后接頭力學性能分析的前提條件。焊接溫度場的準確計算必須建立起準確的熱傳遞數學模型和符合焊接生產實際的物理模型，并應用有限元軟件的校正工具，根據具體的焊接工藝和條件對熱源進行校正；考慮了材料熱物理性能參數與溫度的非線性關系，建立了焊接過程的數學模型和物理模型[6,7]。

在焊接過程中，由熱源傳給焊件的熱量，主要是以輻射和對流為主，而母材和焊接材料獲得熱能后，

熱的傳播則是以熱傳導為主。焊接傳熱過程中所研究的內容主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變化問題[8]。因此研究焊接溫度場，是以熱傳導為主，適當地考慮輻射和對流作用。

焊件上某點瞬時的溫度分布稱為溫度場，可以表示為：

TT(X,Y,Z,t)

式中T為焊件上某點的瞬時溫度，(x,y,z)是某點的坐標，t是時間。

因此非線性瞬態熱傳導問題的控制方程可以表示為：

式中c、ρ為材料的比熱容、密度，T為溫度場的分布函數，t為時間，kx,ky,kz分別為x,y,z方向

上的導熱系數；Q是內熱源。

溫度場計算時,將模型的對稱面定義為絕熱邊界條件,即

其他周圍表面定義為換熱邊界條件,即

式中是材料的熱導率，n是邊界表面外法線方向，α是表面換熱系數，Ta是周圍介質溫度，Ts是物體表面

溫度。

3.4點焊相變組織的模擬

3.4.1相變潛熱焊接過程中伴隨著相的轉變，在有限元計算中其產生的相變潛熱以焓的形式表示[9]，即

式中(T)c(T)分別為材料的密度和比熱，均為溫度的函數。

在某一溫度增量區間，所產生的總的相變潛熱表示為各相值的疊加，即

式中：Aj為第j相的相變潛熱，Vj為第j

相的轉變體積比,且åVj=1；n是材料中相的個數。相的轉變體積比,且；n是材料中相的個數。

3.4.2相變模擬原理

對于鋁合金的相變模擬，主要通過鋁合金的回復與再結晶原理，如圖1。如果材料有經過溫度循環，當最高溫度高于重結晶溫度時，重結晶開始發生并產生影響。材料重結晶的比例不僅取決于最高溫度，也取決于熱循環過程?？梢杂萌缦鹿絹碛嬎悖?/p>

等溫反應動力學：

非等溫反應動力學附加規律：

3.5模擬計算結果

3.5.1溫度場的模擬結果

如圖2為焊接時間250ms時l／4平面所成的溫度分布，再通過sysweld有限元軟件，分別在熔核區中心，熔合線，熱影響區，母材組織上取四個固體單元，形成如圖3所示的溫度曲線。由圖2，3可以看出在焊接過程中，熔核中心的最高溫度可達720℃，且長時間溫度維持在700℃左右；熔合線附近可達600℃，

也長時間維持在這個溫度；熱影響區最高溫度可達500℃左右；而母材最高溫度只達到300℃左右。

3.5.2相變組織的模擬結果

通過有限元模擬可得到如圖4所示結果，6082鋁合金點焊結果會出現明顯不同的三相分布分別為：母材、熱影響區和熔核區組織。

4結果分析和討論

由模擬分析結果可以看出，6082鋁合金點焊會出現比較明顯的三種組織的分布，再根據模擬所用的

焊接參數進行試驗驗證，然后進行金相組織觀察（試樣用凱勒試劑浸蝕）。可以得到圖5－圖9的微觀組織圖。

由圖5可見，6082鋁合金點焊組織有著明顯的三個組織相分布，中間的小圓為熔核部分，外圓為熱影

響區，外邊即為母材，與模擬的相變結果（圖4所示）完全相同。鋁合金的主要熱處理方式是固溶處理和時效處理，通過第二相的沉淀硬化來提高強度、硬度等性能。

6082鋁合金為T4狀態（固溶處理＋自然時效）是經固溶、時效后的合金，其主要強化相是Mg2Si。在焊接熱循環的影響下，鋁合金基體中的這些沉淀相粒子將發生再次固溶、析出和長大過程，對焊接前的基體產生或多或少的破壞。它們的熔點為595℃，焊接加熱溫度超過這一熔點時,部分強化相就會熔解[10]。

圖6為母材組織，其鋁合金基體上分布著粗大且呈長條形的析出相；圖7為熔核中心組織，其內組織主要為細小的等軸晶粒；圖8為處于塑性環熔合線周圍的組織，靠近熔合線的熔核區主要是柱狀晶粒和部分等軸晶粒，靠近熔合線的熱影響區為粗大的晶粒；圖9為熱影響區中心組織，其鋁合金基體上的析出相細小且呈圓粒狀。

從圖4可以得知，在塑性環內的熔核區中心最高溫度遠遠高于595℃，可達720℃左右，且比較長時間的維持在700℃，這個溫度使熔核區中心的晶粒完全的熔化，在鋁合金基體上的第二相重新熔化和固溶，化合物因固溶而進一步減少。在鋁合金基體上分布著彌散的，細小的第二相對晶界移動起著重要的阻礙作用，第二相質點越細小，數量越多，則阻礙晶粒長大的能力越強，所形成的晶粒也就越細小，且在熔核區內合金元素溶入的比較多，在很大程度上阻礙了晶界的移動，焊接為快速加熱，金屬內存在的晶格畸變現象來不及回復，自擴散系數增加，使合金再結晶晶核增多，造成晶粒細小，所以在熔核中心冷卻后形成的組織為細小的等軸晶粒；由于點焊冷卻速度較快，靠近熔合線的熔核區的結晶組織主要是從熔合線向內生長的柱狀晶。運用圖1描述的鋁合金重結晶現象可以發現，靠近塑性環的熱影響區的晶粒處于長大階段，晶粒生長方向與熱流方向一致，有著明顯的粗大晶粒且在晶界上分布一些析出相，應為晶粒長大區；6082合金母材組織為板材組織，其析出相方向與板材成形方向一致，也有少量析出相呈三角形，在晶界上析出，由于其含有Cu，Mg，Al，Si，Mn等合金元素，析出相比較復雜，主要為Mg2Si。圖6中的母材組織為退

火組織，所以其部分析出相變的相對細小和一定的圓形狀。對于熱影響區，其析出相明顯比母材組織細小，

且沒有方向性，但已經開始出現圓粒狀，分布也比母材組織均勻，但還是有一部分為粗大的析出相，且呈長條形，沒有完成再結晶，由圖1鋁合金重結晶原理可知其組織應為回復區和回復再結晶區，晶界基

5結論

1、本文采用數值仿真手段預測熔核的組織，運用sysweld的相變模擬原理，完成對6082鋁合金點焊組織的

模擬和預測。

2、采用本文提出的有限元點焊模型，運用相變模擬軟件，可以模擬出與實際焊接結果十分吻臺的結果，因此可作為選擇和優化點焊參數的一個有效工具。

3、6082鋁合金熔核區晶粒細小，組織分布均勻而且彌散，熱影響區有著比較明顯的回復區，回復與再結晶區和晶粒長大區，母材組織為板材組織，晶粒方向為軋制方向，且鋁基體上分布大量粗大的第二相質點。

4、點焊接頭相變組織的模擬是一項新技術，它尚處于起步階段，在理論上還存在著尚未澄清問題，另外在

計算方法上也有改進余地，其應用更接近空白，因此，有必要從理論和計算方法上進行系統而有深入的探索，以使新興方法盡快用于工程實踐。

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SimulationandResearchfortheMicrostructureofAluminumSpot

Welding

LuoBaofa,LuoZhen,BuXianzheng,WangRui,MaYingbin

SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,PRC(300072)

Abstract

Themicrostructureofresistancespotweldingdecideperformanceofnuclearfusioninweldedjoint,theperformanceofnuclearfusiondecideweldingquality.Bysimulation,wecanpredictmicrostructureandmechanicalpropertiesofspotweldingindifferentparameters,soastoachievethebestweldingperformancebyseekingtoimprovetheweldingprocesses.Researchonthedistributionofmicrostructureinaluminumspotwelding,haveanimportantroleinonthedesignandoptimizationofprocessparametersofspotwelding.Thepaperthroughtheapplicationoffiniteelementsimulationsoftwaretosimulateandresearchtheresistancespotweldingofaluminumalloyof6082,andverifyitthroughexperiments,soastoknowaffectionresistancespotweldingtoaluminumalloyof6082.Experimentsshowthatnumericalsimulationandexperimentalresultsareconsistent,providinganeffectiveanalysisforspotweldingonaluminumalloy.

Keywords:Numericalsimulation;Microstructure;Aluminumalloy;Resistancespotwelding