基于計算機(jī)模擬技術(shù)的鋁合金熱擠壓過程中焊縫缺陷起源分析

汪建立

（鄂州職業(yè)大學(xué)電子系，湖北鄂州436000）

基于計算機(jī)模擬技術(shù)的鋁合金熱擠壓過程中焊縫缺陷起源分析

汪建立

（鄂州職業(yè)大學(xué)電子系，湖北鄂州436000）

縱向焊縫是運(yùn)用多孔分流擠壓模進(jìn)行空心擠壓制品生產(chǎn)過程中一個大的本質(zhì)特征。其中產(chǎn)生的焊接接頭是沿著整個擠壓縱向線的，這些焊縫對擠壓制品結(jié)構(gòu)完整性的微弱影響尚在可接受的范圍內(nèi)。尤其需要注意避免焊縫缺陷的形成。通過計算機(jī)模擬技術(shù)探索了擠壓模型中物料流相關(guān)缺陷的產(chǎn)生。結(jié)果表明，模具幾何結(jié)構(gòu)控制金屬流動的現(xiàn)狀導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生，而這種缺陷造成了鋁合金熱擠壓產(chǎn)品機(jī)械性能低劣。并進(jìn)一步指出，當(dāng)前焊縫建模所使用的有限元標(biāo)準(zhǔn)需要加強(qiáng)對這些金屬流缺陷的包容性。

擠制加工；金屬流；鋁合金；焊接縫；缺陷

0 前言

鋁合金擠制加工是一種熱機(jī)械成型操作，該過程需要將預(yù)先漸熱好的半成品（坯料）擠壓通過一個精確設(shè)定并打開的工具孔，導(dǎo)致其形成一個恒定的細(xì)長橫斷面。金屬流的引入需要壓力、應(yīng)變、剪切和溫度等多條件配合才能進(jìn)行，但是期間沒有液態(tài)發(fā)生階段，即一個固態(tài)焊接過程。受到當(dāng)?shù)靥囟üに嚄l件的影響，顯微結(jié)構(gòu)重組過程中，如復(fù)蘇、再結(jié)晶和晶粒生長等，均會有一個明顯的軸承焊縫的形成。金屬流最終通過容器或模具等工件擠壓產(chǎn)生塑性變形?？v向焊縫是通過金屬流的反復(fù)導(dǎo)入并被障礙物分流所形成的。非合格的工藝條件會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生若干不利特征，從而影響壓制型材的結(jié)構(gòu)完整性，造成不同程度的缺陷。這些缺陷與外部因素有關(guān)，如污染物或空氣的截留。假設(shè)可通過適當(dāng)?shù)牟僮鞔胧└艚^不利的外部因素，那么為建立并保持金屬流的持續(xù)流動，適當(dāng)流動條件的構(gòu)建則成為首要任務(wù)。

1 試驗

試驗擠壓測試是在500 kN的實驗室液壓機(jī)直接擠壓模式下進(jìn)行。坯料尺寸直徑25 mm×100 mm，經(jīng)過工業(yè)直接冷卻鑄件加工制成。合金處理過程中，其組成視光學(xué)發(fā)射光譜而定，如表1所示。

表1 測試合金的化學(xué)成分％

在試驗中，對一個具備15 mm×3 mm橫斷面的平坦地帶進(jìn)行擠壓。結(jié)合坯料25 mm的直徑得出相對較低的擠壓比11。在鋼膜結(jié)構(gòu)的模板前帶有一個單一的支柱結(jié)構(gòu)，垂直于其中心地帶，這將導(dǎo)致模具內(nèi)中心地帶處形成焊縫，如圖1所示。鋁坯流經(jīng)由中央支柱后會分為兩個獨立流，當(dāng)這些鋁流重新進(jìn)入支柱結(jié)構(gòu)下游時焊縫形成。

a具有中央支柱的模具b不具備流經(jīng)障礙的參考模具圖1 擠壓工具（鋁合金從左至右流入）

在這些試驗中使用不同的模具使得焊接室具有不同的深度d，定義為支柱與模板之間的距離。保持焊接室的高度h（定義為支柱橫斷面的中平面到焊接室邊緣的垂直距離）恒定值為5 mm，同時焊接室深度d=15 mm時的B.15模具被認(rèn)為能夠有效地促進(jìn)金屬流融合，并可導(dǎo)致適當(dāng)?shù)暮缚p的形成；而d=2 mm的淺室B.2模具則可能會阻礙金屬流的重新合流；深度d=10 mm（B.10模具）時，中間焊縫有被預(yù)估的可能。按照B.0的參考標(biāo)準(zhǔn)選擇樣品，沒有焊縫且是通過平模制作得到的。在擠壓實驗中，坯料在箱式爐預(yù)先加熱并手動加載到擠壓室，坯料預(yù)料試驗溫度為450℃～500℃，加載速度固定為1 mm/s。在開始擠壓測試時，用一個最初的坯料填充模具，隨后需要至少三個設(shè)置不變的坯料來實現(xiàn)穩(wěn)定的操作條件，擠壓是在坯料和坯料之間進(jìn)行的，在擠壓周期中無需去除廢棄壞料。在擠壓完成后壓制型材進(jìn)入高速壓縮空氣通道，為去除坯料的漸變段將材料放入一個空氣環(huán)流箱式爐中，在185℃的條件下進(jìn)行6 h的純粹浸泡及人工老化，使其機(jī)械性能達(dá)到最高。

1.1 機(jī)械特性描述

通過厚度橫向拉伸，將壓制型材進(jìn)行形狀和大小加工后制成樣品，同時焊縫處于樣品正中央，如圖2所示?；诳捎貌牧铣叽绱笮〉挠邢扌裕煸嚻某叽缗c標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣片的尺寸不符，但是這些拉力試驗的結(jié)果仍然適用于擠壓試驗中不同樣品參數(shù)的比較。單軸拉伸測試在環(huán)境溫度23℃、相對濕度50％、固定十字頭速度0.033 mm/s的條件下進(jìn)行。研究表明，焊縫存在會對延展性產(chǎn)生不利影響。延展性是在AA6082空心壓制型材進(jìn)行單軸拉伸測試中，由其斷裂所用的拉力來定義的。已證實的是，AA6082鋁合金擠壓制品在進(jìn)行焊縫焊接中，當(dāng)焊接壓力高于閾值水平時其強(qiáng)度特性表現(xiàn)出微弱的影響，同時焊接室中的延展性則展現(xiàn)出一種強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)性。鋁合金的塑性形變包含的焊縫經(jīng)常發(fā)生在擠壓成型操作后，材料的延展性特點不能通過一個單一的參數(shù)進(jìn)行描述，比如伸長值（即均勻伸長值或總伸長值）。一個完整的描述應(yīng)該考慮更多的因素，如抗張強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度）、加工硬化行為和斷面收縮等。

圖2 橫向拉伸樣品（樣品厚度等于擠出物的厚度3 mm)

1.2 顯微結(jié)構(gòu)的評估

在進(jìn)行顯微鏡觀察前，擠壓長度的代表性樣品需要經(jīng)過研磨和樹脂拋光等準(zhǔn)備。電解侵蝕揭示了材料的晶粒結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微鏡檢驗以極化光為光源。類似過程也可用于斷裂拉伸樣品的檢驗。掃描電子顯微鏡（SEM）是用于描述裂縫表面與焊縫相關(guān)的特性。

2 建模

擠壓過程建模使用了一個商業(yè)有限元代碼，最初為塑料擠制加工而設(shè)計。模塊虛擬擠壓實驗室專門進(jìn)行了調(diào)整以模仿鋁合金擠制加工過程。隱式有限元代碼利用了一個歐拉公式，其中鋁流經(jīng)一個固定的網(wǎng)域。本項目中鋁合金調(diào)查所需的基本材料數(shù)據(jù)被用于有限元代碼中。材料的性能是由熱壓縮試驗決定的，試驗中使用的是從坯料中預(yù)備的直徑11 mm、高度18 mm的圓柱形樣品。壓縮測試的執(zhí)行溫度為450℃～500℃，應(yīng)變率0.1～100/s。計算機(jī)仿真模擬模型考慮了穩(wěn)態(tài)條件，假設(shè)無限長度的坯料流經(jīng)容器或模具。完整的3D模型建立起來后，應(yīng)特別注重支柱及焊接室的幾何形狀設(shè)計，圖3為3D模型中坯料、焊接室、模具和矩形出口（15 mm×3 mm）的集合形狀及輪廓。

圖3 容器的3D幾何模型，工具、鋁合金(左)和鋁合金流域，網(wǎng)狀的有限元分析(右)

在本模型的設(shè)定中，利用實驗室確定的溫度，將熱邊界條件應(yīng)用于焊接室和模具的各個位置。在入口處，活塞保持恒速運(yùn)動。這被作為一個恒定的進(jìn)口速度。在出口處為擠壓流出的方向設(shè)定一個正常的速度條件。鋁合金與擠壓工具邊界處產(chǎn)生的粘性摩擦條件也同樣被利用。焊接室及擠壓模具均被視為剛體容器。

3 結(jié)果

以下將對擠壓試驗中獲得的材料特性研究結(jié)果進(jìn)行展示，相關(guān)樣品均被貼上標(biāo)簽以與擠壓工具保持一致。兩種合金的分析結(jié)果如圖4所示。每個數(shù)據(jù)點至少去三個測試值的平均值，并通過誤差線表示的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行相關(guān)散射計算。在此圖形中，所顯示的擠壓過程的平均值是在B.0模具無障礙物、且坯料溫度500℃的條件下獲得的，同時平均值根據(jù)最大值進(jìn)行比例劃分。

圖4 人為老化的樣品在有/無焊縫模具及不同合金、不同擠壓溫度下的延展性指標(biāo)峰值

3.1 顯微結(jié)構(gòu)評估

樣品在450℃的條件下擠壓后的纖維結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。顯微結(jié)構(gòu)觀察中，6060合金中存在部分重結(jié)晶灰?guī)r結(jié)構(gòu)，而6082合金中保留著嚴(yán)重變形的纖維顆粒結(jié)構(gòu)。幾乎所有的顯微結(jié)構(gòu)都顯示，擠壓工具中的阻塞現(xiàn)象顯而易見，而生產(chǎn)過程中的B.0模具除外，該磨具展示了其整個橫斷面位置顆粒結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。這一邊界代表了焊縫，焊縫在金屬流重新導(dǎo)入焊接室、經(jīng)過模具中障礙物下游時形成的。邊界周邊的晶粒結(jié)構(gòu)形態(tài)反映了工具幾何形狀造成大的材料流形態(tài)的改變。B.2模具中2 mm深的焊接室對兩種合金都有明顯的不利影響，金屬流重復(fù)流入的不完整性導(dǎo)致擠壓制品橫斷面處形成空腔。將焊接室的深度增加至10 mm（B.10）后可避免空腔形成。然而，結(jié)合的不完整性在焊縫中心區(qū)域仍有明顯的顯示。在模具中進(jìn)一步提高焊接室深度，當(dāng)d=15 mm（B.15）時，焊縫變得不那么清晰，但仍可見。樣品B.2和B.10中存在類似的缺陷，因其焊接室在模具中的深度分別為2 mm和10 mm，而生產(chǎn)均在坯料溫度500℃時進(jìn)行。

斷裂表面的掃描電鏡圖如圖7所示。圖中只顯示了合金6060的檢測結(jié)果，因合金6082的檢測結(jié)果與之相似，不再重復(fù)展示。沒有焊縫的材料（B.0）斷裂面展示了一種規(guī)律性韌性斷裂形態(tài)，與模具中的材料流沒有明顯的相關(guān)性特征。相比之下，樣品B.2（焊接室在模具中的深度值為2 mm）清楚地顯示了一個中央縱向?qū)R的洼地，這與模具中材料流沒有合流造成的空腔有關(guān)。雖然樣品B.10（焊接室在模具中的深度值為10 mm）沒有形成空腔，但其斷裂面形態(tài)展示了相當(dāng)大的不粘結(jié)碎片。將焊接室深度增加至15 mm時（B.15），導(dǎo)致擠壓制品橫斷面中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)了完全粘合的現(xiàn)象，這一點是通過觀察細(xì)微的韌窩斷裂表面而得的。在斷裂表面的邊緣，斷裂面進(jìn)行了更進(jìn)一步的線性假設(shè)。樣品B.2和B.10的斷裂表面中心區(qū)域的詳細(xì)情況如圖8所示，揭示了兩者明顯的區(qū)別性：樣品B.2的表面形態(tài)象征了自由擠壓表面明顯無結(jié)合發(fā)生的情況，而樣品B.10表面由精細(xì)分布的微小凹痕組成，象征著有結(jié)合表面的韌性斷裂。狹長的形狀及凹痕淺顯的外觀表明了延展能力的有限性。

為了更加詳細(xì)地說明，將B.2模具和B.10模具下的顯微結(jié)構(gòu)通過透視圖進(jìn)行展示。

圖5 6060合金橫斷面在擠壓溫度450℃下的顯微結(jié)構(gòu)

圖6 6082合金橫斷面在擠壓溫度450℃下的顯微結(jié)構(gòu)

3.2 模擬結(jié)果

為了檢驗仿真結(jié)果，比較了擠壓測試試驗中的實測壓力和有限元模擬中獲得的計算壓力，結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果代表了穩(wěn)態(tài)條件，近似在滑枕行程的一半處，相當(dāng)于坯料擠壓長度的50％。

圖7 6060鋁合金全層橫斷面顯微結(jié)

圖8 6060合金中央?yún)^(qū)域斷裂面透視圖

圖9 擠壓測試實驗中的實測壓力和有限元模擬中獲得的計算壓力比較（合金6060、6082，50％活動距離）

通過試驗和模擬，坯料溫度過高導(dǎo)致強(qiáng)度變低的事實顯而易見，這取決于高溫下合金流動應(yīng)力的降低。不同的模具在壓力方面具備相似性，除了不同模具內(nèi)部產(chǎn)生焊縫的障礙物位置不同外，其內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。

比較模擬結(jié)果與試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，6060合金擠壓力的計算結(jié)果相對偏高。同樣，6082合金在其坯料溫度450℃的條件下，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果相似，但在坯料溫度500℃時，模擬結(jié)果相對過高了。考慮到模擬結(jié)果和試驗結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性，將計算性能用于觀察試驗材料現(xiàn)象和模擬結(jié)果之間的連接。

圖10為模具B.2、B.10、B.15中，兩種合金的坯料溫度在500℃時的鋁制工件內(nèi)的流體靜壓力分布。由于該溫度下的流動應(yīng)力較低所導(dǎo)致焊接室中的壓力較低，說明焊縫質(zhì)量是更為關(guān)鍵的因素，如前文所述，焊縫標(biāo)準(zhǔn)以界面壓力為控制因素。從模具的進(jìn)口至出口，壓力從高處呈逐漸下降趨勢，初始壓力最高的情況發(fā)生在焊接室深度值最大的模具中，即B.15模具，焊接室深度為15 mm?？梢郧逦乜闯觯珺.2模具中的壓力分布到焊接室下游時，壓力減到非常小的數(shù)值。相比之下，B.10和B.15模具中的壓力水平計算值都非常高，并且在到達(dá)出口前壓力分布呈逐步穩(wěn)態(tài)減弱的趨勢。

圖10 坯料溫度500℃下的鋁合金橫斷面壓力分布

圖11詳細(xì)地展示了焊接室中鋁合金的壓力分布，總體而言，不同的鋁合金在相似位置的壓力不同只有細(xì)微的不同。經(jīng)計算，6082合金較高的流動應(yīng)力導(dǎo)致其具備相對較高的壓力水平，不過，兩種合金的壓力分布是相似的，因此進(jìn)一步的研究于兩種合金而言均有效。B.2模具中因其焊接室深度只有2mm，在中心區(qū)域形成的低壓區(qū)非常明顯，并且與顯微結(jié)構(gòu)調(diào)查中觀察到的空腔位置相對應(yīng)。同樣，經(jīng)過計算的B.10（焊接室深度10mm）模具出口處的壓力水平最低，但是在此模具中，材料流再次進(jìn)入焊接室中時，在沿著出口方向逐步下降之前，其壓力值仍保持在約100 MPa，因其處于至少50％的焊接室深度。B.15模具具備類似趨勢。

圖12顯示了鋁合金的壓力分布，鋁合金流入障礙物下游的焊接室中時，其壓力分布與模具中提取的鋁模輪廓相結(jié)合。盡管將鋁模從模具中取出時會產(chǎn)生輕微變形，依然能清楚地看到模具B.2和B.10中環(huán)繞障礙物的輪廓（特別是重新加入金屬流的區(qū)域）與B.15中的輪廓有所不同。最后，觀察模具B.2和B.10中阻礙區(qū)域材料流經(jīng)時產(chǎn)生的較尖銳的輪廓，廓線與障礙物緊密相關(guān)。

圖11 焊接室中的壓力分布詳細(xì)示意

圖12 壓力分布詳示，及其對應(yīng)的模具中障礙物下游區(qū)域填充輪廓

4 討論

就試驗結(jié)果而論，可以清楚地看到模具B.2中低劣的焊縫性能，與其中材料流經(jīng)障礙物下游焊接室時局部材料流不結(jié)合所產(chǎn)生的空腔一致。將模具中焊接室的深度擴(kuò)展至10 mm后，空腔的形成可以避免，但焊縫質(zhì)量仍然欠佳，與其微觀結(jié)構(gòu)（見圖6）相一致，尤其是橫斷面結(jié)構(gòu)（見圖7）。模具B.10中的材料表面不達(dá)標(biāo)或可以通過鋁合金局部表面氧化所產(chǎn)生的氣泡來解釋。在此情況下，預(yù)先氧化金屬表面被引入以避免氧化層的形成，隨后裂紋表面被用于新煉金屬的擠壓橫斷面。這一引入由金屬-金屬鍵以及間歇式氧化物碎片組成，氧化物碎片與金屬鍵的連接降低了其完整性。這一現(xiàn)象的進(jìn)一步細(xì)化集中于表面延展性導(dǎo)致的氧化膜破裂。雖然這項工作是為冷軋焊接而進(jìn)行的，但是原則與其他過程相同，其接觸表面同樣具備薄而易碎的氧化層，屬于柔軟基層表面，在壓力下極易變形。在結(jié)論中作者表明，這一理論同樣適用于高溫變形焊接。

如圖10、圖12所示，焊接平面的壓力隨著焊接室深度值由2 mm增長至10 mm而增大，直至在B.10中獲得的最大壓力值與在B.15中相同。這些有利的壓力水平預(yù)期將導(dǎo)致良好的焊縫，這一點由B. 15中所生產(chǎn)樣品的延展性指標(biāo)所證實。相比之下，模具B.10所生產(chǎn)樣品較低的延展值與其有限元分析決定的壓力值相矛盾。因此，焊縫撕裂性能的原因與局部的不結(jié)合性有關(guān)，這是由障礙物下游的氣泡邊緣產(chǎn)生的接觸表面中殘留的氧化物碎片引起的。由于所采用的模擬法考慮了鋁合金的預(yù)填充域，氣泡的產(chǎn)生僅間接地出現(xiàn)于低壓區(qū)域，在模具B.2中，該區(qū)域橫跨從障礙物到出口的整個流經(jīng)。其他情況下的計算結(jié)果均顯示了充足的壓力水平，并通過焊縫標(biāo)準(zhǔn)范圍，預(yù)測了零缺陷焊縫。但是圖12表明，模具中的物料流與有限元模型中假設(shè)的全填充磨具情形并不一致。鋁模輪廓線與障礙物形狀不匹配的情況表明鋁合金與模具之間存在接觸缺失，即氣泡產(chǎn)生區(qū)域?？紤]到氣泡對焊縫質(zhì)量的不利影響，利用數(shù)值策略將物料流合并以預(yù)測氣泡的產(chǎn)生，這一行為是可取的。

主要調(diào)查了鋁合金熱擠壓制品的焊縫性，期間所涉及的樣品通過中央附著障礙物的多種模具制作完成。焊縫質(zhì)量可以通過延展性指標(biāo)進(jìn)行描述，該指標(biāo)通過單軸橫斷面拉伸測試所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。這些值與無焊縫樣品橫斷面拉伸試驗中產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行了比較（見圖13）。

圖13 6060合金及6082合金熱壓流變曲線

5 結(jié)論

通過改變擠壓模具背部幾何形狀，制作了焊縫質(zhì)量不一的樣品，其質(zhì)量與非特異性缺陷的嚴(yán)重程度有關(guān)。本研究中的焊縫缺陷違反從橫斷面空腔到金屬氧化物的非結(jié)合性，均導(dǎo)致了焊縫質(zhì)量的低劣。重新流入的鋁合金表面氧化很可能是由模具中障礙物下游所產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致的。

有爭論的是，現(xiàn)行的焊縫標(biāo)準(zhǔn)是以壓力及停留時間為基礎(chǔ)的，相關(guān)值是通過有限元模擬取得的，但其并不完全適用于如今焊縫質(zhì)量的預(yù)測。因此，通過流模型捕捉氣泡的形成成為精準(zhǔn)預(yù)測焊縫質(zhì)量的必要條件。

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Analysis of welding defects in the origin of aluminum alloy hot extrusion based on computer simulation technology

WANG Jianli
（Ezhou Polytechnic Department，Ezhou 436000，China）

T：he longitudinal weld is a big essential characteristic by porous porthole extrusion dies for hollow extruded products in the production process.The welded joint is produced along the entire extrusion longitudinal line,these welds of the weak effect of extrusion products structural integrity is within the range of acceptable.Especially need to avoid is the formation of weld defects.This study explores the extrusion technology related defect material flow in the model produced by computer simulation.The results show that,the status quo of die geometric structure to control the flow of a metal is the reason of the defects,the defects lead to the aluminum alloy hot extrusion and mechanical properties of products of inferior quality.And further point out that,the standard finite element modeling of current used in weld metal flow need to strengthen these defects of inclusive.

extrusion；metal flow；aluminum alloy；welding seam；defect

TG407

B

1001-2303（2015）08-0218-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.48

2014-04-06；

2015-05-16

汪建立（1963—），男，湖北黃岡人，副教授，主要從事電氣自動化技術(shù)、智能控制方面的研究工作。