基于有限元法的鑄軋速度對7050鋁合金溫度和應(yīng)力的影響分析

張明達(dá)++王洪斌++張利陽++曹立亭

摘 要：文章針對雙輥連續(xù)鑄軋技術(shù)，采用有限元法對雙輥鑄軋7050鋁合金的工藝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了鑄軋速度對鋁合金鑄軋過程溫度、熱應(yīng)力和等效應(yīng)力分布的影響。

關(guān)鍵詞：雙輥鑄軋；7050鋁合金；數(shù)值模擬

中圖分類號：TG335 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0067-02

雙輥連續(xù)鑄軋技術(shù)作為一種短流程、近終形的成形技術(shù)，在改善鋁合金微觀組織形貌、提高鑄軋板帶坯質(zhì)量方面也具有很大潛力[1]。將鑄軋工藝應(yīng)用于超高強(qiáng)度變形鋁合金的成形加工中，尤其是7000系鋁合金，可很好地解決高強(qiáng)度鋁合金薄帶的成型問題，直接獲得組織成分均勻的板坯，從而實(shí)現(xiàn)短流程、節(jié)能和高效[2]。因此對于鑄軋7000系鋁合金的研究越來越廣泛，為了給鑄軋獲得高質(zhì)量超高強(qiáng)鋁合金板帶材提供理論依據(jù)，本文采用ANSYS軟件建立模型，結(jié)合金屬的加工硬化效應(yīng)和成形特點(diǎn)，設(shè)定其邊界條件，通過對成形工藝條件參數(shù)的設(shè)置來預(yù)測板材的成形效果，從而分析了不同鑄軋速度對7050鋁合金立式雙輥鑄軋過程中液態(tài)熔池內(nèi)溫度、熱應(yīng)力和等效應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 有限元模型建立及主要參數(shù)

1.1 幾何模型

鑄軋過程的傳熱、流動(dòng)現(xiàn)象極其復(fù)雜，液態(tài)金屬在流動(dòng)過程中發(fā)生凝固，在熔池內(nèi)同時(shí)存在三種不同的區(qū)域（固態(tài)區(qū)、液態(tài)區(qū)、固-液兩相區(qū)），軋輥的接觸邊界不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致其傳熱分析較復(fù)雜。沿鑄坯對稱中心取其一半進(jìn)行研究，由于軋制變形都是上下對稱的，故只選取板坯的一側(cè)來建模。把鑄軋輥簡化為貼在板坯上的一段圓弧，通過給出線段的速度和換熱系數(shù)以達(dá)到要求。

1.2 建立鑄軋過程有限元模型采用以下假設(shè)

鑄軋過程是穩(wěn)態(tài)的，經(jīng)過初始過渡期后，工藝參數(shù)不隨時(shí)間變化；系統(tǒng)內(nèi)的合金無論是純液態(tài)、半固態(tài)還是純固態(tài)，均視為同一種連續(xù)介質(zhì)，無成分的宏觀偏析，材質(zhì)均勻，各向同性；由于帶寬遠(yuǎn)大于帶厚，側(cè)封板絕熱，忽略寬度方向的傳熱，僅考慮鑄軋方向和厚度方向的傳熱；鑄輥與帶坯接觸面無相對滑移；金屬與軋輥之間接觸時(shí)熱阻恒定，接觸面上的傳熱系數(shù)恒定；鑄軋輥內(nèi)通有冷卻水， 在穩(wěn)定鑄軋期間設(shè)定軋輥的溫度保持不變。

1.3 邊界條件

1.3.1 入口邊界

入口邊界是流體注入鑄軋熔池的邊界，在此邊界上施加溫度載荷與速度載荷。根據(jù)不可壓縮流體的體積不變原則，單位時(shí)間內(nèi)注入到鑄軋區(qū)的液態(tài)金屬的體積與從鑄軋區(qū)拉出的固態(tài)薄板的體積相等，因此可用入口和出口金屬的秒流量相等計(jì)算出入口的速度。

1.3.2 鑄輥表面

在鑄軋輥和側(cè)封板形成的熔池中，軋輥不斷旋轉(zhuǎn)，金屬不斷凝固，因此由液態(tài)金屬凝固到固態(tài)金屬與軋輥之間的接觸緊密程度也是在不斷發(fā)生變化的，熱阻也在變化，即在接觸面上的傳熱系數(shù)是變化的，但在本模擬中，假定其為定值，軋輥為銅輥，將金屬與鑄軋輥接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定為8000W·m-2·K-1，環(huán)境溫度373K。

鑄軋輥的速度分解為水平方向和豎直方向兩個(gè)速度，并以這兩個(gè)速度作為接觸表面的速度邊界條件。

鑄軋速度：

Vx=-Vc*（R+b/2-Y）/R

Vy=-Vc*X/R

式中R代表鑄軋輥的半徑，Vc為軋輥的線速度。

1.3.3 出口斷面

壓力為零。

1.3.4 對稱表面

由于此面受水口端面的限制，垂直水口方向速度為零。

1.3.5 熔池表面

熔池表面金屬與空氣發(fā)生輻射，系數(shù)為0.76，此處環(huán)境溫度773K。

1.4 參數(shù)確定

材料物性參數(shù)和鑄軋工藝參數(shù)如表1和表2。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 鑄軋速度對鑄坯溫度分布的影響

在模擬邊界條件下提高鑄軋速度，單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)熔池的金屬質(zhì)量增加，帶進(jìn)熔池內(nèi)的熱量增多，沖入金屬熔池的速度也加快，水口處高溫區(qū)域不斷增大，固液兩相區(qū)擴(kuò)大，出口溫度升高。在此模型中，當(dāng)軋輥轉(zhuǎn)速為16r/min的工藝時(shí)，由于出口溫度過高，會造成漏液，不能形成板坯。由于入口處金屬熔體的溫度較高，但其比熱較小，通過轉(zhuǎn)動(dòng)的鑄軋輥傳熱，使入口處溫度急劇降低，在較短的位移內(nèi)溫度下降非常劇烈。降到液相線溫度時(shí)，合金開始釋放凝固潛熱，緩慢降溫。在接近出口處，熔池的空間已非常小，在固相線溫度附近，潛熱釋放完成，金屬比熱容減小，金屬又迅速降溫。但是鑄軋速度越高溫度下降的越緩慢，即出口處與入口處溫差減小。隨鑄軋速度提高，鋁液在熔池內(nèi)停留時(shí)間減少，向鑄軋輥傳熱減少，鑄軋區(qū)出口溫度升高。鑄坯心部溫度高于表面，高出5-8K。

2.2 鑄軋速度對鑄坯熱應(yīng)力分布的影響

在鑄軋的過程中凝固殼表面由彎月狀被鑄軋成平面狀，承受了較大的拉應(yīng)力，由于心部金屬相對于表面的合金凝固速度慢，其強(qiáng)度和塑性較低，而且這部分金屬凝固過程發(fā)生的體積收縮使凝固殼承受拉應(yīng)力，凝固殼表面的溫度低而心部溫度高，金屬表面受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力。但是隨著鑄軋速度的增大，無論是表面所受的拉應(yīng)力還是心部承受的壓應(yīng)力均有所減小。

雙輥鑄軋7050鋁合金凝固過程中，鋁合金中心線上的應(yīng)力相對出口和入口處來說，鑄軋區(qū)中間偏前部位應(yīng)力最大。金屬進(jìn)入鑄軋區(qū)依靠鑄軋輥使溫度下降進(jìn)而凝固，此處溫降速率快，熱壓應(yīng)力急劇增加。表面合金直接與鑄軋輥接觸，迅速冷卻成凝固殼，中心的液態(tài)金屬由于冷卻較慢而尚未凝固，隨后進(jìn)一步冷卻，這部分液態(tài)金屬在凝固過程中均會發(fā)生體積收縮，收縮的體積得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充而形成縮孔，凝固殼厚度繼續(xù)增加，當(dāng)彎月面的凝固殼厚度達(dá)到最大值時(shí)，心部的合金凝固速率變緩，壓應(yīng)力增加幅度減緩。當(dāng)熱壓應(yīng)力達(dá)到最大值后，由于金屬凝固潛熱的釋放，使中心線溫度梯度變小，使熱壓應(yīng)力下降，鑄軋板坯心部熱壓應(yīng)力在出口處降低至最小。隨鑄軋速度的提高，鑄軋區(qū)整體溫度升高、熱拉壓應(yīng)力降低，薄帶表面和中心的應(yīng)力差減小。

鑄軋速度為8r/min的鑄軋合金，由于金屬在熔池內(nèi)完全凝固，將潛熱完全釋放掉，而線膨脹系數(shù)在此溫度區(qū)間內(nèi)變化較大，因此其應(yīng)力變化沒有明顯的規(guī)律性，而其他兩種鑄軋速度下的合金尚未經(jīng)歷這個(gè)溫度區(qū)間，所以應(yīng)力變化較規(guī)律。

2.3 鑄軋速度對鑄坯等效應(yīng)力分布的影響

在鑄軋力作用下，提高鑄軋速度，鑄軋力降低，合金的等效應(yīng)力降低。過慢的鑄軋速度會使合金過早凝固，變形區(qū)長度增加，所受到的鑄軋力增大，若最大應(yīng)力超過了所對應(yīng)溫度下的斷裂強(qiáng)度，板坯在通過鑄軋區(qū)之前就會產(chǎn)生裂紋源，在隨后的空冷過程中擴(kuò)展到鑄軋板表面，而且過慢的鑄軋速度，容易粘輥、軋卡。

適當(dāng)?shù)蔫T軋力能在一定程度上能夠減少縮松、氣孔等缺陷，從而減少潛在的熱裂形核質(zhì)點(diǎn)，但當(dāng)鑄軋力過大時(shí)，鑄軋瞬間，板坯表面溫度與心部溫度相差大，板坯內(nèi)部高溫層面將發(fā)生后滑，在板坯表面形成表面張力。并且，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，降低鑄軋速度，鑄軋力增大，7050鋁合金與鑄軋輥的接觸熱阻增加，傳熱系數(shù)增加，此時(shí)合金溫降快，發(fā)生熱負(fù)荷沖擊，對近表面區(qū)域產(chǎn)生較大的沖擊內(nèi)應(yīng)力，為熱裂的形成提供條件。

因此，在一定范圍內(nèi)，增大鑄軋速度，降低軋制力，降低鋁帶與鑄軋輥的傳熱系數(shù)，降低熱應(yīng)力，可以在一定程度上抑制裂紋的萌生。

3 結(jié)束語

（1）提高鑄軋速度，鑄坯溫度升高、拉壓應(yīng)力降低，薄帶表面和中心的應(yīng)力差減小。加快鑄軋速度，降低合金熱應(yīng)力，降低裂紋萌生的傾向，利于得到良好板坯。在保證合金在鑄軋區(qū)內(nèi)能夠完全凝固的前提下，適當(dāng)?shù)靥岣哞T軋速度，可以降低裂紋萌生的傾向。

（2）利用有限元這種數(shù)值分析方法通過對成形工藝條件

參數(shù)的設(shè)置來預(yù)測工件的成形效果，可以為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shuzhen Shang， Xiaoling Tang， Guimin Lu， Wanning Zhang， Jiaojiao Wang. Constitutive Equation of ZL201 Alloy during the Semi-Solid Thixotropic Compression [J]. Advanced Materials Research，2012，418：1274-1278.

[2]Jiaojiao Wang， D. Brabazon， A.B. Phillion， Guimin Lu. An innovative two-stage reheating process for wrought aluminum alloy during thixoforming [J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2015，46（9）：4191-4201.