鋁合金薄板凸焊應(yīng)力場有限元分析

徐光晨

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

電阻焊因其生產(chǎn)效率高、易于控制焊接質(zhì)量以及容易實現(xiàn)焊接過程的機械化和自動化等優(yōu)勢，越來越多地被應(yīng)用于汽車、航空航天等加工制造領(lǐng)域.凸焊是電阻焊諸多工藝中的一種，首先在被焊工件表面加工出一個或多個預(yù)制凸焊筋，目的是通過凸焊筋加強焊接過程中的電流密度.凸焊過程是通過電極在兩塊搭接的工件表面施加壓力并通以電流，利用電流流經(jīng)工件產(chǎn)生的電阻熱將凸焊筋壓潰直至融化，最后凝固形成焊點[1].電阻焊是一個牽涉到電學(xué)、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程,其中包括焊接時的電阻產(chǎn)熱、熱量傳遞、金屬熔化和凝固、焊接應(yīng)力與應(yīng)變、冷卻后的殘余應(yīng)力等[2].因此，電阻焊的焊接過程不容易直接觀察，而為了獲得滿意的焊接接頭，需要依托經(jīng)驗為基礎(chǔ)進行大量的實驗，這個過程會消耗企業(yè)大量的資源和成本.將焊接仿真加入到焊接的設(shè)計流程中，不僅能夠得到焊接過程中的參數(shù)變化，還能夠大大節(jié)約焊接成本，因此焊接仿真逐漸被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域.

鋁合金由于諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，由于鋁合金的線膨脹系數(shù)很大，且表面氧化鋁的熔點很高，以此鋁合金的焊接存在一定難度[3-4].目前，凸焊仿真的研究較少，上海交通大學(xué)的羅愛輝[5]等人對整個凸焊工藝過程進行了完整的分析,得到了凸焊凸點壓潰過程、凸焊焊核成形過程以及焊后溫度場分布等一系列結(jié)果.武漢工程大學(xué)的盧霞[6]等人分析了真空電阻凸焊的熱電耦合過程,得到了焊接過程的熱歷程以及焊件各部位的溫度分布，得出凸焊筋距離對溫度場分布的影響.上海交通大學(xué)的萬子軒[7]等人定性及定量地分析了兩種材料在電阻凸焊過程中溫度場、應(yīng)力場的參數(shù)變化規(guī)律以及最終凸焊接頭的熔核直徑.華中科技大學(xué)的王成剛[8]等人通過對不同預(yù)壓力和不同角度凸焊筋頂角的有限元接觸分析，得出不同預(yù)壓力和凸焊筋頂角的凸焊筋塑性變形和接觸壓力分布狀況等結(jié)果.

本文針對6063鋁合金薄板的凸焊問題，使用simufact-welding軟件，建立凸焊有限元模型，考慮模型的散熱過程、材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)以及鋁合金融化-凝固過程的熱力耦合等因素，得到凸焊成形過程中的實時應(yīng)力場分布，通過對應(yīng)力場變化的研究以及實驗結(jié)果的對比對仿真模型進行驗證.

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)字及有限元模型

根據(jù)6063鋁合金薄板的實際尺寸在三維軟件中建立了凸焊的數(shù)字模型，上下薄板的尺寸均為50 mm×50 mm×1.5 mm，其中下薄板通過機械加工預(yù)制了一個凸焊筋，其尺寸如圖1所示，通過夾具將上下薄板水平堆疊放置.

圖1 鋁合金凸焊數(shù)字模型

圖2 鋁合金凸焊有限元模型

由于凸焊筋在凸焊過程中會發(fā)生較大變形和融化，因此為了更為準(zhǔn)確地得到仿真結(jié)果，在凸焊筋位置進行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸范圍為0.1～0.2 mm，在遠(yuǎn)離焊點的邊緣區(qū)域采用粗大網(wǎng)格，其網(wǎng)格尺寸范圍為0.3～0.5 mm，在中間區(qū)域采用了過渡網(wǎng)格進行連接，利用Hypermesh軟件建立的鋁合金薄板凸焊有限元模型如圖2所示.

1.2 溫度場基本方程

電阻凸焊的電-熱耦合分析時，在給定電流參數(shù)的前提下，內(nèi)部的電壓可以用Laplace方程來描述，其微分方程如下：

(1)

式中：r,z為圓柱坐標(biāo)系中點的徑向和軸向坐標(biāo)；U為電壓；ρ0為材料的電阻率.

鋁合金的凸焊本質(zhì)上屬于電阻焊，其焊接過程的溫度場被定義為非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，傳熱機制包括電極與薄板之間的熱傳導(dǎo)、薄板之間的熱傳導(dǎo)，薄板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)以及薄板與空氣之間的熱對流.根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律可以得到如下傳熱方程[9]：

(2)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；t為時間；Q為潛熱；ρ為材料的密度；Cp為比熱容.

1.3 材料熱物性參數(shù)與相變潛熱

薄板使用的材料為6063鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 6063的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)

由于實際成形過程中，材料的性能變化一般都是非線性的，這個變化與溫度有關(guān)，因此需要在material模塊中輸入與溫度相關(guān)的材料參數(shù).6063鋁合金基于溫度變化的熱物性參數(shù)由JMatPro軟件計算得到(見圖3).

相變潛熱是指材料在相變過程中吸收或放出的熱量.在薄板凸焊過程中，熔池在很短的時間內(nèi)經(jīng)歷了固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)的轉(zhuǎn)變，6063鋁合金薄板在凸焊的過程中，也有可能會發(fā)生融化，因此需要在定義材料屬性時加入隨溫度變化的焓：

(3)

其中，ρ為密度，C(t)為隨時間變化的比熱.

1.4 焊接工藝

采用銅電極作為凸焊電極，電極形狀為平底圓柱形，底面直徑13 mm.凸焊的工藝過程如圖4所示，整個凸焊過程持續(xù)0.6 s，全程保持5 kN的焊接壓力，從0.2 s開始通電流，在0.21 s時達到最大值35 kA，通電時間持續(xù)0.3 s，最后斷電保壓0.1 s.

圖3 6063部分熱物性參數(shù)

圖4 凸焊工藝參數(shù)

2 模擬結(jié)果與討論

圖5為焊接電流35 kA不同時刻凸焊筋應(yīng)力場分布，0.03 s時凸焊筋頂部受到上薄板的壓力出現(xiàn)較高的應(yīng)力值并開始變形.0.293 s時發(fā)現(xiàn)凸焊筋變形量較大，根據(jù)圖4的焊接工藝發(fā)現(xiàn)此時電流已達到最大值35 kA，由于凸焊筋此時的溫度較高，因此等效應(yīng)力值低于周圍的塑性環(huán).當(dāng)時間達到0.386 s時，凸焊筋完全被融化，所以此時焊核的應(yīng)力值達到最低，隨著焊接過程的繼續(xù)，在0.479 s時焊核達到最大尺寸.最后斷開電流焊核迅速冷卻，2 min完全冷卻后的殘余應(yīng)力為119.63 MPa.

通過對凸焊筋的頂點設(shè)置跟蹤點，得到了如圖6所示的時間-位移曲線.在5 kN的焊接壓力下，凸焊筋不斷被壓縮，其中在0.479 s時，凸焊筋完全被壓潰.壓潰后，由于焊核被融化，頂點在焊接壓力下繼續(xù)向下發(fā)生少量的位移.之后通過實驗發(fā)現(xiàn)，凸焊筋被壓潰的時間與實驗結(jié)果非常接近.

3 實驗驗證

圖7為35 kA時實際焊核金相照片(圖7a)與仿真焊核(圖7b)的對比，如圖可見，仿真與實驗焊核尺寸接近，這也驗證了本實驗的有限元模型與參數(shù)設(shè)置能與實際凸焊過程有較好吻合.

圖5 焊接電流35 kA不同時刻凸焊筋應(yīng)力場(MPa)

圖6 凸焊筋頂點的位移曲線

圖7 35 kA時實際焊核(a)與仿真焊核(b)金相照片對比

4 結(jié)論

(1)在使用Laplace方程和傳熱方程的基礎(chǔ)上，對以凸焊筋為中心的區(qū)域進行由細(xì)到粗的過渡網(wǎng)格劃分方式，這樣的網(wǎng)格在減少計算量的同時能夠得到較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果.通過實驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)其仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合.

(2)經(jīng)過對比應(yīng)力場以及凸焊筋位移曲線，發(fā)現(xiàn)在0.386 s時焊核完全融化，0.479 s時焊核尺寸達到最大值，當(dāng)2 min完全冷卻后焊核區(qū)域的殘余應(yīng)力為119.63 MPa.

(3)該模型沒有考慮焊核的相變過程，這將是后續(xù)需要解決的問題.