维普资讯 http://www.cqvip.com 第３＿４卷第１期 重珲梭 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．１ ２ＯＯ４年１月 Ｊａｎ．２Ｏｏ４ ０ ６ １铝薄 板焊接熔池度 变形酶数值分析 张庆移，魏良武，陆 皓 （上海交通大学材料科学与工程学院，上海２０００３０） 摘要：系统总结了焊接规范对６０６１铝薄板熔池及变形的影响规律，结合试验数据与数值模拟结果 的对比，给出了不同规范下热源半径推荐值和热输入修正系数，实现了３衄厚６０６ｌ铝薄板ＴＩＧ重 熔下的温度场和变形的精确模拟及预测；该结论同样适用于１’ＩＧ 填丝无间隙对接焊。 关键词：６０６１铝薄板；ⅡＧ；重熔；无间隙对接焊 中圈分类号：ＴＧ４０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２３０３（２００４）０１－－００５１－０４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ６０６１ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｔｈｉｎ ｐｌａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ—ｙｉ，ＷＥＩ Ｌｉａｎｇ—ＷＨ，ＬＵ Ｈａｏ （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｚｓ ｔｈｅ ｅ ｃｔ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ６０６ １ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｂｏａｒｄ．Ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｒａｄｉｕｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅ—ｍｅｌｔ ｏｆ ｔｈｉｎ ６０６１ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｂｏａｒｄ ｃａｎ ｈｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｂｕｔｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｎｏ ｇａｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｎ ６０６ １ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｌａｔｅ：ＴＩＧ；ｒｅ—ｍｅｌｔ；ｂｕｔｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ／１０ ｇａｐ 引言 为解决能源短缺、环境污染等问题，汽车轻量 化已成为世界汽车工业的发展趋势，以铝合金材料 数值模拟时…，在相同焊接规范下选取不同热源半 径 及热源效率，模拟结果会有较大差别。对不同宽 度尺寸和规范下６０６１铝合金薄板进行了焊接试验， 结构代替传统的钢结构已成为实现车辆轻量化的 最理想可行方案。 美国、日本、德国、意大利、瑞士在本领域内的 研究起步较早，并已部分实用化。在国内，汽车的铝 对比实测数据与模拟结果发现：在不同规范下采用 修正的热输入值及调整 值，可以实现温度场及变 形的精确预测。此外，试验对比了６０６ｌ铝合金板与 ９０３钢板焊接的横向变形量，同等热输入条件下， 铝合金的焊接变形量明显大于钢的变形量。最后，在 ＴＩＧ重熔与ＴＩＧ填丝对接焊试验对比的基础上给 出了ＴＩＧ填丝无间隙对接焊的模拟方法。 合金水平很低，发展不平衡，汽车车身板材基本为 空白。其主要原因是铝合金的焊接变形问题，与钢 材相比较，铝合金热传导率和线性膨胀系数大，焊后 易软化，因而更易产生焊接变形。 该试验主要研究Ａ１一Ｍｇ—Ｓｉ系６０６１强化铝的 １ ＴＩＧ重熔试验 １．１ 试验条件 试板采用６０６１铝合金薄板，尺寸为厚３ ｍｉｌｌ，长 ３００ ｍｉＴｔ，宽度不同，见表１。采用ＴＩＧ重熔，自由拘 束状态下机器手夹持钨极匀速沿试板中心线行走， 焊接时焊缝底部及４个角垫陶瓷衬垫，环境温度 ２５ ｃＣ。焊接中，试板两端各留有１０ ＩＴｌＩＴＩ未焊，焊缝 以图中黑色粗线表示，如图ｌ所示。为比较铝合金 焊接工艺及其变形特点。６ｏ６ｌ强化铝可广泛应用于 汽车车体，在对其薄板进行焊接时，试板尺寸、焊接 规范的改变会对焊接熔池、变形产生影响，给铝合 金薄板的焊接变形数值分析带来一些难点。在此较 系统地研究了ＴＩＣ焊条件下的熔池特征及其对焊 接变形的影响。采用高斯热源模型进行铝合金薄板 收稿日期：２００３一ｌ１一ｌ７ 基金项目：上海市轻量化轿车焊接技术研究资助项目（０２２２） 与钢板的焊接收缩量，选取９０３钢板，尺寸为厚３ ｍｍ，长３００ ｍｉＴｔ，宽７５ ＩＴＩＩＴＩ，如表ｌ中 ，测量位置 同图ｌ。 作者简介：张庆移（１９７４－－）．男．山东日照人，二ｒ＝学硕士．主要从 事铝合金焊接丁艺及变形数值分析： ５１‘ 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 雹珲墩 第３４卷 表ｌ试板尺寸与焊接规范编号 １．２熔池形状参数统计 试板焊后沿垂直焊缝方向切割、精磨、腐蚀后， 可得到清晰的焊缝横向截面形状和尺寸，两侧边平 直。截面可作为梯形处理，尺寸见表２。 表２熔池横向截面正、背面宽度 试验采用ＴＩＧ重熔，电弧冲击力不大，热输入 方式为图２所示的高斯模型。熔池的大小、形状主要 取决于焊接线能量、试板尺寸、材料特性及高斯模 型参数。ＢＹＴ．Ｗ．ＥＡＧＡＲ和Ｎ．Ｓ．ＴＳＡＩ详细讨论了焊 接规范、材料特性对高斯模型参数与熔池的影响 ， 与试验统计结果吻合。 ｇ（ｒ）＝ｇ ．ｅｘｐ（一３ｒ２／Ｒ ）， （１） ｑｍ＝３ｑ／（ＪＩ Ｒ ）， （２） （７＝叼·Ｕ· 有效功率）。 １．２．１ 焊接速度的影响 在其他焊接参数不变条件下，焊接速度增大时， 焊接线能量降低，热源有效半径减小。比较表２中 各数据，熔池逐渐变小，熔池正、背面宽相对越接近 熔池正面宽度基本不变，热源效率基本不变。 １．２．２试板宽度的影响 比较Ｔ 、Ｔ４，板宽变大，熔池基本不变。 １．２．３焊接电流的影响 线能量不变，焊接电流增大时，热源有效半径 ５２· 荔 图２电弧热能分布 加大，熔池对流增强，熔池变大。因此对大电流焊接 进行模拟时，应加大热源半径 ，同时根据试验数 据对模拟时采用的热输入进行修正。 综上所述，在一定的焊接热输入范围内（２ｏ０～ ３５０ Ｊ／ｍｍ），可由式（３）近似计算熔池横向截面大小， 并在模拟时作为确定热源半径的依据： ｈｉ＋６ ２＂－ 黠， （３） 式中ｂ。、ｂ 分别为熔池横向截面正、背宽度（单位： ｍｍ）：Ｕ、，、 分别为焊接电压、电流、焊速； 为板厚 （单位：ａｒｉｎ）；叼为热源效率（取叼＝０．６５）； 为热输入修 正系数，随电流改变：，＿１８８Ａ时，ｋ＝１．０６３； １９８Ａ时， ｋ＝１．１１３；Ｉ＝２２１ Ａ时，ｋ＝１．１５。即３种电流下热源效率 分别取０．６９、０．７２、０．７５。 不同电流下ｋ值的确定，如图３所示。 焊接电流，／Ａ 图３ ｋ随焊接电流变化曲线 １－３横向收缩量 焊接前预先在试板表面画网格线以测量横向 收缩，测量结果见表３。 ａ．比较Ｔ。、Ｔ：、 ，随焊接速度的增大，焊接热输 入降低，焊接熔池变小，其横向收缩量显著变小； ｂ．比较ｒｒ１、Ｌ，当试板宽度由７５ ｎｌｌｎ增到１００ｎｌｌｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 究与设计 张庆移等：６０６１ 薄板焊接熔池及变形的数值分析 第１期 卯铊 卯 表３横向收缩试验结果 ∞ ｌ×ｌ０ 坐标测量位置坐标 单位：ｍｍ）所对应的横向收缩量ｂ／ｍｍ 编号—ｙ＝６０ ｙ＝９０ ｙ＝１２０ ｙ＝１５０—ｙ＝１８０ 勰 ｙ＝２１０ ｙ＝２４０ ｙ＝２７０ Ｔｌ Ｔ２ Ｂ 如 勰 Ｌ Ｔ５ 挑鼹 Ｔ８ 时其横向收缩量变大。 鼹 ｃ．Ｔ 为大规范焊接，与Ｔ 相比较，其熔池尺寸 勰 增大，横向收缩量变大，可见采用大规范对薄板焊 接变形影响较大。 ∞ ｄ．比较Ｔ 、Ｔ８，虽然焊接钢的热输入比焊接铝 的大，但其横向收缩量小于铝的横向收缩量。 ２ ＴＩＧ重熔数值模拟 ２．１温度场的模拟 在焊接过程中，温度梯度和试板刚性使得焊缝 及近缝区产生热应变，同时伴有塑性压缩，产生应 力，导致试板的各种变形，在用热弹塑性法进行变 形分析时，须建立合理的有限元模型和热源模型，选 定合适的热源模型参数和加载方式，以便得到精确 的温度场。 ２．１．１ 热源模型参数确定 对高斯热源模型，由式（３）可求得熔池特征参数 ６ ＋６ ，计算中推荐尺＝（０．６～０．７）·（６ ＋６ ２）；当焊接速度 较低时，可适当降低尺。在Ｔｒ１ｒ５的焊接参数中，６ ＋ ｂ 和尺值见表４。 表４高斯热源半径推荐值 项目Ｔｌ Ｔ２ Ｔ３ Ｔ４ Ｔｓ ｂｌ＋Ｉ）２ ｌ２．８０ １ １．５０ １０．０ １ １．４０ １２．８０ ７．６８ ６．９０ ６．０ ６．８４ ６．６８ ８．９６ ８．０５ ７．０ ７．９８ ８．９６ ２．１．２加载方式 热输入可采用直接表面加载或分层体单元不 等量加载，后者是把热输入分成不等量的几份，分 别按高斯分布加载到不同层的体单元上，通过调整 各份比例来获得合适的温度场。本计算中采用分层 体单元加载。 ２．１．３ 网格尺寸 建立有限元模型时，熔池以及近熔池区的网格 划分既要保证模拟精度，又要节省计算时间。计算 证明，当单元尺寸为尺的１／３～１／２时，可达到稳定 计算结果，远离焊缝区的网格可适当粗大。 ２．１．４温度场计算 根据前面提供的ｃ／、，、 、 、ｒ／值及推荐的尺范 围，可以得到合适的温度场。 图４ａ为表面加载方式模拟温度场，图４ｈ为分 层体热源输入模拟温度场，后者加载方式模拟温度 场与实验更为吻合。 Ｔ１ＭＥ＝９．３７５ Ｅ－＿９，３７５ ＴＥＭＰ ｆＡＶＧ） Ｆ ６００ ＳＭＮ＝４５３．１ ５３ Ｇ＝６４０ ＳＭＸ ７７０．５５９ ＭＸ 『 ＿ Ｅ ｜Ｆ ｌ６ 、｜ Ｅ／ 『＼Ｅ Ｇ １９／Ｆ／ Ｅ｜ ｒＭＮ Ｅ ｜Ｆ ： ｙ 、｜ Ｅ／ ａ表面加载 ＴＩＭＥ ９．３７５ Ｅ＝５００ ＴＥＭＰ（ＡＶＧ） Ｆ二６００ ＳＭＮ４１Ｉ．１２５Ｇ＝６４０ｓＭｘ：７２９７ ５９Ｍｘ ｆ ＿ Ｅ ｜Ｆ｛Ｇ Ｇｌ、ｔ Ｅ 『 Ｅ Ｅ｜ ＩＭＮ Ｅ ｜Ｆ Ｇ： ｖ韵、｜ Ｅ ｂ分层体单元加载 网４不同加载方式下的温度场分布 在２种不同加载方式下对Ｔ 条件下的焊接变 形进行模拟计算，横向收缩量计算值与实测值见表５。 表５ Ｔ２实际与计算横向收缩量比较ｌｘｌ０ｔ 方式 不同位置横向收缩量ｂ／ａｒｍ Ａ ４２．０ ４４．０ ４４．０ ４２．０ ４４．０ ４６．０ ４６．０ ４６．０ Ｂ ３９．０ ４２．５ ４２．８ ４２．５ ４２．４ ４２．２ ４２．６ ４４．２ Ｃ ３８．６ ４０．３ ４０．５ ４０．３ ４０．１ ３９．９ ４０．７ ４１．２ 表中Ａ为实测值，Ｂ为分层加载计算值，Ｃ为 表面加载计算值。可见，采用符合熔池的分层体单元 加载方式，可获得较为准确的模拟收缩量，在此推 荐采用分层体单元输入。 ２．２变形模拟计算 在相符的试验条件及试验参数下对ＴｒＴ 进行 模拟，模拟结果见表６。 表６横向收缩计算结果ｌｘ１０－２ 坐标测量位景坐标，，（单位：ａｒｍ）对应的横向收缩量ｂ／ａｒｍ 比较表３与表６，可以得到与试验相同的结论 与趋势，稳定收缩区域误差不超过５％。 ５３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 鼋焊俄 表７ ＴＩＧ填丝对接焊接 第３４卷 ３ ｎＧ填丝对接焊的工艺及计算模型 ３．１ 对比试验 为了比较ＴＩＧ填丝对接焊接与ＴＩＧ重熔的差 别，设计了３组对比试验，见表７。采用 １．２ ｍｍ的 ４０４３焊丝，送丝速度为３０眦ｎ／ｓ，对接间隙为０．５ ｍｌｎ， 两端预先点焊固定，自由状态连续焊接。变形测量与 表８ ＴＩＧ对接横向收缩试验结果ｌｘ１０－２ 坐标 测量位置坐标 单位．－ｍｍ）Ｘ￣应的横向收缩量ｂ／ｔａｍ 编号 ＴＩＧ重熔实验一致。横向收缩测量值见表８。 ３．２ ＴＩＧ填丝无间隙对接焊的模拟 ＴＩＧ填丝对接焊接试验中，间隙随焊接过程发 生变化：在两端由于约束，其变化量小；在中间段， 由于焊缝收缩，焊接时试板已接触，等效于无间隙， 其收缩量为预留问隙量加焊接收缩量。由此可推出 ＴＴ 、ＴＴ 、ＴＴ 对接焊在无间隙时收缩量分别约为 ０．５４ｍｍ、Ｏ．４４ｍｌｎ、０．５９ｍｌｎ，与表３中Ｔ１、Ｔ２、 的ＴＩＧ 重熔收缩量基本相同，可采用重熔模拟方法对ＴＩＧ 填丝无间隙对接进行模拟。 精确模拟及预测。 ｂ．比较了铝和钢的焊接变形，同等热输入下，铝 的横向变形量大于钢的变形量。 ｃ．可采用重熔模拟方法对ＴＩＧ填丝无间隙对接 进行模拟。 参考文献： 【ｌ】张文钺．焊接传热学【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９８７． 【２】ＥＡＧＡＲ ＢＹＴ Ｗ，ＴＳＡＩ Ｎ Ｓ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ Ｈｅａｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ［Ｍ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，１９８２． ４ 结论 ａ．研究了ＴＩＧ重熔试验条件下焊接规范对６０６１ 铝薄板焊接熔池及焊接变形的影响规律，并进行了 Ｐａｇｅ ２３ｑ 表２厚板特征点峰值温度及焊接过程参数 循环，但却基本反映了温度的分布状况，可以得出 以下结论： 转速掌旁 ｊ ｊ扭矮 功率 — 特征点温度峰值胞 竺：！！ 竺鱼竺 壁堕 ！ ：． 一；＿－一 望 ． ｌ ２９３ １４４Ａ ２７．１ ３６７５ ４３８ ２９３ ４５７ ３５５ ａ．特征点位置确定和测温方法适用于研究搅 拌摩擦焊的温度分布。 ｂ．硬铝的熔点是６４０ ｏＣ，测定的温度峰值远 没有达到熔点；焊接过程中焊缝两侧温度并不对称， 前进边温度低于后退边温度。 ｃ．温度随距离摩擦头肩部越远，温度越低。 ｄ．对流换热对焊接温度的影响不能忽略，高速 ｌ ２９ｒ ｌ ０９１ ｌ ０９４ ８８６ ８９０ ｌ ２９ｌ ｌ ２９１． １４４Ａ １４４．４ １４４Ａ １４４Ａ １４４Ａ １０１．７ １０１．７ ２９．８ ４ ０４２ ３ｌ－４ ３ ５９５ ３５．４ ４ ０４４ ４７．７ ４４１ｌ ３２．３ ３ ０６２ ３３．２ ４４８７ ２８．８ ３ ８９９ — ４９０ ３３ｌ —４９２ ３５７ ４９５ ３７１ ４８９ ３７４ ５０８ ３７９ ３７４ ２４２ ５２０ ４２８ ５０６ ３９３ ４３３ ３４８ ４６６ ３６５ ３５５ ２５４ ５１７ ３９５ ４８５ ３５９ ｌ ｏ９０ １ ｏ９０‘ ８８８ ８９１’ １０１．７ １０１．７ １０１．７ １０１．７ ３４．１ ３ ９０８ ３４．１ ３ ８８６ ４１．５ ３ ８５８ ３５．０ ３ ２６７ ４７５ ４２８ ４０２ ３２９ ４７３ ３７２ ５０３ ３７８ ４９２ — 焊接时温度变化随单位截面热输入的增大而升高， 但低速焊接时温度上升缓慢。 ４９２ ３６９ ４１９ ２７８ ３７４ ２７１ 参考文献： 【１】王希靖，陈书锦．搅拌摩擦焊机控制器的研制【Ｊ】．兰州理 １二大学学报，２００３，（４）：１－４． 【２】 赵家瑞．摩擦搅拌焊新工艺发展与应用【Ｊ】．电焊机，２０００， ３０（１２）：９－１ １． 【３】杜随更，傅莉，刘小文．摩擦焊接过程的热力耦合有限元 ｌ ２９２ ｌ ２９Ｔ’ ｌ ｏ９３ ６０ ６０ ６ｏ ２８－４ ３ ８４０ ４９２ ３７４ ２８．６ ３ ８６２ ２８．１ ３ ２２３ — —３６７ ４２６ ５１５ ４２６ ５１０ ３８６ ３８２ ４５５ ｌ ０９０’ ８８３ ８９Ｔ ６０ ６０ ６０ ３２．８ ３ ７４４ ３３７ ４２８ ３４３ ４９２ ４９４ ４０７ ４２８ ２０４ ４８．０ ４ ４２６ ４９２ ３７２ ３２－２ ３ ０ｏ８ ４０７ ３１４ 分析【Ｊ］．机械工程学报，２００２，３８（６）：７７—８２． 【４】Ａｂｅ Ａｓｋａｒｉ，Ｓ￣ｗａｒｔ Ｓｔｉｌｌｉｎｇ，Ｂｌａｉｒ Ｌｏｎｄｏｎ，ｅｔ ａ／．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ 注：未标 号的是距焊缝上表面２ｍｍ处的特征点温度，标 号的 是距焊缝上表面４ ｍｍ处的特征点温度。 ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｅｅｓｓ［Ａ］．Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ， Ｍｅｔａｌｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ［Ｃ］．Ａｍｅｒｉｃａ．２００１． 测温的结果虽然不能全面说明焊接过程的热 ５４· 够．
