6061铝合金焊接变形的数值分析

山东机械引言为解决能源短缺、环境污染等问题，在汽车制造中采用铝合金轻量化已成为世界汽车工业的发展趋势。

在国内，经济成本、铝合金的焊接变形大等因素制约了汽车的铝合金化发展。

６０６１强化铝可广泛应用于汽车车体，与钢材相比较，６０６１强化铝合金热传导率、线性膨胀系数大，焊后易于软化，焊接变形大，给铝合金薄板的焊接变形数值分析带来一些难点。

因此应进一步铝合金的焊接工艺及变形模拟的研究工作。

当前焊接变形数值模拟的方法主要有热弹塑性法及固有应变法，在热弹塑性方法模拟时，６０６１铝合金特殊的焊后软化特点会给模型的准确建立带来很大的困难。

本文采用了热弹塑性方法对６０６１铝合金的焊接变形进行分析。

关于热弹塑性分析和６０６１的软化现象已经有文献报道，但是迄今尚无把６０６１的软化现象引入到有限元分析之中的报道。

本文用简化的模型在有限元分析中考虑了６０６１铝合金的软化现象，提高了数值分析的精度。

１６０６１铝的软化现象６０６１属于Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系列铝合金，是一种可热处理强化的铝合金，依靠合金元素（如Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ及Ｚｎ等）在ａ固溶体中形成的强化相在基体中的弥散分布来获得较高的强度，有时在合金系中添加少量的Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等元素以获提高机械性能和细化晶粒，焊前一般为固溶处理加人工时效处理状态，焊后必然会产生软化现象，故焊后在试板上６０６１铝合金焊接变形的数值分析王宗茂１王建平１吴飞２（１．济南锅炉集团有限公司；２．上海交通大学）摘要：本课题是上海汽车工业基金汽车轻量化研究工作的一部分。

汽车轻量化对于节省能源、保护环境、提高安全都有着重要的现实意义，而铝合金材料的应用则是解决该问题的有效途径之一。

目前，国内在这一方面尚与先进国家存在较大差距，主要是由于铝合金结构在焊接工艺上存在较大问题。

国内外相关文献主要集中在焊后组织及性能的模拟，本课题旨在对铝合金结构的焊接变形进行数值分析，为制定和优化焊接工艺提供必要的参考。

关键词：６０６１铝合金焊接变形焊后软化热弹塑性方法固有应变法ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＷｅｌｄｉｎｇＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆ６０６１ＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＷａｎｇＺｏｎｇｍａｏ１ＷａｎｇＪｉａｎｐｉｎｇ１ＷｕＦｅｉ２（１．ＪｉｎａｎＢｏｉｌｅｒＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．２．ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）：Ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓａｒｅｉｄｅａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｍａｋｅｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｉｇｈｔｅｎｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓａｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙ．ＢｕｔｓｏｍｅｆａｃｔｏｒｓｐｒｅｖｅｎｔＡｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｆｒｏｍｂｅｉｎｇｕｓｅｄｍｏｒｅｗｉｌｄｌｙｉｎｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｎｄｉｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｏｎｅｔｈａｔｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｆｉｎｄ．Ｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ’ｓｒｉｇｉｄｉｔｙｉｓｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｔｅｅｌ’ｓ，ａｎｄｉｔｗｉｌｌｂｅｓｏｆｔｅｎｅｄｉｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇ．Ｓｏｍｏｒｅｆａｃｔｏｒｓｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｎｄｓｏｍｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｓｈｏｕｌｄｂｅｍｏｄｉｆｉｅｄｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｌｄｉｎｇ．：６０６１ＡｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙＷｅｌｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＷｅｌｄｅｄｓｏｆｔｅｎｉｎｇＨｅａｔｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃＩｎｈｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎＳＨＥＪＩＹＵＺＨＩＺＡＯ３６－－ＮＯ．６，２００４ＮＯ．６，２００４山东机械ＹＸｂ３００焊缝硬度压痕ＨＡＺ截取试件，按图１所示在硬度计上从焊缝中心开始向母材侧逐点测试硬度，测试结果如图２所示。

图１硬度测试示意图图２硬度测试结果从图上可以看出，焊缝（ＷＭ）中心部位硬度最低，随着远离焊缝中心，硬度增加。

但在热影响区（ＨＡＺ），硬度再次降低，形成软化区。

此后，硬度逐渐增加，最后硬度达到原始母材的硬度。

从整个焊接接头看，经历了焊接热循环的焊缝及热影响区的焊后硬度均比母材的硬度降低。

这与６０６１铝合金的供货状态及焊接过程中组织结构的变化有关。

在不同焊接工艺规范条件下，６０６１铝合金焊接接头的硬度分布规律与图２的硬度分布曲线相似，但随着焊接线能量的增大，软化区距焊缝中心的位置越远，软化区的宽度增加。

２ＴＩＧ重熔试验试板为６０６１铝合金薄板，采用ＴＩＧ重熔焊接，试板两端各留有１０ｍｍ未焊，焊接前预先在试板表面画网格线以便测量横向收缩，焊缝为图中黑色粗线表示，如图３所示，试板尺寸、焊接规范如表１中所示。

图３测量位置示意图表１试板尺寸与焊接规范编号３热弹塑性有限元模拟热弹塑性方法首先对焊接过程的温度场进行模拟，然后将所得温度场作为载荷进行结构分析。

焊接热输入的分布服从高斯分布。

热弹塑性方法模拟时，应充分考虑非线性的弹性模量、屈服强度、传热系数、比热容等材料物理特性。

本文在计算中就不考虑软化与考虑软化两种情况进行对比。

焊后软化特征参数变化主要表现为材料屈服强度的下降，软化区域的屈服强度在软化前后是不一样的，软化前的屈服强度特性曲线可由试验方法测定，而软化后的特性曲线则受焊接规范的影响且各区域不一致，因此本文在考虑焊后软化的模拟计算时采用简化模型：首先，不考虑软化区域的软化程度随焊缝中心距离不同的变化，假定软化程度一样；其次，假定软化区域与非软化区域存在突变，软化区焊后４００℃以下的屈服强度为焊前的７０％。

图４６０６１的屈服强度非线性曲线图５不同软化模型编号试板尺寸ｍｍ电流Ａ电压Ｖ焊速ｍｍ／ｓＴ１３００×７５×３１８８１４８Ｔ２３００×７５×３１８８１４１０Ｔ３３００×１００×３１８８１４８Ｔ４３００×１００×３２２１１４１０Ｔ５３００×１５０×３１８８１４８ＳＨＥＪＩＹＵＺＨＩＺＡＯ３７－－山东机械图４中１、２曲线分别表示焊接加热和焊后软化材料屈服强度随温度的变化，其中软化后的常温下的强度取２０４ＭＰａ。

计算时考虑图５所示Ａ、Ｂ两种模型，其中，Ｆ为焊缝区域，Ｅ为热影响区域，Ａ模型不考虑软化现象，整个焊接过程只采用特性１曲线；Ｂ为在焊缝区及热影响区考虑焊后软化，在降温时将焊缝区及热影响区的单元材料属性换成图４中曲线２所示，这里认为焊缝和热影响区经过软化后的强度是相等的。

通过Ａ，Ｂ两种模型的模拟来对比焊后软化对６０６１铝合金焊接变形的影响。

当不考虑软化现象时，数值分析的横向收缩结果见表２，表２中同时列出了，试板的横向收缩试验值。

表２横向收缩计算与试验结果对比Ｔａｂｅｌ２Ｌａｔｉｔｕｄｉｎａｌｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ不考虑软化时，纵向收缩的计算值如表３，同样表３中列出了试验值作为对比。

表３纵向收缩量试验结果Ｔａｂｅｌ３Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ比较表２、表３中横、纵向收缩量的试验值与计算值，可以看出：１）对横向收缩，试板宽度大时模拟的误差较小，试板宽度小时模拟量偏大，但不超过１３％。

２）纵向收缩的模拟量都比试验值大且误差较大，试板宽度越小，其误差越大，随试板宽度的增加，误差逐渐变小。

当考虑到材料的软化现象时依据图４、图５模型，软化区屈服强度下降为焊前的７０％，对Ｔ１试板按以下两种情况进行模拟：Ａ）软化区域宽度＝３０ｍｍＢ）软化区域宽度＝２０ｍｍ通过以上计算可以得知，试验、不考虑软化、Ａ、Ｂ四种情况下的纵向收缩及横向收缩比较见表４。

表４Ｔ１实际及模拟的纵向、横向收缩比较Ｔａｂｌｅ４ＳｐｅｃｉｍｅｎＴ１ｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ比较四种情况下的收缩量可知，当考虑软化模拟时，横向模拟收缩量增加，但增加量很小，纵向收缩量明显变小。

对Ｔ１的模拟，Ｂ情况下的模拟结果与实际最为接近，因此在６０６１铝合金焊接变形模拟时，应该充分考虑试板的焊接软化现象。

同理，对Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５，也可以通过软化模型进行合理模拟，在模型建立时，其软化程度与软化区域应随焊接热输入的增加适当增大３结论６０６１铝合金在焊接过程中焊缝及热影响区发生软化，该现象对６０６１铝合金的焊接变形有一定影响。

在热弹塑性有限元分析时，应考虑软化现象。

计算表明，对于板结构，软化现象主要影响纵向变形，考虑软化现象的有限元模型所得的纵向变形更加接近于试验结果。

参考文献［１］张文钺．焊接传热学．北京：机械工业出版社，１９８７［２］ＢＹＴ．Ｗ．ＥＡＧＡＲａｎｄＮ．Ｓ．ＴＳＡＩ．ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄｓＰｒｏｄｕｃｅｄｂｙＴｒａｖｅｌｉｎｇＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＨｅａｔＳｏｕｒｃｅｓ．ＷｅｌｄｉｎｇＲｅ－ｓｅａｒｃｈＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ．１９８２测量位置ｘ坐标（ｍｍ）及横向收缩量（０．０１ｍｍ）６０９０１２０１５０１８０２１０２４０２７０Ｔ１试验值４２４４４４４２４４４４４４４６计算值４５４６４６４６４６４６４７４８Ｔ２试验值３２３４３４３４３４３４３４４４计算值３６３７３８３８３８３８３８４０Ｔ３试验值４４４６４８４６４８４８４８４６计算值４６４７４７４７４７４７４７４７Ｔ４试验值５０５４５６５４５８５８６２６０计算值５８６０６０６０６１６１６１６２Ｔ５试验值５０６２６２６６６６６８６６６４计算值６５６６６６６６６５６６６６６８试板编号Ｔ１Ｔ２Ｔ３Ｔ４Ｔ７Ｓｘｍａｘ（ｍｍ）试验值０．３２０．２６０．３００．３４０．２８计算值０．３９０．３５０．３６０．３９０．３２实际不软化ＡＢ纵向收缩（ｍｍ）０．３２０．３９０．２６０．３１横向收缩（ｍｍ）０．４４０．４６０．４８０．４７ＳＨＥＪＩＹＵＺＨＩＺＡＯ３８－－ＮＯ．６，２００４。