14-5A06铝合金激光焊接热-相变耦合模拟研究

5A06铝合金激光焊接热-相变耦合模拟研究刘景涛刘仁培魏艳红（南京航空航天大学，南京211100）摘要：激光焊接焊接铝合金的过程是一个非常复杂的过程，本文针对铝合金激光焊接过程建立了有限元模型。通过有限元的方法模拟铝合金焊接的温度场、相变场及热-相变耦合场。相变会影响材料的热物性参数，从而影响焊接的温度场温度值，峰值温度会有所降低，并且可以有效减少热循环曲线中的相变台阶，但不会改变温度场的形状。焊缝组织极其细小，焊缝组织为β相在α基体相上弥散析出，焊接后室温组织为α（Al）+β(Al3Mg2)。熔合区和热影响区都非常狭窄，组织过渡不明显。热-相变耦合温度场为预测实际焊接情况提供参考，从而可以更好的发挥铝合金激光焊接的优势。关键词：热-相变耦合，弥散析出，温度场有限元分析0引言铝合金具有质量轻、比强度高、无磁性、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可循环利用等优点，在航空、航天、国防、化学工业、交通运输、石油工业等部门被广泛应用。Al-Mg系铝合金具有较高的强度、良好的腐蚀稳定性等特点，在高强度的轻型结构中，例如民用航空机身等重点部位用其代替钢铁材料，可大大减轻构件的质量。激光焊接被誉为“21世纪先进制造技术之一”。航空航天领域采用激光焊接技术可实现航空航天结构件的进一步减重，因此激光焊接技术受到国内外航空航天工业的重视。激光焊接铝合金能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大，冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好。有研究表明在铝合金飞机机身制造中用激光焊接技术取代传统的铆钉，从而减轻飞机机身的重量近20%。相变动力学可以用来研究相变过程因材料的相变而引起的材料性能和材料物性参数的变化。激光焊接过程是个复杂的物理化学过程，必然伴随有材料的相变发生。相变的发生影响材料物性参数也必然影响焊接最终的温度场和变形的结果。然而，实际对焊接过程和焊接相变过程进行定量计算存在计算复杂和计算效率低下这两大方面的困难。1试验材料及方法1.1实验材料及设备本实验采用激光焊接了Al-Mg系的5A06铝合金，其成分如表1所示，由于Mg元素的加入，在焊接加热和冷却的过程中会形成Al3Mg2次生相。本实验采用的激光器最大功率为4KW，保护气体为氩气，气体流量为15L/min。表15A06铝合金成分组成（质量分数，%）MgMnTiSiFeCuZnAl5.8-6.80.5-0.80.02-0.10.400.400.100.20余量1.2试验方法本试验采用不开坡口直接对焊100mm×50mm×3mm平板，由于板厚为3mm，激光焊接热量集中，则选择不填焊丝。焊接参数如表图2所示。用砂纸进行打磨以去除氧化膜，然后用丙酮进行清洗。焊后，在试件的横断面与焊接方向垂直面上制取金相试样，金相试样用砂纸打磨，抛光，腐蚀后的试样在电子显微镜下观察其焊缝形貌。表2激光焊接铝合金焊接参数设定编号激光功率（KW）焊接速度（m/min）122.522.22.532.42.542.52.52焊接过程数值模拟分析2.1几何模型本实验采用的材料尺寸为100mm×50mm×3mm的试件作为激光焊接温度场有限元模拟对象。有限元模拟的第一步是离散化，首先需要进行空间离散化，即将实际的焊接构件进行网格划分。本文使用平板结构的对接焊接，几何形状并不是很复杂，故选用六面体网格进行划分，网格数量为15000，相对较多的网格数量可以增加计算的精确度。获得规整的网格划分结果如图1所示。图15A06铝合金试样几何模型2.2热源模型与边界条件目前，焊接热源模型主要是面热源和体热源，在有限元模拟中大多数都采用三维体热源加面热源的组合模型[51]。采用这种面体热源组合的方式，具有较高的模拟精度，能够模拟出符合激光焊接钉头状形貌的焊缝熔池形貌。采用高斯面热源模型和圆锥体热源模型的组合热源模型，其模型见图2。图2高斯面加圆锥体组合热源模型在图2中，Ze表示焊件上表面Z向坐标，Zi表示焊件下表面Z向坐标，re是焊件上表面的热源半径，ri是焊件下表面的热源半径，r0是焊件任一表面的热源半径。热源模型是依据实际热源的特点和焊缝的具体形貌选取的，用来清晰准确的表达焊接热输入的数学模型，圆锥体热源和高斯面热源数学公式如式(1)和(2)。3232220913exp()(1)()()VeieeiiPerQezzrrrrr(1)2223.03exp()mSQrQMrMr(2)式中：P：激光功率；Qm：热流分布最大值；Mr：高斯面热源半径激光撞击金属表面，使金属熔化和蒸发，热传导是主要的传热方式公式(3)。工件表面主要是对流和辐射换热导致的热量散失如式(4)和式(5).)]()()([QzTzyTyxTxTc(3)q=𝑎𝑐(𝑇𝑠−𝑇∞)(4)q𝑟=εc(𝑇𝑠4−𝑇∞4)(5)式中：ρ是密度；c是比热容；λ是热传导系数；Q是热流量；q是对流换热；qr是辐射换热2.3材料热物性参数材料热物性参数与温度场存在互相影响的关系，在焊接过程中，往往存在剧烈变化的温度场，对材料参数有着强烈的影响。材料在不同温度下的导热系数、比热容、热膨胀系数等如表3所示。表3不同温度下材料的物性参数温度（℃）20100600800导热系数（W/m℃）138153202215比热容C（J/Kg℃）660.4660.41061.71086.8泊松比0.30.3190.4140.452弹性模量（Pa）205E9202.5E960E930E9热膨胀系数（t/℃）11.75E-611.85E-614.5E-614.85E-62.4相变模型建立焊接过程相变一般包括熔化、凝固和固态相变的过程。焊接过程中的相变不仅影响焊接过程的诸多过程，对焊接接头的性能有着极大影响。铝合金的相变主要是扩散型相变，而5A06铝合金焊接过程的相变为扩散型相变。在铝合金焊接热循环过程中最主要发生的是α相和β相的转变，β相会在α相的基体中弥散析出。由于没有完整的5A06的相图，考虑到5A06是添加了α相稳定元素Mg形成的铝合金，可以使用Al-Mg系相图作为初步研究的参考。相图如3所示。图3Al-Mg系相图平衡相图对相变组分的计算只能提供一些定性的参考作用，事实上相变过程是非常复杂的，而要计算相变过程的相变组分、材料性质等也是十分困难的。Al-Mg系合金除了Al和Mg之外还含有许多其他微量元素，铝合金在加热和冷却过程的相变是在中高温区，忽略其他微量元素的影响，是为了能够合理地预测相变过程，方便建立合理的数学模型。JMAK方程是常用的等温相变动力学方程，本文即是在其基础上建立相变动力学方程，JMAK方程为式(6)。1exp()iniifbt(6)其中，f为产物相体积分数，t是时间，b和n是两个经验参数，b是温度函数而n则与温度无关。利用有限元的思想，对时间进行离散化，同时对JMAK方程取对数，然后对时间t进行微分。在有限的时间步骤内，由于采用了很小的微分时间，所以可以认为在这一微分时间段内是等温相变，采用这种方式推出非等温的JMAK方程如式(7)。iniiiif(T)[1exp(b(t))]*F(T)(7)从式(7)中可以看出，如果计算时间步足够小，则该模型就可以模拟连续相变。由于扩散型相变需要时间，而相变时间远大于计算时间，因此这种近似是可以成立的。2.5热-相变耦合模型建立焊接过程的相变对焊接过程影响重大，相变会导致微观结构的变化，而不同的微观结构决定了宏观的性能。同时，相变也会对焊接温度场产生影响，不同的相其微观晶体结构不同，从而会影响材料的热物性参数。因此，为了提高模拟的准确度，在传统的温度场有限元模拟的基础上考虑相变对温度场的影响，实现热-相变耦合模拟。则如式(8)。(,)TPCfTF(8)其中F是相转变分数。此时材料热物性参数不再是简单的线性插值，而是考虑了相变的热物性参数函数的插值计算。正是因为这样的耦合，使计算过程的热物性参数更加接近实际，从而提高了温度场有限元模拟的正确度。将相变时的相变组分引入相应的函数中，具体的热-相变模型如式(9)：iiTPcTC=yC(9)icy表示i时刻的相变分数，C是对应的材料物性参数3热-相变耦合模拟结果与分析3.1温度场分布通过设计的有限元软件以典型试件的焊接工艺作为研究对象，即首先在3mm的试验中，选择第2组试验参数进行模拟。模拟的结果如图4所示。图4焊接加热过程不同时间步温度场云图（t=10,20,30,40时间步长）从图中可以看出激光焊接温度场呈长椭球状，在热源加载处沿Z向形成了一道长直且细小的深熔焊缝，这与实验观察到的激光焊接形貌是相符的。从模拟结果中可以看出激光焊接的熔深深，热影响区小等特点。模拟激光焊接温度场的峰值温度为1600℃左右，远远高于铝合金的熔点660℃，实现了深熔焊。激光焊接的开始阶段，随着组合热源的移动，铝合金焊件升温很快，温度变化剧烈，但还未达到准稳定状态，熔池范围还较小。随着焊接时间的增加，其温度趋于稳定，随着激光热源的移动，焊接热源前方等温线密集，温度梯度变化较大，热源后方等温线稀疏，温度梯度变化较小。熔池范围慢慢扩大，焊接热影响区也慢慢扩大，沿焊缝向外扩展。选取结构件上选择同一直线连续的不同的几组节点，对温度场的变化进行曲线分析如图5所示，节点峰值温度超过1500℃，远高于熔点，热源附近温度较为集中，热源附近温度变化较大，符合激光焊接的特点图5连续三节点温度场变化曲线分析3.2宏观相变模拟结果分析相变组织分数分布是宏观现象，相变的组织是微观现象。两者的尺寸是不同的，根据相变动力学内容，通过宏观相变模拟可以定性的判断宏观相变分布，还可以为热-相变的耦合打下基础。焊接过程的相变主要分为两个阶段，包括升温过程和降温过程的相变场，通过激光焊接宏观相变模拟可以获得相变分数，为耦合模拟提供相变场的主要参数，本文主要对冷却过程中α相中析出β相的过程进行分析。5A06铝合金α相是主要的部分，常温下主要是α相，同时也含有少量的β相，在相变初始阶段β相组分并不是0，设定在5%，其他相成分含量更少，近似看做是两相转变。其相变场模拟结果如图6所示。在加热过程中会有少量β相转变为α相，数量很少可以忽略不计，其主要相变是在冷却过程，由α相转变析出β相。初步用Al-Mg系相图分析可知，焊接过程其相变的温度区间为280~450℃，从温度热循环曲线可知，升温过程加热速度非常快，而且瞬间可以加热到超过熔点的温度。由峰值温度冷却到开始相变温度时间也是非常短，靠近热源中心位置的部分能够完全达到相变区间，并且较边缘区域温度降低较缓慢，相变比较完全，能够有70%的区间弥散析出β相。相边界位置和相变前端位置，边界散热较中心位置散失的热量大，弥散析出的β相会比中心部分少。图6t=1.0s和t=3.0s相变场模拟在激光焊接的整个过程中，铝合金会发生α-β的相变。5A06铝合金在常温下母材大部分为α相，在焊接加热冷却过程中在α相基体中会弥散析出大量的β相，能够达到70%左右，模拟的结果和预期的效果较为一致。在t=1.0s时，焊接还没有结束，处于焊接过程中，在焊接热源位置处相变还不完全，存在相变的边界，热源位置之前，相变已经完成，会有β相在α相基体中弥散析出。在热源位置后，热源还未到达的位置，相变还没有发生。在t=3.0s时，焊接过程结束，可以看出在热源位置处，铝合金已经完成了β相相变。在焊接热源的起始位置，温度场不稳定，导致相变场宏观分数体现出不规则的图形，而热源的中间部分，受到的边界影响较小，所以其相变场较为准确、稳定。在模拟过程中可以发现，相变场的边缘部分存在一个过渡相变区间，从最大的相变成分减少到最小，这个过渡相变区域说明了激光焊接热输入对焊缝边缘的相变分布的影响，即激光焊接的热影响区。过渡相变区间放大如图7所示。激光焊接热影响区部分的焊接相变并为达到最大的弥散析出70%。图7过渡相变区间局部放大图3.3热-相变耦合分析在之前的宏观相变的模拟过程的基础上，进行热-相变耦合模拟，模拟增加相变的温度场。相变影响温度场，但并不会改变温