分享：6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真

王前进1,2,徐从昌1,2,李 佳2,许 红2,何 洪1,2,李落星1,2

 (1.湖南大学机械与运载工程学院,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082; 2.重庆长安汽车股份有限公司,重庆 420023) 

摘 要:建立了6061-T6铝合金 MIG 焊接接头微区拉伸性能测试的高精度等效试验方法;采用 有限元模拟了焊接过程的温度变化情况,建立了温度与接头各微区拉伸性能的关系;获得了可表征 接头各微区材料性能的参数,验证了将接头等效为不同热状态材料所建立的精细模型对接头性能预 测的可靠性。结果表明:微区温度场、焊缝熔池形貌和拉伸性能的仿真模拟与试验结果的吻合性较 好;采用等效焊接接头的拉伸仿真模拟与试验的峰值力的误差仅为0.1%,断裂失效时的位移误差仅 为5.7%,根据温度分布将热影响区网格划分为不同热状态材料可以有效预测焊接接头的拉伸性能。 

关键词:热影响微区;温度分布;拉伸性能;有限元仿真 中图分类号:TG406 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0076-07

0 引 言 

铝合金是理想的轻量化材料,在汽车车身结构 中应用广泛,以6000系为代表的铝合金型材具有强 度较高、耐腐蚀性能好、焊接性好等优点,常用作车 体结构件。焊接作为车体结构件的一种重要连接方 76 王前进,等:6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真 式,接头的性能会影响车体的工作寿命。与钢材相 比,铝合金由于导热系数、热膨胀系数、热熔系数高, 在相同的焊接速度下获得的焊接热输入比钢材的高 2~4倍[1],导致其焊接难度更大。在实际焊接中, 铝合金的焊接方式主要是熔化焊,熔化焊过程中热 量的持续输入会使铝合金焊接接头发生软化,导致 接头的强度低于母材的。作为车身的关键零部件, 铝合金焊接结构件起到承载作用,接头强度不足会 导致结构件在服役过程中容易发生断裂失效。在车 辆碰撞的有限元仿真中,为保证车身强度的仿真精 度需输入焊接接头各区域材料的力学性能[2]。因此 准确地表征铝合金焊接接头各微区的力学性能及其 变化规律,对提高车身强度的仿真精度、获得可靠的 安全性评估具有重要意义。 在现有的仿真分析理论和计算方法中,常将车 体结构件中的接头视为刚性接头,由于接头对系统 力学计算响应的影响较大,如此处理会使仿真计算 得到的刚度高出试验得到的50%~70%,很大程度 上降低了整车性能评估的精确性[3]。在已有的研究 中,采用有限元模型对焊接结构进行建模的方法有 较多的报道[4],但都局限于对焊接单元的处理上,而 仿真计算过程中对接头采用刚性处理或单元处理, 忽略了焊接接头各微区力学性能不均匀这一特性, 即没有考虑接头各微区的性能差异,无法保证仿真 精度。因此,为保证仿真精度,需要对焊接接头的局 部性能进行精准表征。 目前,焊接 接 头 局 部 力 学 性 能 的 表 征 有 多 种 方法,如通过微剪切、微拉伸、微冲压试验,人工神 经网络预 测,Gleeble热 循 环 加 载 模 拟 等 方 法[5-9]。 焊接接头由 于 各 区 域 的 范 围 较 小,微 剪 切 和 微 拉 伸试验试 样 的 制 备 时 间 长、成 本 高。微 冲 压 试 验 则需要先获得力-位移曲线,然后进行有限元反向 迭代,由于压 头 与 被 测 材 料 之 间 存 在 摩 擦 且 难 以 估计,测量 精 度 会 受 到 影 响。采 用 人 工 神 经 网 络 预测焊接接 头 局 部 力 学 性 能 的 方 法 工 作 量 较 大。 而 Gleeble热循 环 模 拟 是 通 过 模 拟 焊 接 过 程 中 的 热循环,探究合金的性能变化,该方法所需成本较 高,且难以反 映 实 际 焊 接 时 热 影 响 区 局 部 力 学 性 能的真实情况。 为了方便、准 确 地 表 征 焊 接 接 头 各 微 区 的 力 学性能,作者设计了一种等效焊接接头结构,通过 分层制备拉 伸 试 样 进 行 拉 伸 性 能 测 试,获 得 了 各 微区的拉 伸 性 能 数 据。采 用 温 度 场 仿 真 模 拟,建 立了微区温度与拉伸性能之间的关系。对接头焊 接温度场和 拉 伸 性 能 进 行 有 限 元 模 拟,并 采 用 拉 伸试验验证,评 估 了 将 焊 接 接 头 等 效 为 不 同 热 状 态材料所建立的精细模型对焊接接头性能预测的 可靠性。 

1 微区拉伸性能参数的确定

 1.1 试样制备与试验方法 

试验材料为富丽华公司生产的6061-T6铝板, 尺寸为300mm×56mm×10mm,化学成分见表1, 抗拉强度为342MPa,屈服强度为323MPa,断后伸 长率 为 9%;焊 丝 采 用 ER5356 铝 合 金,直 径 为 1.2mm,化学成分见表1。采用 DP400型 OTC 双 脉冲 MIG 焊 机 对 铝 合 金 板 进 行 焊 接,焊 接 电 流 150A,焊 接 速 度 60cm·min -1,焊 丝 干 伸 长 15mm,保护气体为99.999%(纯度)的氩气,气体 流量为20L·min -1。焊前用丙酮清洗铝板,再用 钢 丝刷清理待焊表面直至露出金属光泽,对接面为 铝板侧面(T 型接头),焊接方向为铝板长度方向,为 防止铝板在焊接过程中发生抖动,两端用工装压紧, 如图1所示。 表1 6061-T6铝合金和 ER5356焊丝的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionof6061-T6aluminiumalloyandER5356weldwire massfraction % 材料 Fe Mn Mg Si Zn Ti Cu Cr Al 6061-T6 0.13 0.0083 0.87 0.53 0.0046 0.022 0.35 0.086 余 ER5356 0.30 0.05~0.2 4.5~5.5 0.20 0.10 0.06~0.20 0.10 0.15 余 为获得焊接过程中铝板不同位置的温度分布, 焊接前在试板一侧距起弧位置140mm 处布置一列 测温点,采用 K 型热电偶对焊接过程的温度进行实 时测量,各测温点距上特征面边缘的距离分别为5, 10,15mm,分别记为 A1、A2、A3,只焊一侧如 图1 所示。 采用线切割在焊后试板上距离焊缝熔合线不同 位置分层截取拉伸试样,如图2(a)所示,将在距离 焊缝熔合线最近位置的拉伸试样标记为1,依次类 推,分别标记为1~17,拉伸试样尺寸根据 ASTM E8M-09确定,见图2(b)。拉伸试验在Instron3369 型万能试验机上进行,拉伸速度为2mm·min -1。 77 王前进,等:6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真 图1 焊接夹持装置及温度测量位置 Fig.1 Clampapparatusandtemperaturetestposition 图2 拉伸试验的取样位置和试样尺寸 Fig 2 Samplingpositionandsizeofsampleintensiletest a samplingpositionand b sizeofsample 

1.2 温度场模拟及验证

 采用有限元软件对试板不同位置的温度进行仿 真模拟,并与试验结果进行对标,建立各微区温度与 拉伸性能之间的关系。 采用Simufact软件的焊接分析平台,根据试板 及工装的实际尺寸,建立三维有限元模型并进行网 格划分,网格采用三维8节点单元,为兼顾计算效率 和仿真精 度,母 材 和 焊 缝 网 格 的 最 小 尺 寸 划 分 为 1mm×1mm×2mm,节点总数为125612,单元总 数为105735,网格模型如图3所示;焊接材料参数 选用 Al-Mg-Si合金的,工装材料为45钢,其热学性 能参数选用Simufact软件材料库中自带的参数。 焊丝的填充过程采用生死单元和双椭球移动热 源模型进行模拟[10-11],根据文献[12],将待焊铝板、 工装、空气之间的热传递简化为对流传热和辐射传 热,表达式如下[13-14]: qconv =hconv(T -T0)+εσ(T 4 -T 4 0) (1) 式中:T 为焊件表面的瞬时温度;hconv 为对流传热 图3 有限元网格模型 Fig.3 Finiteelementmeshmodel 系数,400 W·K -1·m -2;T0 为室温,293K;ε 为辐 射系数,0.08;σ 为 斯 提 芬 玻 尔 兹 曼 常 数,5.68× 10 -8J·K -4·m -2·s -1。 由图4可以看出,焊缝(箭头所示)熔覆高度的 实测结果和模拟结果分别为4.7,4.8mm,相对误差 为2.1%,说明模拟结果较准确。试验熔覆高度偏 小,这与熔池截面的选取有关。由图5可以看出:试 验初期(小于10s),温度曲线发生一定的波动,这是 由于焊接过程起弧阶段的电压尚未稳定;距离试板 上表面5mm(位置 A1)时,从室温到峰值温度,试验 和仿真模拟经历的时间分别为12.5,12.3s,从峰值 温 度冷却至200 ℃,试验和仿真模拟经历的时间分 别 为 26.5,25.5s,表 明 焊 接 过 程 中 距 离 焊 缝 表 面 图4 试验与模拟获得的焊缝熔池形貌 Fig.4 Morphologyofweldpoolobtainedbyexperiment andsimulation 图5 试验和模拟各位置的温度分布曲线 Fig.5 Curveoftemperaturedistributionofeachpositionsof experimentandsimulation 78 王前进,等:6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真 5mm 处的材料都经历了快速加热和冷却过程。远 离焊缝处(位置 A1、A2)的温度梯度远小于近焊缝 处(位置 A3)的,说明靠近热源区域的热量比较集 中。模拟的温度分布曲线与试验结果吻合性较好 (误差小于4.6%),表明模拟结果可靠。 由图6可以看出:模拟得到的焊接接头截面的 等温线分布呈水平状,靠近焊缝表面的最高温度达 633 ℃,为焊缝熔合线中间的温度;沿远离焊缝熔合 线的方向,温度逐渐降低;在截面上距焊缝表面相同 位置的温度差极小。可以判断,在垂直于试板表面 截取试样,可获得各微区的等效试样。 图6 焊接接头截面的温度分布云图 Fig.6 Temperaturedistributioncontourofweldedjointsection 

1.3 温度与拉伸性能的关系

 由图7可以看出:随着与熔合线距离的增大,试样 图7 不同位置试样的工程应力-应变曲线 Fig.7 Engineeringstress-straincurveofsampleatdifferentpositions 的抗拉强度先减小后增大;试样2和3的断后伸长 率分别为23.35%,23.49%,明显高于其他各微区试 样的,可见试样2和3所在位置具有较好的塑性变 形能力;试样5的抗拉强度最低,为201MPa,强度 系数约 58.6%;试 样 16 和 17 的 抗 拉 强 度 分 别 为 340,343 MPa,断后伸长率分别为 9.29%,9.06%, 与母材的相当,可以推断从试样16所在的位置开 始,材料的拉伸性能不再受焊接热的影响。因此, 热影 响 区 包 含 试 样 1~15 所 在 的 位 置,宽 度 约 17mm。 考虑线切割的加工误差(钼丝直径0.2mm)及 拉伸试样的厚度,结合温度模拟和拉伸试验结果,建 立了不同位置试样的拉伸性能与所处的温度范围之 间的关系,如表2所示。 表2 不同位置试样的拉伸性能与所处温度范围之间的关系 Table2 Relationshipbetweentensilepropertiesandtemperaturerangeofsamplesatdifferentlocations 试样编号 与焊缝熔合线的距离 /mm 温度范围 /℃ 抗拉强度 /MPa 屈服强度 /MPa 断后伸长率% 1 0~0.95 565~633 238 144 14.52 2 1.15~2.10 513~555 283 169 23.35 3 2.30~3.25 472~505 255 147 23.49 4 3.45~4.40 437~465 208 127 13.96 5 4.60~5.55 407~432 201 147 10.26 6 5.75~6.70 381~402 224 180 8.11 7 6.90~7.85 358~377 249 210 7.58 8 8.05~9.00 338~354 268 231 8.03 9 9.20~10.15 319~334 275 240 9.70 10 10.35~11.30 303~316 285 252 9.57 11 11.50~12.45 288~300 301 272 8.87 12 12.65~13.60 275~286 324 299 9.86 13 13.80~14.75 263~273 324 297 8.97 14 14.95~15.90 252~261 327 306 8.18 15 16.10~17.05 243~251 332 308 9.60 16 17.25~18.20 234~242 340 318 9.29 17 18.40~19.35 227~233 343 322 9.06 79 王前进,等:6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真 图11 接头不同位置温度分布曲线和截面熔池形貌以及温度场分布云图 Fig 11 Temperaturedistributioncurve sectionmoltenpoolmorphologyandtemperaturefielddistributioncontouratdifferentpositionofjoint a temperaturedistributioncurveofjointand b moltenpoolmorphologyandtemperaturefielddistributioncontourofsection 

2 接头拉伸性能的模拟及验证

 2.1 试样制备与试验方法 

对富丽 华 公 司 挤 压 生 产 的 同 一 批 次 6061-T6 铝板 进 行 对 接 焊,尺 寸 为 300 mm×150 mm× 3mm,焊接设备采用 DP400 型 OTC 双脉冲 MIG 焊机,焊接速度为60cm·min -1,焊接电流85A,保 护气 体 为 99.999% (纯 度)的 氩 气,气 体 流 量 为 20L·min -1。焊接过程中,采用 K 型热电偶对距焊 缝中心5,10,15mm 处的 B1、B2、B3 点进行温度测 试,如图8所示。接头拉伸试验在Instron3369型 万能试验机上进行,拉伸速度为2mm·min -1,试样 尺寸根据 GB/T2651-2008制定,如图9所示。 图8 温度测试位置 Fig.8 Temperaturetestedposition 2.2 焊接温度场的模拟及验证 采用Simufact软件的焊接分析平台,根据铝板 及工装的实际尺寸,建立三维有限元模型并进行网 格划分。网格采用三维8节点单元,为兼顾计算效 率和仿真精度,母材和焊缝网格的最小尺寸划分为 1mm×1mm×2mm,节点总数为185126,单元总 图9 拉伸试样尺寸 Fig.9 Sizeoftensilesample 数为137700,网格模型如图10所示,相关材料参数 及边界条件与章节1.2一致。 图10 有限元网格模型 Fig.10 Finiteelementmeshmodel 由图11可以看出,模拟与试验测得的接头温度 分布曲线的吻合度较高(误差小于2.63%),熔池形 貌的一致性也较好,表明模拟能较准确地反映焊接 接头真实的温度分布情况,可根据温度场的模拟结 果对后续拉伸仿真模拟的网格模型进行分区。

 2.3 接头拉伸性能的模拟及验证 

根据准静态拉伸试样的实际尺寸建立拉伸过程 的有限元仿真模型,模型采用8节点网格单元,整个 模型节点总数为19374,网格总数为14668;选择 MAT24号材料卡片,考虑到仿真精度和计算效率, 将靠近焊缝位置(距离焊缝中心3.8~19mm)的网 格尺寸划分为0.5mm×0.5mm×1mm,远离焊缝 位置的网格尺寸划分为1mm×1mm×1mm。结 80 王前进,等:6061-T6铝合金 MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真 合表2和图11(b),将接头位于555~633 ℃的网格 划为 Z1 区,并赋予试样 1 的 拉 伸 性 能,温 度 位 于 505~555 ℃的网格划为 Z2区,并赋予试样2的拉 伸性能,以此类推,最后将低于试样16温度范围的 区域划分为母材区,分区后的仿真模型如图12所 示。网格模型分区完成后,将测得的各区域的拉伸 性能赋予到有限元模型中,然后约束固定端的全部 自由度,在加载端施加速度为 2mm·min -1 的载 荷,网格单元采用全积分单元的方式进行仿真模拟。 图12 对接接头的网格模型 Fig.12 Meshmodelofbuttjoint 采用 Hollomon幂指数硬化模型表征材料在塑 性阶段的加工硬化状态,表达式为 σT =K(εT )n (2) 式中:εT 为真应变;K 为强化系数;n 为硬化指数; σT 为真应力。 硬化曲线主要表征材料在大变形下的应力与应 变的关系,根据试验结果可知,应变较大的位置主要 在热影响区,因此仿真时主要对试样2~6(对应 Z2 ~Z6区域的网格)的真应力-应变曲线进行拟合,各 区域的材料性能参数见表3。仿真中断裂失效采用 GISSMO 模型模拟,在 LS-DYNA 仿真中用 MAT_ ADD_EROSION 设置 GISSMO 的失效准则卡片, 添加 GISSMO 失效相关参数。 表3 拟合得到的各区域的材料性能参数 Table3 Thepropertiesparametersofeachregionmaterial byfitting 试样编号 n K/MPa 2 0.21 481 3 0.22 444 4 0.19 365 5 0.15 331 6 0.11 332 由图13可以看出:弹性变形阶段,接头试样在 拉伸过程中的力随位移呈线性变化;随着位移量继 续增加,试样发生塑性变形,力与位移的变化逐渐呈 非线性变化,位移量为3.5mm 时,试样发生断裂失 效;仿真模拟与试验的峰值力分别为7182,7172N, 误差为0.1%,断裂失效时的位移分别为3.3,3.5mm, 误差为5.7%。这表明仿真模拟与试验结果的一致 性较好,将焊接接头等效为不同热状态材料进行有 限元仿真预测的方法可行,预测精度可满足工程需 要,这对其他形式接头的强度仿真预测具有一定的 参考价值。 图13 6061-T6铝合金 MIG焊接头拉伸测试时的力-位移曲线 Fig.13 Force-displacementcurveofMIGweldedjointof 6061-T6aluminumalloyundertensiletest 

3 结 论 

(1)6061-T6铝合金 MIG 焊接头微区温度场 及焊缝熔池形貌的仿真模拟与试验结果的吻合性较 好,仿真模拟的结果可靠。 (2)将焊接接头等效为不同热状态材料建立的 精细模型对接头拉伸性能的预测具有可靠性;接头 拉伸仿真模拟与试验的峰值力的误差仅为0.1%, 断裂失效时的位移误差仅为5.7%,根据温度分布 将热影响区网格划分为不同热状态可以有效预测焊 接接头的性能。 

来源：材料与测试网