CN107577900A - 一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，它解决了现有技术中无法判断非完全对称型材焊合质量的问题，可实现焊合质量的预测，其方案如下：1)采用造型软件，创建挤压型材所对应的分流模具的三维几何模型；2)利用有限元分析软件，建立分流挤压过程稳态分析模型，获得分流挤压模具型腔内所有质点的速度场和坐标值；3)计算并确定各个材料质点的运动轨迹，从而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置；4)确定材料发生固态焊合的实际路径；5)提取出实际焊合路径上材料质点在整个焊合过程中所对应的宏观物理量；6)根据步骤5)获得的宏观物理量，从而预测出挤出型材纵向焊缝的焊合质量。

Description

一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测 方法

技术领域

本发明涉及固态焊接焊缝的焊合质量预测方法，特别是涉及一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法。

背景技术

铝锂合金、铝合金和镁合金等轻质合金挤压型材作为典型的轻金属材料构件，被广泛应用于船舶、轨道交通、建筑、及航空航天等领域。随着我国制造业的飞速发展，复杂化、薄壁化以及宽体化成为铝锂合金、铝合金、镁合金等挤压型材的主要发展趋势，而分流模热挤压工艺是制造这类型材的关键工艺。在分流模挤压过程中，被挤压模具分流桥分开的金属在焊合室内以固态焊接的方式结合在一起并通过模具工作带成形为挤压型材。由于通过分流模挤压工艺所生产的型材必然存在纵向焊缝，因此，纵向焊缝的焊合质量成为决定型材服役性能和生产复杂截面型材的关键因素，焊缝焊合质量的预测也就成为实际生产中普遍关注的问题。

在铝锂合金、铝合金和镁合金挤压型材制造过程中，模具结构和挤压工艺参数对挤压型材焊缝焊合质量具有重要影响。由于分流挤压焊合过程是在挤压模具型腔内进行的，通过实验手段直接监测挤压焊合过程并对焊缝焊合质量做出评估极为困难。因此，目前挤压模具结构设计者和挤压工艺制定者只能在挤压焊合过程完成后，对挤出型材的焊缝质量进行检测，并根据检测结果对挤压模具结构和挤压工艺参数进行调整和优化。这种传统的焊缝质量检测方法已严重限制了挤压模具结构设计者和挤压工艺制定者的工作效率，也影响挤压工艺和模具结构设计的准确性。因此，型材挤压行业迫切需求一种行之有效的挤压型材焊缝焊合质量预测方法。

目前，人们尝试通过数值模拟获得分流挤压模具型腔内焊合平面的温度、压力以及等效应变等物理场量，然后基于现有的Q准则、K准则以及J准则等对焊合质量进行定量评估。但现有的焊缝焊合质量预测方法均针对截面完全对称的挤压型材，即型材截面关于X和Y轴均对称，而对于非完全对称的挤压型材，因其结构的特殊性，目前尚未见与之相关的焊缝质量预测方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，该方法不受型材截面形状和挤压模具对称性的限制，可用于预测分流挤压所获得的各种截面形状的型材的纵向焊缝的焊合质量。

一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法的具体方案如下：

一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，具体步骤如下：

1)采用造型软件，创建挤压型材所对应的分流模具的三维几何模型；

2)利用有限元分析软件，建立分流挤压过程稳态分析模型，并通过数值计算，获得分流挤压模具型腔内所有质点的速度场和坐标值；

3)根据步骤2)中的质点的速度场和坐标值，计算并确定各个材料质点的运动轨迹，从而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置；

4)根据材料质点的运动轨迹、坐标值和平均应力值，确定分流挤压过程中材料发生固态焊合的初始位置和终止位置，从而确定材料发生固态焊合的实际路径；

5)提取出实际焊合路径上材料质点在整个焊合过程中所对应的宏观物理量；

6)根据步骤5)获得的宏观物理量，从而预测出挤出型材纵向焊缝的焊合质量。

所述步骤2)在有限元分析软件中采用欧拉网格描述方法，通过划分网格、设置边界条件和挤压工艺条件，建立分流挤压过程稳态分析模型。

所述步骤2)具体实现步骤为：对分流挤压过程中材料所流经的三维区域进行网格划分，并设置边界条件以及挤压工艺条件，利用Qform软件的求解模块，得到分流挤压达到稳定时，挤压模具型腔内所有位置处的材料质点的速度场、温度场、应力场、应变场以及应变速率场。

所述步骤3)具体实现步骤为：根据挤压模具型腔内所有位置处材料质点在t₀时刻的速度场和坐标值，利用Qform软件后处理模块，计算获得材料质点在t₀+Δt时刻的速度场和坐标值，后根据材料质点在t₀+Δt时刻所在位置处的速度场，进一步计算获得材料质点在t₀+2Δt时刻的具体位置，以此类推，最终获得挤压模具各个分流孔内材料质点的运动轨迹，进而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置。

为了方便操作，所述步骤4)中初始位置为位于焊合界面两侧的材料质点之间的距离为0时所对应的位置。

所述步骤4)中终止位置为当材料质点进入挤压模具工作带所在区域并且平均应力值为0时所对应的位置。

为了保证测量的准确性，所述步骤5)中宏观物理量包括温度、等效应力、平均应力、速度、应变速率以及时间。

所述步骤6)中根据公式(1)来获得焊合质量：

式中，σ_m表示静水压力，即三个主应力的平均值(MPa)，表示等效应力(MPa)，表示等效应变速率，Q_D表示扩散激活能(Jmol^-1)，R表示热力学常数(8.31Jmol^-1K^-1)，T表示绝对温度(K)，t表示时间(s)。

所述步骤1)中造型软件采用UG软件，将其导出为STEP文件，有限元分析软件为QForm，步骤2)中需要将挤压模具三维几何模型的STEP文件导入有限元分析软件QForm中。

其中，所述边界条件包括传热和摩擦系数，所述挤压工艺条件包括挤压速度和温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的预测方法，不受型材截面形状和挤压模具对称性的限制，可用于各种分流挤压模具所挤压的各种截面形状型材的纵向焊缝的焊合质量预测，具有普遍适用性。

(2)本发明方法可准确预测分流挤压型材纵向焊缝的几何形貌和分布位置，指导分流挤压产品的设计。

(3)本发明方法可准确预测分流挤压型材纵向焊缝的焊合质量，为挤压模具结构和工艺参数的设计与优化提供理论依据。

(4)本发明提出的方法解决了现有算法中不能评估非对称型材焊缝质量的问题，该方法即适用于非对称型材也适用于对称型材。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的一典型非完全对称空心型材的断面形状及尺寸图；

图2是本发明的分流挤压模具的三维几何模型；

图3是本发明的挤压模具型腔的三维网格；

图4是本发明的所确定的实际焊合路径及初始焊合位置和终止焊合位置的示意图；

图5是本发明的实验所获得的空心型材横截面上纵向焊缝的形貌和分布位置；

图6是本发明的计算所获得的空心型材横截面上纵向焊缝的形貌、分布位置以及焊合质量；

图7是本发明的空心型材横截面上纵向焊缝焊合质量的计算预测结果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，以图1所示的型材为例，该空心型材的最大宽度为82.0mm，最大高度为48.5mm，不同部位的壁厚为3.0mm、3.5mm和5.1mm不等,型材截面沿Y轴对称，但沿X轴不对称，型材选用AA6082铝合金材料，该空心型材通过图2和图3所示的挤压模具获得，挤压模具包括挤压筒，挤压筒内设置挤压棒，挤压筒下部设置带分流桥的分流模，分流模内设有分流孔，在分流模具下端设置模芯，在分流模的下部设置带工作带的焊合室，对该型材焊缝焊合质量的预测方法，具体步骤如下：

(1)根据型材尺寸和截面特征，设计挤压模具并利用UG软件创建挤压模具三维几何模型。挤压模具包括分流桥、分流孔、模芯、焊合室以及工作带，如图2所示。

(2)将挤压模具三维几何模型的STEP文件导入到有限元软件QForm中，对分流挤压过程中材料所流经的三维区域进行网格划分，得到如图3所示的三维网格模型。设置模具与变形材料的传热为3000W/(m²·K)，摩擦采用Levanov摩擦定律，摩擦因子设为1.0，Levanov系数设为1.25。根据实际挤压实验条件，设置挤压速度设为1.8mm/s，棒料温度为480℃，模具温度为450℃，挤压模具中挤压筒和挤压垫温度为430℃。有限元模型建立完成后，提交运算，通过后处理软件获得稳定挤压阶段挤压模具型腔内所有质点的速度场。

(3)设定模具型腔内所有质点的初始时间t₀＝0s，根据材料质点在t₀时刻的速度场和坐标值，计算获得材料质点在t₀+Δt时刻的具体位置，Δt设置为0.05s，然后根据材料质点在t₀+Δt时刻所在位置处的速度场，进一步计算获得材料质点在t₀+2Δt时刻的具体位置，以此类推，最终获得挤压模具各个分流孔内材料质点的运动轨迹，如图4所示，进而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置，如图5所示。图6表示是采用本发明的计算方法所获得的空心型材横截面上纵向焊缝的几何形貌和分布位置。对比图5和图6可知，该方法能准确预测纵向焊缝的几何形貌和分布位置。

(4)根据挤压模具各个分流孔内材料质点的运动轨迹和坐标值，计算位于焊合界面两侧的材料质点之间的距离，将距离为0时所对应的位置确定为固态焊合初始位置。根据挤压模具各个分流孔内材料质点的运动轨迹和平均应力值，将材料质点进入挤压模具工作带所在区域后平均应力值为0时所对应的位置确定为固态焊合的终止位置，进而确定实际焊合路径为从初始位置到终止位置的路径，如图4所示。

(5)图6中的实验结果表明，焊缝1号和焊缝2号的焊合质量良好，而焊缝3号和焊缝4号中仅有部分区域焊合质量良好，焊合良好区长度为8.0mm，而其余区域存在焊合缺陷，焊合缺陷区长度为12.0mm.从图5所示焊缝2号和4号上取点W1-W9，其中W1-W3存在焊合缺陷，W4为焊合质量转变点，W5-W9焊合质量良好，根据W1-W9点其所对应的实际焊合路径上的平均应力值、等效应力值、等效应变速率值、温度值以及焊合时间，计算焊合质量J值，得到图7所示结果。对比图5-7可知，通过本发明方法可准确预测分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝的焊合质量。

同样，该预测方法也可以用于关于Y轴不对称的空心型材，以及关于X轴与Y轴均不对称的焊缝焊合质量的预测，自然也可用于对称的空心型材的相关预测研究。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)采用造型软件，创建挤压型材所对应的分流模具的三维几何模型；

2)利用有限元分析软件，建立分流挤压过程稳态分析模型，并通过数值计算，获得分流挤压模具型腔内所有质点的速度场和坐标值；

3)根据步骤2)中的质点的速度场和坐标值，计算并确定各个材料质点的运动轨迹，从而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置；

4)根据材料质点的运动轨迹、坐标值和平均应力值，确定分流挤压过程中材料发生固态焊合的初始位置和终止位置，从而确定材料发生固态焊合的实际路径；

5)提取出实际焊合路径上材料质点在整个焊合过程中所对应的宏观物理量；

6)根据步骤5)获得的宏观物理量，从而预测出挤出型材纵向焊缝的焊合质量。

2.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤2)在有限元分析软件中采用欧拉网格描述方法，通过划分网格、设置边界条件和挤压工艺条件，建立分流挤压过程稳态分析模型。

3.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤2)具体实现步骤为：对分流挤压过程中材料所流经的三维区域进行网格划分，并设置边界条件以及挤压工艺条件，通过数值求解，得到分流挤压达到稳定时，挤压模具型腔内所有位置处的材料质点的速度场、温度场、应力场、应变场以及应变速率场。

4.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤3)具体实现步骤为：根据挤压模具型腔内所有位置处材料质点在t₀时刻的速度场和坐标值，计算获得材料质点在t₀+Δt时刻的速度场和坐标值，后根据材料质点在t₀+Δt时刻所在位置处的速度场，进一步计算获得材料质点在t₀+2Δt时刻的具体位置，以此类推，最终获得挤压模具各个分流孔内材料质点的运动轨迹，进而确定挤出型材纵向焊缝的几何形貌和具体位置。

5.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤4)中初始位置为位于焊合界面两侧的材料质点之间的距离为0时所对应的位置。

6.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤4)中终止位置为当材料质点进入挤压模具工作带所在区域并且平均应力值为0时所对应的位置。

7.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤5)中宏观物理量包括温度、等效应力、平均应力、速度、应变速率以及时间。

8.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤6)中根据公式(1)来获得焊合质量：

<mrow> <mi>J</mi> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>t</mi> </msubsup> <mfrac> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mover> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mfrac> <mover> <mover> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>D</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，σ_m表示静水压力，即三个主应力的平均值，表示等效应力(MPa)，表示等效应变速率，Q_D表示扩散激活能，R表示热力学常数，T表示绝对温度，t表示时间。

9.根据权利要求1所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述步骤1)中造型软件采用UG软件，将其导出为STEP文件。

10.根据权利要求3所述的一种分流模挤压非完全对称型材的纵向焊缝焊合质量的预测方法，其特征在于，所述边界条件包括传热和摩擦系数，所述挤压工艺条件包括挤压速度和温度。