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6061铝合金平板对接焊接接头拉伸性能研究


第 34 卷 第 2 期 2008 年 4 月

兰              州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzho u University of Technology

Vol. 34 No . 2 Ap r. 2008

   随着全铝汽车车身的使用 , 焊接结构的强度及 损伤行为已经成为

一个重要的研究内容 . 因为焊接 接头力学性能存在不同程度的不均匀性 , 而焊接接 头性能的不均匀性对接头整体承载能力有复杂的影 响 [ 1 ] . 在应用有限元仿真进行结构变形及损伤行为 研究时 ,材料参数的准确测定对模拟结果有很大的 影响 . 焊接接头由于焊缝和热影响区尺寸的限制不 能通过常规的拉伸试验获得力学性能参数 [ 2 ] . 国内 外学者进行一系列的研究 , 提出焊缝区与母材屈服 强度的拟合关系 ,采用试验和有限元反推相结合的 方法对材料的力学性能进行测试 [ 3 ] ; A sif Husain 等
   收稿日期 : 2007211226    基金项目 : 国家重大基础研究前期研究专项 (2004CCA04900)    作者简介 : 车洪艳 (19772) ,女 ,辽宁北镇人 ,博士生 .

tatio n , t he mechanical parameter s and damage parameter of t he weld in it s t hermo2affected area were o b2 tained wit h ret ro2deductio n met hod. The deformatio n and damage behavior of but t weld of t he plate under area in order to o btain a weld wit h bet ter yield st rengt h and f ract ure st rengt h. ter of different areas were altered , t he influence of damage parameter in weakened area o n t he simulatio n t he actio n of tensio n load was simulated wit h ABAQ U S/ Explicit and co mpared wit h it s experimental re2 sult , showing t hat t hey were co nsistent well wit h each ot her. It was fo und t hat , when t he damage parame2 result was mo st remarkable , so t hat it wo uld be essential to co nt rol t he material p ropert y of t he weakened

(1. College of Materials Science and Engineering , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou   730050 , China ; 2. State Key Lab. of Gansu Advanced Non2ferrous Metal Materials , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou   730050 , China)

niver sal tensio n apparat us. By using t he do uble2hole micro2shearing experiment and finite element co mp u2

Abstract : TI G but t weld o n t he plate of aluminum alloy 6061 was tested for it s tensio n behavior o n an u2 Key words : micro2shearing ; damage ; finite element
人采用实验和有限元回归的方法对材料的力学性能 测试方法做了研究 , 史耀武等对焊接接头的力学性 能提出了微剪韧性的概念 , 为微接头的局部力学性 能的测定提供了很好的依据 [ 4 ] . 本文应用双孔微剪 切实验结合有限元模拟 , 应用反推法得到各区的性 能参数及损伤参数 . 并代入平板拉伸试验的有限元 模型 ,验证参数的准确性 ,在此基础上应用有限元模 拟研究了弱化区的性能对整个接头性能的影响 .

   文章编号 : 167325196 (2008) 0220027204 关键词 : 微剪切 ; 损伤 ; 有限元

6061 铝合金平板对接焊接接头拉伸性能研究
车洪艳1 ,2 , 朱   1 ,2 , 陈剑虹1 ,2 , 徐文福1 ,2 , 吕先锋1 ,2 亮

(1. 兰州理工大学 材料科学与工程学院 , 甘肃 兰州   730050 ; 2. 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料重点实验室 , 甘肃 兰州   730050)

摘要 : 采用 TIG 焊获得 6061 铝合金平板对接焊接接头 ,在万能拉伸机上进行拉伸试验 ; 应用双孔微剪切试验结合 有限元计算 ,用反推法得到焊缝和热影响区的力学性能参数及损伤参数 ; 应用 ABAQU S/ Explicit 模拟平板对接焊 接接头在拉伸载荷作用下的变形和损伤行为 , 并与实验结果进行对比 . 结果表明 , 仿真结果与实验结果吻合得很 好 . 改变不同区域的损伤参数 ,发现弱化区的损伤参数对仿真结果影响最为明显 ,因此要得到屈服强度及断裂强度 较好的焊缝主要是控制弱化区的材料性能 . 中图分类号 : T G146 ; TB115    文献标识码 : A

Investigation of tension behavior of butt weld on plate of aluminum alloy 6061
C H E Ho ng2yan1 ,2 , ZHU Liang1 ,2 , C H EN J ian2ho ng1 ,2 , XU Wen2f u1 ,2 , L U Xian2feng1 ,2

1  实验方法和设备

1. 1   拉伸试样制备及试验过程

采用西北铝加工厂生产的 6061 铝合金 ,供货状

态为 T6. 材料的质量分数如表 1 所示 . 其屈服强度 为 270 M Pa ,断裂应变 0. 184.

?2 8 ?                     兰 州 理 工 大 学 学 报                  34 卷 第 表1  6061 铝合金的成分质量分数
Tab. 1   Chemical compositions of aluminum alloy 6061  %
Si 0. 69 Mg 1. 02 Fe 0. 43 Zn < 0. 20 Cu 0. 26 Mn < 0. 15 Cr 0. 20 Ni < 0. 05

   在挤压管材上截取长 160 mm , 宽 60 mm 的板 材用作焊接材料 , 板厚为 5 mm , 开单边坡口 . 焊丝 采用 ER4043 ,焊接工艺如表 2 所示 .
表 2  TIG 焊接实验主要参数
Tab. 2   Main parameters of TIG
热输入 / (J ? mm - 1 )
855

电压
U/ V

电流
I/ A

焊接速度 氩气流量 v/ (cm ? min - 1 ) / (L ? min - 1 )
23 14

图3  微剪切实验原理图
Fig. 3  Principle chart of micro2shearing experiment

17. 5

205

   在焊接好的试板上截取拉伸试样 , 焊接接头拉 伸试样的尺寸及形状如图 1 所示 , 在万能拉伸机上 进行拉伸实验 ,拉伸速度为 1 mm/ min. 试验机自动 记录载荷位移曲线 .

图 4   4 N 下的硬度曲线 29.

Fig. 4  H ardness curre in 29. 4 N

图1  焊接接头拉伸试样
Fig. 1  Tension sample of welded joint

2  实验结果

1. 2   微剪切试样的制备及实验过程

在与拉伸试样同样的焊接板材上截取微剪切试 样 ,并根据硬度测试及金相观察确定平板拉伸试样 上焊缝和热影响区的尺寸 . 在焊缝和热影响区分别 进行微剪切实验 ,试样制备方法见文献 [ 5 ] . 图 2 为 金相观察照片 . 实验的原理图及在实验力为 29. 4 N 时所测得的硬度曲线如图 3 和图 4 所示 , 图 4 中 0 刻度为焊缝中心位置 .

铝合金在焊接过程中热影响区强度出现了弱 化 ,相比于母材和焊缝要低些 ,最终的断裂位置在热 影响区 ,图 5 为拉伸实验的结果 . 在焊缝和热影响区 分别进行双孔微剪切试验 , 因为其性能梯度变化不 大 ,因此分别取各区的平均值 ,得到的曲线见图 6.

图5  接头拉伸实验结果

Fig. 5  Result of tension test

    ( a) 焊缝         ( b) 熔合线 图2  室温下的焊缝金相组织   Fig. 2   Metallographic structure of weld at room
temperature

双孔微剪切实验装置采用电动机带动传力杆 在双孔的小桥之间施加向前的载荷 , 载荷传感器记 录所施加的电压 ,位移传感器靠近刀头的位置 ,以便 准确测量刀头的位移 . 将此装置与自动记录装置连 接 ,得到力和变形的曲线 .

图6  微剪切实验结果

Fig. 6  Result of micro2shearing test

?2 9 ? 第 2 期               车洪艳等 :6061 铝合金平板对接焊接接头拉伸性能研究               

3  有限元模拟
3. 1   模拟双孔微剪切试验

确定焊缝和热影响区的形状及尺寸 , 在焊缝和热影 响区细化网格 . 将得到的焊缝和热影响区性能参数 提供给 ABAQ U S/ Explicit 进行有限元模拟 , 不考 虑损伤的情况下得到的模拟结果及应力2应变的曲 线如图 9 所示 ,并与各区性能均为母材性能的模拟 结果进行对比 . 从图 9 可以看出 ,当考虑焊缝和热影 响区的影响时 ,接头屈服强度和抗拉强度均降低 .

应用 ABAQ U S/ Explicit 前处理工具建立有限 元模型 , 因为模型具有对称性 , 取其 1/ 2 进行建模 , 模型采用三维实体结构 , 根据试验实际设定边界条 件 ,为得到准确的模拟结果 , 在小桥连接处细化网 格 ,网格尺寸为 0. 05 mm × 05 mm ,详细的模型及 0. 计算过程见文献 [ 5 ] . 模拟结果如图 7 所示 . 应用有限元反推法得到焊缝及热影响区的应 力2应变曲线如图 8 所示 .

4  断口观察及损伤模拟
将拉伸试验得到的断口在扫描电镜下进行观 察 ,照片如图 10 所示 ,从图可以看出 ,断面上存在大 量的韧窝 ,说明试样在拉伸的过程中 ,由于热影响区 的强度比较低 ,在此处发生应力集中 ,原有孔洞在力 的作用下不断长大 ,新的孔洞继续形成 ,当孔洞相互 连接时 ,形成裂纹 ,试样的承载能力下降 .

图7  有限元模拟结果
Fig. 7  Result of simulation

图 10   断口观察
Fig. 10  Fracture surface observation

图8  母材 、 焊缝和热影响区数值对比
Fig. 8   Comparison of results from BM , WM and HAZ

3. 2   拉伸试验模拟结果

图 9 为拉伸试验模拟结果 . 该图是采用实体单 元建立有限元模型 ,根据硬度分析及金相观察结果

图9  拉伸试验与模拟结果
Fig. 9  Results of simulation and tension test

应用微观机理的 Gur so n 模型及宏观现象学的 J o hnso n2coo k 模型都能很好地预测拉伸试样的损伤 过程 ,因为本文应用的双孔微剪切方法是在三向应 力度较低的情况下进行的 , 由于 Gur so n 模型在三 向应力度较低的情况下不能很好地预测材料的损伤 行为 ,所以选用宏观现象学的 J o hnso n2coo k 模型进 行模拟 . J o hnso n2coo k 剪切失效模型[ 6 ] 是基于单元 积分点的等效塑性应变 ,损伤参数 ω定义如下 : Δ pl ε ω = ∑ pl ( 1) ε f ε 当损伤参数超过 1 的时候失效发生 , 其中 Δ pl 是等 pl ε 是失效点的应变 , 求和符号 效塑性应变的增益 , f 是将所有的增益相加 .ε 在本文的研究中为 f
pl ε = d1 + d2 exp d3 p f pl

q

( 2)

   焊缝和热影响区的损伤参数通过拟合双孔微剪 切试验得到 ,母材的损伤参数通过拟合平板拉伸试 验的损伤过程得到[ 7 ] . 对于 6061 对接平板拉伸试样 各个区的损伤 参数 为 : 母 材 : d1 = 0 . 299 14 , d2 =

?3 0 ?                     兰 州 理 工 大 学 学 报                  34 卷 第

1 . 496 54 , d3 = 3. 32 ; 焊缝 : d1 = 0 . 243 , d2 = 1 . 354 67 , d3 = 5 . 122 34 ; 热 影 响 区 : d1 = 0 . 25 , d2 = 1 . 332 41 , d3 = 5. 161 28. 由于损伤参数与网格尺寸

首先是将焊缝改为与母材相同 , 保持其它各区损伤 参数不变 ; 其次将母材的损伤参数改为与热影响区 相同 , 其它各区损伤参数保持不变 ; 最后将热影响 区的损伤参数改为与母材相同 , 发现断裂应变增 大 . . 说明影响材料损伤及断裂行为的是弱影响区的 参数 ,因此要想得到屈服强度及断裂强度较好的焊 缝主要是控制弱化区材料的性能 .

相关 ,因此模拟平板拉伸试验时 , 需要调整损伤参 数 ,应用调整后的损伤参数得到的模拟结果与实验 的对比如图 11 所示 .

6  结论
1) 双孔微剪切实验与有限元反推法相结合能

够准确得到接头材料的力学性能参数及损伤参数 ; 2) 从宏观断口观察 ,对接焊接接头由于热影响 区材料强度弱化 ,在拉伸过程中易在此处出现应力 集中 ,产生颈缩 ,最后断裂发生在热影响区 ; 3) 从微观断口观察可以看到 , 大量的圆形韧窝 存在于断口表面 ,说明在拉伸的过程中由于颈缩产 生了较高的三向应力度 , 使得孔洞具有长大的驱动 力 ,当孔洞长大到一定程度相互连接形成裂纹 ,使得 试样的承载能力下降 ,宏观表现为断裂 . 应用 Jo hn2 so n2coo k 模型能很好预测材料的损伤和断裂过程 ; 4) 接头的弱化区对焊缝整体性能的优劣起主 要作用 ,因此要得到屈服强度及断裂强度较好的焊 缝主要是控制弱化区的材料性能 .
( b) 仿真结果对比曲线

    Mises 应力分布       断裂后状态
(a) 变形图

参考文献 :

图 11   仿真结果对比
Fig. 11   Comparison of results from experiment and simu2 lation

[ 1 ]  HAU G E , CL INC KEMA ILL IE J , N I Xiao min. 汽车碰撞仿真

设计的最新进展和发展趋势 [J ] . 机械工程学报 ,1998 ,34 (1) :
93299.

5  各区损伤参数对模拟结果的影响

[ 2 ]  KIM Y J , SCHWALB E K H. Mismatch effect on plastic yield gineering Fract ure Mechanics ,2001 ,68 (2) :1832199.

   各区损伤参数模拟的对比结果如图 12 所示 .

[ 3 ]  HU SA IN A , SEH GAL D K , PANDE Y R K. An inverse finite element p rocedure for t he determination of constit utive tensile

[4]   史耀武 ,周宁宁 ,张新平 . 微剪切试验及对焊接接头力学性能的 [5]   车洪艳 ,朱   ,陈剑虹 . 局部材料损伤行为的双孔微剪切实验 亮 [6]   李兆霞 . 损伤力学及其应用 [ M ] . 北京 : 科学出版社 ,2002. [J ] . 兰州理工大学学报 ,2007 ,33 (4) :31234.

[7]   车洪艳 ,朱   ,陈剑虹 . 有限元反推法评定 AA6014 铝合金的 亮

图 12   不同损伤参数模拟结果

Fig. 12   Simulation result for different damage parameters

loads in idealised weldment s Ⅱ: heat affect zone cracks [J ] . En2 tional Materials Science ,2004 ,31 (122) :84292.

评价 [J ] . 焊接学报 ,1994 ,15 (4) :2352240.

损伤参数 [J ] . 机械工程材料 ,2007 ,31 (7) :57259.

behavior of materials using miniat ure specimen [J ] . Co mp uta2


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