盛 輝, 付 宇,洪 杰,楊 萌,徐濟進

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 青島 266111)(2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200240)

經(jīng)過10多年的發(fā)展,高鐵已成為中國先進裝備制造一張亮麗的名片．6082-T6作為高鐵常用鋁合金,為典型的時效強化鋁合金,其熱處理工藝為固溶處理加人工時效．高速列車關(guān)鍵零部件,如車體、枕梁、轉(zhuǎn)向架等,主要采用焊接技術(shù)進行連接[1-2]．由于焊接熱循環(huán)的作用導(dǎo)致焊接接頭微觀組織、力學(xué)性能的不均勻,不可避免地產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力,降低材料的綜合力學(xué)性能,嚴重影響高速列車安全可靠地運行．近些年來,焊接數(shù)值模擬被廣泛采用,指導(dǎo)科研和生產(chǎn)．但是,要獲得可靠的焊接數(shù)值模擬結(jié)果,仍然面臨許多挑戰(zhàn)．為了準確模擬焊接過程,必須建立可靠的焊接熱源模型，獲得材料的高溫?zé)嵛锢砑傲W(xué)性能參數(shù)、組織相變模型、力學(xué)熔點以及材料的軟化模型和硬化模型[3-4],其中材料的軟化模型是影響焊接模擬結(jié)果可靠性的關(guān)鍵因素之一．對于鋁合金軟化模型的研究[5-6]，基于熱動力學(xué)理論、經(jīng)典動力學(xué)理論和位錯機制,能夠預(yù)測出焊接熱循環(huán)后熱影響區(qū)屈服強度的變化．文獻[7-9]中以該模型為理論基礎(chǔ),結(jié)合有限元分析軟件模擬出了焊后垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布,與試驗結(jié)果相吻合．綜上所述,運用鋁合金焊后熱影響區(qū)軟化模型來進行焊后殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬已有不少研究成果[10-11],對焊后熱影響區(qū)硬度的分布模擬也頗為準確[12],但是直接利用該模型來進行焊接熱循環(huán)下熱影響區(qū)的動態(tài)屈服強度的數(shù)值模擬相對較少,對動態(tài)屈服強度的模擬結(jié)果的試驗驗證更是未見報道,因此建立鋁合金焊接熱循環(huán)過程中動態(tài)屈服強度的數(shù)值模型顯得尤為重要．文中建立了完整的鋁合金軟化模型,通過熱模擬試驗得到的屈服強度值來驗證該模型的有效性．

1 試驗材料與計算模型

6082-T6為Al-Mg-Si系時效強化鋁合金,合金成分如表1．

表1 6082-T6鋁合金的主要元素成分及含量Table 1 Chemical compositions of the 6082-T6 aluminum alloy

由于該系列合金主要由時效過程中沉淀析出相而導(dǎo)致強化,因此為了簡化模型,將合金較完全固溶態(tài)下的屈服強度增量全部歸因于析出相帶來的強化效果,并且假設(shè)在加熱、冷卻過程中不會再有新的析出強化現(xiàn)象出現(xiàn)．由于析出強化相的體積分數(shù)含量的多與少直接決定了材料的力學(xué)性能,因此可以通過計算升溫、降溫過程中累積的溶解析出相體積分數(shù)來計算屈服強度．焊接接頭的屈服強度與強化相粒子體積分數(shù)之間的關(guān)系為:

(1)

式中：σmax為母材屈服強度；σmin為材料完全固溶狀態(tài)下材料的屈服強度值；f0為室溫下的析出相體積分數(shù)；f為析出相體積分數(shù),在焊接熱循環(huán)過程中的變化范圍為0～f0．析出相的體積分數(shù)是隨著焊接過程的溫度和時間變化的,當(dāng)溫度達到轉(zhuǎn)變、溶解溫度時,析出相的體積分數(shù)開始減小．為得到鋁合金焊接接頭軟化模型,采用解析方程[4]表達焊接過程中熱影響區(qū)析出相的溶解過程：

(2)

式中：Xp為剩余的析出相百分比；Xd為溶解掉的析出相百分比,它與熱處理的等效時間相關(guān)：

(3)

式中：teq為熱處理等效時間；n為常數(shù)系數(shù),一般取0.5．

由于不能直接求出瞬時溫度對析出相的影響,因此將溫度曲線離散化,即在Δti的時間內(nèi)溫度停留在Ti階段,計算溫度Ti下在Δti時間內(nèi)的析出相溶解體積分數(shù)．根據(jù)整個焊接熱循環(huán)曲線,進行迭代計算,獲得析出相溶解體積分數(shù)的總值．由于本試驗熱循環(huán)曲線的加熱速率約為文獻[8]中的攪拌摩擦焊加熱速率的4倍,攪拌摩擦焊研究中Δti一般取值為1 s,在本文中,升溫速度相對較快,1 s的時間間隔不能準確地反映焊接熱循環(huán)過程,容易減弱溫度對模擬結(jié)果的影響,因此在模型中Δti取值為0.25 s．

(4)

(5)

Qeff=2Qs+Qd

(6)

式中：Qeff為析出相溶解的有效活化能,相比于文獻[8]中對于Al-Cu-Mg系鋁合金中有效活化能的取值,Al-Mg-Si系鋁合金中的主要元素Mg 比Al-Cu-Mg系鋁合金中的主要元素Cu 在鋁基體中的擴散激活能低,因此本模型中Qeff為12.5 kJ/mol．模型所包含的主要參數(shù)如表2．動態(tài)屈服強度隨溫度變化的綜合表達式為：

σ=(σmax-σmin)(1-

(7)

焊接接頭不同區(qū)域的熱循環(huán)溫度曲線可以采用焊接數(shù)值模擬的方法獲得．高速列車鋁合金焊接一般采用熔化極惰性氣體保護焊(MIG),焊接熱源選擇雙橢球體熱源模型,根據(jù)實際的焊接工藝進行焊接溫度場模擬,提取不同節(jié)點處的焊接溫度數(shù)據(jù)[13],繪制熱循環(huán)曲線．圖1為根據(jù)焊接數(shù)值模擬計算獲得的不同最高加熱溫度的溫度曲線,也是模型的重要輸入之一．

表2 軟化模型主要輸入?yún)?shù)Table 2 Main input parameters of softening model

圖1 模擬的焊接熱循環(huán)熱輸入Fig.1 Heat input of welding thermal cycle

2 試驗流程

主要采用的試驗方法為在Gleeble-3800 熱模擬試驗機上模擬焊接熱循環(huán)過程,即首先將試樣加熱到一個峰值溫度,然后冷卻到指定溫度后進行拉伸試驗,獲得的屈服強度與預(yù)測值進行比較．

圖2為熱模擬試驗的試樣．試樣平行段長度為40 mm,寬度為8 mm,板厚為4 mm,為了計算拉伸試驗過程的應(yīng)變值,測量了試樣的均溫區(qū)尺寸,約為8 mm．

在熱循環(huán)模擬過程中,采用應(yīng)力控制方法,即試樣一端固定,另一端可以自由移動,保證在加熱冷卻過程中試樣可以自由膨脹收縮,熱模擬試驗首先將試樣按照熱循環(huán)特征參數(shù)加熱到最高溫度,然后空冷到指定的溫度并保溫,在此過程中保存溫度、力、位移等數(shù)據(jù)．

圖2 試樣尺寸Fig.2 Sample size

在保溫階段,進行拉伸試驗．拉伸試驗的應(yīng)變速率為0.001/s,保存力、位移等數(shù)據(jù)．根據(jù)力及試樣橫截面積,計算拉伸試驗中的應(yīng)力值,應(yīng)變計算用位移除以均溫區(qū)尺寸,根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù),繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線圖,獲得每種試驗條件下材料的屈服強度．6082-T6鋁合金在焊接熱循環(huán)作用下,析出相演化規(guī)律分為T6態(tài)的析出相β″和β′相的生長-溶解以及二次析出相β相的形核-生長-溶解．相關(guān)研究表明[14-15],6082-T6鋁合金發(fā)生β′-β的轉(zhuǎn)變溫度范圍為300～350℃,固溶溫度范圍為470～490℃．為了驗證軟化模型的可靠性,文中選擇的試驗峰值溫度為300、400、500℃,在隨后的冷卻過程中,每降低100 ℃保溫并進行一次拉伸試驗．

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

以峰值溫度400 ℃為例,分別冷卻至300、200、100、25 ℃時,進行拉伸試驗．圖3為峰值溫度400 ℃時獲得的不同溫度下的溫度循環(huán)曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線．從圖中可以看出,冷卻到室溫、100°C和200°C后的拉伸曲線在塑性階段呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征,而冷卻到300°C后的拉伸曲線在塑性階段呈現(xiàn)出明顯的軟化特征．試驗結(jié)果的變化趨勢與文獻[16]一致．

圖3 加熱、冷卻、保溫過程的溫度、應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Curves of temperature and true stress-strain during heating and cooling down

3.2 模擬結(jié)果

將溫度曲線的數(shù)據(jù)代入到式(1～6)中,通過matlab編程進行數(shù)值計算．圖4為模擬出的最高加熱溫度為300 ℃和500 ℃時,析出相的體積分數(shù)百分比Xp隨時間、溫度變化的曲線．

圖4 析出相體積分數(shù)隨溫度變化模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of precipitates volume fraction with temperature

可以看出當(dāng)?shù)竭_某一溫度時,析出相的體積分數(shù)百分比開始逐漸下降,這是由于在這一溫度下析出強化相才開始發(fā)生溶解、轉(zhuǎn)變．在升溫至最高溫度附近時,析出相體積分數(shù)的下降速率達到最高,在降溫過程中,析出相體積分數(shù)下降速率逐漸降低,直到某一溫度時保持不變,與文獻[6、17]中的研究結(jié)果相符合．對應(yīng)的屈服強度隨溫度的變化如圖5．

圖5 屈服強度隨溫度變化模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of yield stress with temperature

圖6為不同最高加熱溫度下的軟化模型模擬結(jié)果．很明顯,100℃的最高溫度對屈服強度幾乎沒有影響,但在250～300℃出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象,經(jīng)過熱循環(huán)之后的屈服強度明顯下降．在其他幾個峰值溫度下的一次熱循環(huán)過程中,隨著溫度的升高,屈服強度近似沿著母材屈服強度曲線逐漸下降,在最高溫度時屈服強度達到最低．在最高溫度之后的溫度降低過程中,屈服強度在母材屈服強度曲線和完全固溶態(tài)屈服強度曲線之間又緩慢上升;熱循環(huán)過程中達到的最高溫度越高,冷卻到室溫的屈服強度值越低,這是由于溫度越高,析出強化相溶解的越多[18],晶粒粗化的程度越高,導(dǎo)致屈服強度的降低．

圖6 6082屈服強度隨溫度變化模擬結(jié)果Fig.6 6082 yield strength simulation results with temperature

圖7為6082-T6鋁合金在最高加熱溫度為300、400、500 ℃的焊接熱循環(huán)下的動態(tài)屈服強度預(yù)測值與實測值對比圖．可以明顯的看到該軟化模型能夠較為準確的預(yù)測出在一次焊接熱循環(huán)下屈服強度隨溫度的變化情況,除少數(shù)測試溫度點以外,模型預(yù)測出的數(shù)值與實測值十分接近,誤差很小,平均誤差率為8.5%．

圖7 6082鋁合金加熱冷卻過程動態(tài)屈服強度預(yù)測與實測對比Fig.7 Comparison of predicted and measured dynamic yield strength of 6082 aluminum alloy during heating and cooling process

實測的屈服強度曲線相對于預(yù)測的屈服強度曲線在降溫到接近室溫時較為平緩,其原因可能是完全固溶態(tài)屈服強度曲線為文獻[19]中的Al-Mg-Si系鋁合金的幾個特定溫度下的屈服強度值進行多項式擬合后得到的曲線,與文中的材料并非同種材料,且擬合的曲線趨勢未必與實際趨勢完全一致,導(dǎo)致用母材屈服強度和完全固溶屈服強度進行插值計算時結(jié)果可能存在偏差．但總體來說,預(yù)測的屈服強度數(shù)值、趨勢與實測相吻合．

4 結(jié)論

(1) 建立了6082-T6鋁合金焊接接頭軟化模型,預(yù)測出了焊接熱循環(huán)過程中動態(tài)屈服強度的變化,并通過Gleeble熱模擬試驗驗證了模型的準確性．

(2) 試驗結(jié)果表明,6082-T6鋁合金焊接接頭在焊接熱循環(huán)過程中隨著溫度的升高,屈服強度逐漸降低;焊接熱循環(huán)達到的最高溫度越高,冷卻到室溫的屈服強度值越低．在250～300℃出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象,屈服強度下降明顯．在300℃保溫拉伸時,開始出現(xiàn)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加逐漸減少的現(xiàn)象．