關(guān)鍵詞：7020鋁合金；焊接仿真；預(yù)熱；熱源輸入；殘余應(yīng)力應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168(2025)11-0024-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.006

Research on the Influence of 7O2O Aluminum Alloy Welding Process on WeldingResidualStressandStrain

ZHANG Huayan (Shanghai-Donghu MachineryFactory，Shanghai2O19oo，China)

Abstract: [Purposes] This study aims to investigate the effects of different welding process parameters on residual stress and residual strain in the welding repair of 7O2O aluminum alloy plates， with the goal of determining optimal heat input parameters to optimize welding quality.[Methods]A welding simulation model based on the double-elipsoidal heat source model was established using inert gas-shielded laser welding technology.Finite element analysis was employed to simulate the dynamic thermo一 mechanical coupling process. Multiple experimental parameters，including welding current ( 200～240 （20 A)， voltage ( 20～24 V)，and initial workpiece temperature (20～300^°C )，were examinedto analyze their effects on temperature distribution，residual stress，and residual strain.[Findings] The simulation results indicate that when the welding current was 240 A and the voltage was 24 V，both residual stress and strain were minimized.When the preheating temperature is 200^°C ，the residual stress and strain can be significantly reduced，but when the temperature rises to 300^° C， the residual strain increases instead. Additionally，the increase in power leads toa rise in the maximum temperature，but hasa limited impacton residual stress.[Conclusions] The optimized welding parameters (240 A current，24 V voltage) combined with 200^°C preheating effectively controlled residual stress and strain，providing a theoretical basisfor the welding repair process of 7O2O aluminum alloy plates. Keywords: 7O2O aluminum aloy; welding simulation; preheating; heat sourse input; residual stress-strain

0 引言

焊接變形與殘余應(yīng)力形成機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金焊接過(guò)程中的熱-力耦合效應(yīng)是引發(fā)焊接部位變形與殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素。馬嘉恒等1通過(guò)6系鋁合金焊接試驗(yàn)與有限元仿真，發(fā)現(xiàn)焊接部位上翹變形與局部殘余應(yīng)力分布密切相關(guān)，高能量輸入導(dǎo)致非均勻熱膨脹與收縮，引發(fā)塑性應(yīng)變積累。崔倫赫在6005A中空薄壁鋁合金的動(dòng)態(tài)熱-力耦合模型中進(jìn)一步驗(yàn)證了這一機(jī)制，其通過(guò)基于熱-彈-塑性法的仿真表明，盡管熱影響區(qū)(HAZ)較窄，但焊縫附近殘余應(yīng)力顯著高于母材。孫建通等3通過(guò)X射線衍射與有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)Al- ?Mg-Mn 合金激光焊接中橫向應(yīng)力集中于焊縫兩端的壓應(yīng)力區(qū)，縱向應(yīng)力表現(xiàn)為焊縫中心的拉應(yīng)力分布，揭示了多向應(yīng)力疊加的復(fù)雜性。

而熱輸入?yún)?shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究指出，焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化是控制殘余應(yīng)力的核心手段之一。呂成4針對(duì)船用鋁合金的Fluent多物理場(chǎng)模擬表明，焊接速度直接影響熔池形貌與溫度場(chǎng)分布，具體為速度過(guò)低易導(dǎo)致熱積累引發(fā)變形，速度過(guò)高則可能產(chǎn)生未熔合缺陷，需通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡確定最佳參數(shù)。楊少紅等5在船用5083鋁合金接頭研究中發(fā)現(xiàn)，焊接電流與殘余應(yīng)力呈正相關(guān)，電流增大導(dǎo)致熱輸入增加，焊縫區(qū)冷卻收縮加劇，縱向殘余應(yīng)力峰值升高。這提示操作人員必須在熔深需求與應(yīng)力控制間尋求平衡。

溫度梯度與熱影響區(qū)有很大的關(guān)聯(lián)機(jī)制，如盧艷等在3A21鋁合金薄板激光焊接研究中，通過(guò)引入溫度依賴性材料參數(shù)模型發(fā)現(xiàn)，高溫度梯度加劇了熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜上，雖然關(guān)于鋁合金焊接的研究有很多，但是關(guān)于七系鋁合金的焊接研究較少。因此，本研究著重于分析不同加工工藝下7020鋁合金板材的殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變，進(jìn)而探究出較為適宜的加工熱輸入?yún)?shù)。

1焊接仿真參數(shù)設(shè)置與邊界條件

7020鋁合金焊接選用惰性氣體保護(hù)激光焊，整個(gè)過(guò)程屬于動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)，需要對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。本研究根據(jù)能量守恒定理與傳熱情況對(duì)焊接溫度

場(chǎng)建立控制方程，見(jiàn)式(1)。

式中： ρ 為材料密度； c 為焊接材料比熱容； T 為溫度場(chǎng)場(chǎng)變量； Φ_t 為傳熱時(shí)間； Q 為熱源； k_x，k_y，k_z 為材料沿物體 x，y，z 方向的導(dǎo)熱系數(shù)。

通常焊接仿真熱源輸入模型有高斯熱源模型、半球熱源模型與雙橢球熱源模型等?？紤]到實(shí)際焊接過(guò)程中，熱源移動(dòng)會(huì)造成區(qū)域內(nèi)熱流量分布不均，使得放熱區(qū)域并非標(biāo)準(zhǔn)的圓柱或圓形，雙橢球熱源因更符合實(shí)際焊接情況而被選用。雙橢球體熱源的熱源模型與熱流分布密度如圖1所示。

前半部分熱源分布函數(shù)見(jiàn)式（2）。

后半部分熱源分布函數(shù)見(jiàn)式（3）。

且滿足式（4）。

式中： a_?I 為前半橢球的長(zhǎng)半軸； a₂ 為后半橢球的長(zhǎng)半軸； b 為前后橢球的短半軸； c 為熔池深度； Q 為焊接電流、焊接電壓與焊接熱效率的乘積，即有效功率。

焊接仿真板材為7020鋁合金板，外形尺寸為120mm×37mm×5mm ，中間焊縫寬度為 10mm ，如圖2所示。

7020鋁合金材料參數(shù)見(jiàn)表1。

輸入材料屬性后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且對(duì)焊縫處進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示。此時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量為3500，網(wǎng)格屬性為C3D8RT。分析步分為焊接。分析步與冷卻分析步，焊接分析步時(shí)長(zhǎng)6.4s，最大分析步數(shù)為10000，最小分析步長(zhǎng)為 6.4×10^-5 。冷卻分析步步長(zhǎng)2000，最大分析步數(shù)為1000，最小分析步長(zhǎng)為 2×10^-4 。

在邊界條件設(shè)置中，表面熱交換條件中膜層換熱系數(shù)為10，環(huán)境溫度為 20^°C ，表面輻射發(fā)射率為0.8，絕對(duì)零度取 -273.13^°C ，Stefan-boltzmann常數(shù)取 5.67×10^-8 。焊接熱源通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)，整個(gè)板材兩端完全固定，如圖4所示。

焊接仿真試驗(yàn)序號(hào)與對(duì)應(yīng)輸入見(jiàn)表2。試驗(yàn)1、2、3用以分析電流對(duì)焊接結(jié)果的影響；試驗(yàn)3、4、5用以分析電壓對(duì)焊接結(jié)果的影響；試驗(yàn)3、6、7用以分析工件初始溫度對(duì)焊接結(jié)果的影響。

2仿真結(jié)果

焊接仿真完成后觀察結(jié)果，焊接分析步中溫度場(chǎng)如圖5所示。界面中灰色部分代表7020鋁合金融化部分，可觀察到融化部分已貫穿整塊合金板，表明不存在虛焊區(qū)域，保證了焊接質(zhì)量。同時(shí)觀察圖6與圖7，發(fā)現(xiàn)直至焊接完成，殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變主要集中于焊道位置。

仿真結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)表3可知，無(wú)論是電流或電壓的改變，最高溫度均顯著超過(guò)了7020鋁合金熔點(diǎn)，保證了合金板料不發(fā)生虛焊，則接下來(lái)研究的重點(diǎn)可放在觀察殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變上。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，電壓電流的功率上升時(shí)，最高溫度也隨之上升；而試驗(yàn)3、6、7證明功率不變的情況下，最高溫度幾乎不發(fā)生變化，這與真實(shí)情況相符。在電流變化時(shí)，殘余應(yīng)力并未發(fā)生較大變化，而殘余應(yīng)變變化較為明顯，并且在電流為240A時(shí)殘余應(yīng)變較小。在電壓變化時(shí)，殘余應(yīng)力也并未發(fā)生較大改變，隨著電壓上升殘余應(yīng)變變小。此外，對(duì)合金板材進(jìn)行預(yù)熱是一種常用的降低殘余應(yīng)力的方式，不同的預(yù)熱溫度帶來(lái)的影響也不一樣。仿真結(jié)果顯示，預(yù)熱溫度為 200^°C 時(shí)，殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的表現(xiàn)均較為理想；而當(dāng)預(yù)熱溫度提升至 300^°C 時(shí)，殘余應(yīng)力表現(xiàn)較好，但殘余應(yīng)變大幅上升。

3結(jié)論

① 焊接仿真結(jié)果與真實(shí)情況較為符合，當(dāng)電源輸入功率上升時(shí)，焊接過(guò)程中7020鋁合金最高溫度隨之上升。

② 當(dāng)電流大于 200A 、電壓大于 20V 時(shí)可有效避免鋁合金板發(fā)生虛焊；輸入 240A 電流與24V電壓時(shí)，殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變較小。

③ 預(yù)熱可有效降低殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變，這與事實(shí)情況相符。預(yù)熱適宜溫度為 200^°C ，此時(shí)殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變較小。當(dāng)預(yù)熱溫度升到 300^°C 時(shí)，殘余應(yīng)變大幅上升。

參考文獻(xiàn)：

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