基于CEL方法的6005A铝合金搅拌摩擦焊数值模拟研究

目的研究6005A铝合金搅拌摩擦焊接全过程温度场及焊后残余应力的分布规律。方法基于耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法,应用Johnson-Cook本构模型,并采用质量缩放技术,建立搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型,模拟分析6005A铝合金搅拌摩擦焊不同阶段的温度场变化和焊后应力分布情况。通过红外热像仪温度场试验、X射线应力场试验和宏观形貌试验,对数值模型进行验证。结果在下压与预热停留阶段,温度快速升高至545℃,且呈对称分布;在焊接阶段,焊缝区域最高温度为546℃,出现在返回侧,返回侧温度略高于前进侧温度,呈不对称分布。焊后残余应力集中在焊缝中心两侧40 mm范围内,垂直于焊缝方向的横向/纵向残余应力分布曲线呈“M”形;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,表现为返回侧残余应力高于前进侧残余应力,其中最大纵向残余应力为−174 MPa,最大横向残余应力为206 MPa,应力最大点均出现在返回侧。待测点实测温度与模拟温度误差不超过5%;待测点实测残余应力与仿真值吻合较好,横/纵向残余应力误差分别为16.3%、16.45%;模拟焊缝与实际焊缝宏观形貌吻合较好。结论在搅拌摩擦焊过程中,材料流动不充分使返回侧温度略高于前进侧温度,而焊接过程中不均匀的热分布导致焊后残余应力也呈返回侧数值略高于前进侧数值的不对称分布;通过将试验和模拟得出的温度场、应力场、宏观形貌进行对比分析,可知试验与仿真误差较小,数值模型能够反映真实的焊接过程,从而验证了6005A铝合金CEL数值模型的正确性。

时效处理对含Sc的6005A合金微观组织和腐蚀性能的影响

通过拉伸测试、晶间腐蚀测试、金相、扫描电镜及透射电镜观察研究了人工时效对含Sc的6005A合金微观组织、力学性能以及晶间腐蚀性能的影响。结果表明,添加Sc可以有效的提升峰时效态6005A合金的拉伸性能(抗拉强度、屈服强度和伸长率分别可达366 MPa、334 MPa、15.4%),扫描断口呈塑性断裂特征。时效初期,晶间腐蚀敏感性随时效时长的增加而增加,直到峰时效晶间腐蚀敏感性达到最大,随后晶间腐蚀敏感性减弱。

6005A铝合金空心型材压弯工艺成形特性研究

采用有限元数值模拟技术,对6005A铝合金空心型材压弯过程进行系统研究,定量研究了型材壁厚、模具辊轮直径、辊轮间距和型材高宽比对型材压弯成形质量的影响。采用中心复合法进行了试验设计,并通过灵敏度分析得到了各工艺参数对型材压弯回弹的影响程度的大小。结果表明,在所选取的工艺参数中,型材壁厚对成形最大减薄率、最小减薄率和截面畸变的影响最大;型材高宽比对型材回弹影响最大。采用二阶响应面建立了各变量与各成形性能之间的定量关系。研究结果可为铝合金空心型材压弯成形质量的控制提供参考。

6005A-5083搅拌摩擦焊接接头的组织与性能研究

针对6005A-5083搅拌摩擦焊接接头进行分析,分别对其微观组织、静态力学性能及疲劳寿命进行了测试,组织观察表明6005A基材区的晶粒以亚结构为主,呈现典型的纤维状组织,5083基材区则以等轴晶为主,通过搅拌摩擦焊可以细化晶粒,提高抗拉强度、屈服强度和疲劳强度,6005A-5083搅拌摩擦焊接接头试样在110 MPa下,进行了1000万次循环加载后未形成明显的裂纹,通过了疲劳测试,可应用于轨道交通。

低时效温度下不同时效时间对6005A合金产品力学性能的影响

研究了低时效温度下不同时效时间对6005A铝合金型材显微组织、拉伸性能和弯曲性能等方面的影响规律,并对规律成因进行了分析。试验结果表明,随着时效时间的延长,试样的原子聚集态析出数量增多且弥散分布程度增大,而基体内部固溶体的过饱和程度逐渐减小。试样的屈服强度和抗拉强度随着时效时间的延长逐渐升高,而延伸率逐渐降低。这些变化与显微组织的变化密切相关。此外,随着时效时间的延长,试样弯曲角度逐渐减小。这与晶界附近相的析出、硬质相的形成以及位错的运动等显微结构变化有关。在实际生产过程中,可以根据具体的产品要求,选择合适的时效时间。

轨道交通用6005A合金复杂断面生产工艺

挤压宽展比、宽厚比和壁厚差较大的型材多采用搅拌摩擦焊方式焊接,这对型材之间的对接焊间隙提出严格的要求,导致型材的生产难度较大。从模具结构、挤压工艺,尤其是在线淬火工艺方面解决壁厚差较大型材的生产难点,改善型材的整体侧弯问题。对型材部分位置的侧弯情况进行统计,明确侧弯典型位置,在定尺锯切环节进行避让,保证复杂截面型材的顺利供货。

6005A轨道车体皮质层对焊接接头裂纹的影响

分别对6005A轨道车体端头有皮质层和无皮质层的试样进行MIG焊接试验,研究皮质层对焊接接头裂纹的影响。结果表明,在相同应力水平条件下,皮质层使试样疲劳寿命显著下降,导致其疲劳性能不合格。母材近焊缝区晶粒愈粗大,晶界熔化愈明显,则该区域产生液化裂纹的倾向愈大。有皮质层的焊接试样疲劳断口平直且粗糙,填充金属两边的母材热影响区均出现再结晶组织,且断裂一侧的再结晶现象更明显、晶粒更粗大;其显微组织特征为在填充金属组织内存在质点和氧化物夹杂,焊合线附近的热影响区存在显微裂纹。

6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验机和显微硬度计对6005A铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能进行了研究。结果表明:焊核区为细小的等轴晶,几乎所有粒子溶于基体;热机械影响区呈现为被拉长的畸变晶粒,且存在大量的位错;热影响区的组织明显粗化,处于过时效状态。与母材相比,搅拌摩擦焊接头的强度及伸长率均有下降趋势,且接头出现软化,最小硬度值出现在前进侧的热影响区内。搅拌头旋转速率为1200r/min、焊接速率为200mm/min时可获得优质接头,抗拉强度达到母材强度的72%,伸长率达到母材的69%。

在线挤压淬火对地铁列车用6005A合金力学性能及微观组织的影响

对地铁列车车体用 60 0 5A铝合金进行了在线挤压淬火正交实验和透射电镜分析 ,研究了挤压温度、挤压速度、淬火方式对合金力学性能的影响。结果表明 :淬火方式对合金性能的影响最大 ,水淬可使合金获得高的力学性能 ;提高挤压温度和挤压速度也可在一定程度上提高合金力学性能。透射电镜分析表明 ,在线挤压淬火工艺对合金力学性能的影响实质上与 β'强化相的数量、大小。

T6时效和T6I6时效对6005A铝合金微观组织和性能的影响

采用硬度测试、晶间腐蚀试验,透射电镜(TEM)和高分辨透射电子显微(HRTEM)分析研究6时效和T6I6时效工艺处理对6005A铝合金硬度和晶间腐蚀性能的影响。结果显示:6005A铝合金经T6峰时效175℃、12 h后,虽然硬度达到了120 HV,但存在严重的晶间腐蚀倾向,腐蚀深度约为100μm,同时,晶界上的析出相呈不连续分布,尺寸较小;经T6I6时效处理后,晶内生成细小的析出相,同时晶界的析出相呈不连续分布,但尺寸较大,此时合金可获得更高的峰值硬度(127 HV),而且其抗腐蚀能力得到显著提高,腐蚀深度约为30μm。

高速列车用6005A合金焊接接头组织与性能研究

采用进口 5 3 5 6焊丝对国产 60 0 5A铝合金进行熔化极惰性气体保护焊 ,对焊接接头的力学性能和显微组织进行了研究 .结果表明 ,60 0 5A铝合金焊接接头的力学性能低于基体的性能 ,热影响区内的软化区是焊接接头的最薄弱环节 。

6005A合金的淬火敏感性

利用TTP曲线的测定和透射电镜分析对铝车车体大型材用 6 0 0 5A合金的淬火敏感性进行了研究。结果表明 ,6 0 0 5A合金的HB与σb 的TTP曲线鼻温均在 370℃左右 ,高温区淬火敏感性并不太高 ,但中温区 (2 80～ 40 0℃ )淬火敏感性极高 ,低温区则介于二者之间 ;大型材生产中在线挤压后淬火时 ,型材出口温度最好应大于 480℃ ,自 480℃空冷到分解危险温度 40 0℃时间最好小于 6 0s,此后要快速淬火通过中温危险区。透射电镜分析表明 :随着等温时间的延长 ,6 0 0 5A合金过饱和固溶体不断分解为平衡析出相Mg2 Si,强化效果减弱 ,同时抑制了强化相 β'的析出 ,合金的力学性能也随之降低。

人工时效对6005A铝合金晶间腐蚀性能的影响

采用硬度测试、晶间腐蚀试验、金相及透射电镜观察研究人工时效对6005A铝合金晶间腐蚀性能的影响。结果表明:6005A铝合金在固溶水淬后进行人工时效,晶间腐蚀敏感性随时效时间的延长而变化;时效初期,合金的晶间腐蚀敏感性很低,随时效时间的延长,晶间腐蚀敏感性增加;时效12 h时,合金硬度达峰值,同时晶间腐蚀敏感性也达最大,随后晶间腐蚀敏感性减弱,出现点蚀。6005A铝合金晶间腐蚀敏感性与晶界有关,点蚀的引入与晶内Q′相的析出长大有关。

火焰加热温度对6005A铝合金焊接接头性能的影响

针对铁路交通车辆用 60 0 5A铝合金型材的焊接变形 ,采用火焰加热方法进行矫正·研究了火焰加热温度对焊接接头抗拉强度、硬度及微观组织结构的影响·实验结果表明 ,当加热温度低于 2 0 0℃时 ,焊接接头的抗拉强度、硬度未降低 ,热影响区内软化区的显微组织未发生明显变化 ;当加热温度超过 2 0 0℃时 ,焊接接头的硬度发生较明显降低现象 。

考虑动态回复过程的6005A铝合金动态力学模型

客车车厢用6系铝合金构件在碰撞、冲击过程中会在短时间内产生很大变形,其变形过程中动态力学行为是结构设计中的核心问题。采用Instron系列拉伸试验机,对6005A型铝合金经T6热处理后的试样进行动态拉伸试验,获得材料应变率从0.001 s–1到87 s–1范围内,从弹塑性变形直至断裂的完整应力应变曲线。试验结果表明,6005A型铝合金具有一定的应变率效应,随着应变率提升,铝合金材料的屈服极限有所上升而抗拉强度下降。根据试验所得真实应力-应变曲线,建立6005A型铝合金的Johnson-Cook本构模型,并依据位错理论,考虑加工硬化和动态回复过程对于流动应力的影响,对Johnson-Cook模型进行修正。修正模型在试验范围内,很好地预测了中等应变率下材料动态力学行为。

焊接工艺对6005A铝合金激光-MIG复合焊焊缝成形的影响

采用CO2激光-MIG复合焊焊接2.5mm厚的6005A铝合金板,基于正交试验方法研究了焊接工艺参数对焊缝成形的影响。试验结果表明,对复合焊焊缝熔透状态影响显著性从大到小的工艺参数依次为:焊接速度、MIG电流、MIG电压和激光功率,其中前两者影响最为突出。在熔透状态不发生显著变化时,对复合焊焊缝表面成形影响显著性从大到小的工艺参数依次为:MIG电压、焊接速度、激光功率和MIG电流。根据正交试验结果优化了激光-电弧复合焊接6005A的工艺参数,建立了工艺参数选择原则,根据此原则选择合适的参数获得了最佳的焊缝成形。

高速列车A6005A铝合金焊接接头断裂韧性研究

为了研究高速列车常用A6005A铝合金材料抵抗裂纹扩展能力,对其焊接接头断裂韧性和冲击韧性进行了求解.采用三点弯曲法、扫描电子显微镜等求出焊接接头各部位冲击韧性、断裂韧性以及断口形貌,得到断裂韧性CTOD值δm(8)和J积分值Jm(8).试验结果表明,热影响区的冲击功为16.3 J;母材冲击功为11.5 J;焊缝区域最差,冲击功为5.5 J.CTOD数据表明,HAZ处δm(8)=0.373 9 mm,母材δm(8)=0.089 2 mm,焊缝δm(8)=0.069 7 mm.J积分数据表明,HAZ处Jm(8)=109.454 kJ/m2,母材Jm(8)=38.249 kJ/m2,焊缝Jm(8)=16.231 kJ/m2.热影响区断口上韧窝比母材上韧窝大,其韧性更好.焊缝上气孔、夹杂较多,其塑性较差,冲击吸收功很低.冲击韧性和断裂韧性表征规律一样,热影响区值抵抗裂纹扩展能力最好,母材次之,焊缝区最差.

高速列车6005A-T6铝合金焊接接头软化分析

测试了6005A-T6铝合金双丝MIG焊和激光-双丝MIG复合焊的焊接热循环曲线,并利用热处理方法进行了焊接软化的热模拟试验,探讨了6005A-T6铝合金焊接接头的软化问题.结果表明,焊接热循环峰值温度超过260℃时热影响区开始软化,当峰值温度达到350℃左右时软化最为严重,晶内的非稳态强化相β″相及β’相转变为平衡态的β相(Mg2Si)并聚集长大是造成软化的根本原因;受热温度在260~500℃的热影响区,焊后经简单的时效处理后,硬度无法恢复至原始状态;复合焊的焊接热循环曲线在260℃以上的高温停留时间相对较短,这是造成复合焊接头软化程度低于常规MIG焊的直接原因.

高速列车用6005A铝合金厚板的焊接工艺

采用半自动MIG焊完成了厚度为12mm的6005A-T6铝合金板材的连接,通过正交试验研究了焊接工艺参数对焊接接头抗拉强度及焊缝表面质量的影响.结果表明,各工艺参数对焊接接头抗拉强度影响显著性从大到小依次为:焊接电流,焊接电压,焊接速度和预热温度.考虑焊缝表面质量因素,各工艺参数影响显著性从大到小依次为焊接速度、预热温度和焊接电流.本研究条件下最佳MIG焊接6005A-T6板材的工艺参数为:预热温度200℃,焊接电流180A,焊接电压18.0V,焊接速度12mm/s.焊接后试样接头热影响区内晶粒平均尺寸小于5μm,且无过分长大现象.焊接后板材拉断时为韧性断裂.

新型可焊6005A铝合金的腐蚀行为

采用电化学交流阻抗谱,极化曲线以及浸泡腐蚀实验研究了Cu含量变化对高速列车用6005A铝合金电化学腐蚀行为的影响.结果表明:在商用6005A铝合金基体中添加适量的Cu元素,可有效提高氧化膜的致密性.当添加Cu质量分数为0.4%时,轧制态6005A铝合金电化学交流阻抗图谱中腐蚀反应电阻Rct值较大,双电层电容Q2值较小,极化曲线出现了较宽电位范围的阳极钝化区.但合金自腐蚀电流小幅增加,显示合金局部耐蚀性下降.在质量分数为3.5%NaCl溶液中进行的浸泡实验显示,随着浸泡时间的延长,自制6005A铝合金依次发生点蚀、晶间腐蚀和剥蚀.合金表面氧化膜致密性是影响材料抗腐蚀能力的主要因素.