盛 辉, 付 宇,洪 杰,杨 萌,徐济进

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266111)(2.上海交通大学 材料科学与工程学院, 上海 200240)

经过10多年的发展,高铁已成为中国先进装备制造一张亮丽的名片．6082-T6作为高铁常用铝合金,为典型的时效强化铝合金,其热处理工艺为固溶处理加人工时效．高速列车关键零部件,如车体、枕梁、转向架等,主要采用焊接技术进行连接[1-2]．由于焊接热循环的作用导致焊接接头微观组织、力学性能的不均匀,不可避免地产生焊接变形和残余应力,降低材料的综合力学性能,严重影响高速列车安全可靠地运行．近些年来,焊接数值模拟被广泛采用,指导科研和生产．但是,要获得可靠的焊接数值模拟结果,仍然面临许多挑战．为了准确模拟焊接过程,必须建立可靠的焊接热源模型，获得材料的高温热物理及力学性能参数、组织相变模型、力学熔点以及材料的软化模型和硬化模型[3-4],其中材料的软化模型是影响焊接模拟结果可靠性的关键因素之一．对于铝合金软化模型的研究[5-6]，基于热动力学理论、经典动力学理论和位错机制,能够预测出焊接热循环后热影响区屈服强度的变化．文献[7-9]中以该模型为理论基础,结合有限元分析软件模拟出了焊后垂直于焊缝方向的残余应力分布,与试验结果相吻合．综上所述,运用铝合金焊后热影响区软化模型来进行焊后残余应力的数值模拟已有不少研究成果[10-11],对焊后热影响区硬度的分布模拟也颇为准确[12],但是直接利用该模型来进行焊接热循环下热影响区的动态屈服强度的数值模拟相对较少,对动态屈服强度的模拟结果的试验验证更是未见报道,因此建立铝合金焊接热循环过程中动态屈服强度的数值模型显得尤为重要．文中建立了完整的铝合金软化模型,通过热模拟试验得到的屈服强度值来验证该模型的有效性．

1 试验材料与计算模型

6082-T6为Al-Mg-Si系时效强化铝合金,合金成分如表1．

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

由于该系列合金主要由时效过程中沉淀析出相而导致强化,因此为了简化模型,将合金较完全固溶态下的屈服强度增量全部归因于析出相带来的强化效果,并且假设在加热、冷却过程中不会再有新的析出强化现象出现．由于析出强化相的体积分数含量的多与少直接决定了材料的力学性能,因此可以通过计算升温、降温过程中累积的溶解析出相体积分数来计算屈服强度．焊接接头的屈服强度与强化相粒子体积分数之间的关系为:

(1)

式中：σmax为母材屈服强度；σmin为材料完全固溶状态下材料的屈服强度值；f0为室温下的析出相体积分数；f为析出相体积分数,在焊接热循环过程中的变化范围为0～f0．析出相的体积分数是随着焊接过程的温度和时间变化的,当温度达到转变、溶解温度时,析出相的体积分数开始减小．为得到铝合金焊接接头软化模型,采用解析方程[4]表达焊接过程中热影响区析出相的溶解过程：

(2)

式中：Xp为剩余的析出相百分比；Xd为溶解掉的析出相百分比,它与热处理的等效时间相关：

(3)

式中：teq为热处理等效时间；n为常数系数,一般取0.5．

由于不能直接求出瞬时温度对析出相的影响,因此将温度曲线离散化,即在Δti的时间内温度停留在Ti阶段,计算温度Ti下在Δti时间内的析出相溶解体积分数．根据整个焊接热循环曲线,进行迭代计算,获得析出相溶解体积分数的总值．由于本试验热循环曲线的加热速率约为文献[8]中的搅拌摩擦焊加热速率的4倍,搅拌摩擦焊研究中Δti一般取值为1 s,在本文中,升温速度相对较快,1 s的时间间隔不能准确地反映焊接热循环过程,容易减弱温度对模拟结果的影响,因此在模型中Δti取值为0.25 s．

(4)

(5)

Qeff=2Qs+Qd

(6)

式中：Qeff为析出相溶解的有效活化能,相比于文献[8]中对于Al-Cu-Mg系铝合金中有效活化能的取值,Al-Mg-Si系铝合金中的主要元素Mg 比Al-Cu-Mg系铝合金中的主要元素Cu 在铝基体中的扩散激活能低,因此本模型中Qeff为12.5 kJ/mol．模型所包含的主要参数如表2．动态屈服强度随温度变化的综合表达式为：

σ=(σmax-σmin)(1-

(7)

焊接接头不同区域的热循环温度曲线可以采用焊接数值模拟的方法获得．高速列车铝合金焊接一般采用熔化极惰性气体保护焊(MIG),焊接热源选择双椭球体热源模型,根据实际的焊接工艺进行焊接温度场模拟,提取不同节点处的焊接温度数据[13],绘制热循环曲线．图1为根据焊接数值模拟计算获得的不同最高加热温度的温度曲线,也是模型的重要输入之一．

表2 软化模型主要输入参数Table 2 Main input parameters of softening model

图1 模拟的焊接热循环热输入Fig.1 Heat input of welding thermal cycle

2 试验流程

主要采用的试验方法为在Gleeble-3800 热模拟试验机上模拟焊接热循环过程,即首先将试样加热到一个峰值温度,然后冷却到指定温度后进行拉伸试验,获得的屈服强度与预测值进行比较．

图2为热模拟试验的试样．试样平行段长度为40 mm,宽度为8 mm,板厚为4 mm,为了计算拉伸试验过程的应变值,测量了试样的均温区尺寸,约为8 mm．

在热循环模拟过程中,采用应力控制方法,即试样一端固定,另一端可以自由移动,保证在加热冷却过程中试样可以自由膨胀收缩,热模拟试验首先将试样按照热循环特征参数加热到最高温度,然后空冷到指定的温度并保温,在此过程中保存温度、力、位移等数据．

图2 试样尺寸Fig.2 Sample size

在保温阶段,进行拉伸试验．拉伸试验的应变速率为0.001/s,保存力、位移等数据．根据力及试样横截面积,计算拉伸试验中的应力值,应变计算用位移除以均温区尺寸,根据应力和应变数据,绘制应力应变曲线图,获得每种试验条件下材料的屈服强度．6082-T6铝合金在焊接热循环作用下,析出相演化规律分为T6态的析出相β″和β′相的生长-溶解以及二次析出相β相的形核-生长-溶解．相关研究表明[14-15],6082-T6铝合金发生β′-β的转变温度范围为300～350℃,固溶温度范围为470～490℃．为了验证软化模型的可靠性,文中选择的试验峰值温度为300、400、500℃,在随后的冷却过程中,每降低100 ℃保温并进行一次拉伸试验．

3 结果与分析

3.1 试验结果

以峰值温度400 ℃为例,分别冷却至300、200、100、25 ℃时,进行拉伸试验．图3为峰值温度400 ℃时获得的不同温度下的温度循环曲线及应力应变曲线．从图中可以看出,冷却到室温、100°C和200°C后的拉伸曲线在塑性阶段呈现出明显的应变硬化特征,而冷却到300°C后的拉伸曲线在塑性阶段呈现出明显的软化特征．试验结果的变化趋势与文献[16]一致．

图3 加热、冷却、保温过程的温度、应力应变曲线Fig.3 Curves of temperature and true stress-strain during heating and cooling down

3.2 模拟结果

将温度曲线的数据代入到式(1～6)中,通过matlab编程进行数值计算．图4为模拟出的最高加热温度为300 ℃和500 ℃时,析出相的体积分数百分比Xp随时间、温度变化的曲线．

图4 析出相体积分数随温度变化模拟结果Fig.4 Simulation results of precipitates volume fraction with temperature

可以看出当到达某一温度时,析出相的体积分数百分比开始逐渐下降,这是由于在这一温度下析出强化相才开始发生溶解、转变．在升温至最高温度附近时,析出相体积分数的下降速率达到最高,在降温过程中,析出相体积分数下降速率逐渐降低,直到某一温度时保持不变,与文献[6、17]中的研究结果相符合．对应的屈服强度随温度的变化如图5．

图5 屈服强度随温度变化模拟结果Fig.5 Simulation results of yield stress with temperature

图6为不同最高加热温度下的软化模型模拟结果．很明显,100℃的最高温度对屈服强度几乎没有影响,但在250～300℃出现了明显的软化现象,经过热循环之后的屈服强度明显下降．在其他几个峰值温度下的一次热循环过程中,随着温度的升高,屈服强度近似沿着母材屈服强度曲线逐渐下降,在最高温度时屈服强度达到最低．在最高温度之后的温度降低过程中,屈服强度在母材屈服强度曲线和完全固溶态屈服强度曲线之间又缓慢上升;热循环过程中达到的最高温度越高,冷却到室温的屈服强度值越低,这是由于温度越高,析出强化相溶解的越多[18],晶粒粗化的程度越高,导致屈服强度的降低．

图6 6082屈服强度随温度变化模拟结果Fig.6 6082 yield strength simulation results with temperature

图7为6082-T6铝合金在最高加热温度为300、400、500 ℃的焊接热循环下的动态屈服强度预测值与实测值对比图．可以明显的看到该软化模型能够较为准确的预测出在一次焊接热循环下屈服强度随温度的变化情况,除少数测试温度点以外,模型预测出的数值与实测值十分接近,误差很小,平均误差率为8.5%．

图7 6082铝合金加热冷却过程动态屈服强度预测与实测对比Fig.7 Comparison of predicted and measured dynamic yield strength of 6082 aluminum alloy during heating and cooling process

实测的屈服强度曲线相对于预测的屈服强度曲线在降温到接近室温时较为平缓,其原因可能是完全固溶态屈服强度曲线为文献[19]中的Al-Mg-Si系铝合金的几个特定温度下的屈服强度值进行多项式拟合后得到的曲线,与文中的材料并非同种材料,且拟合的曲线趋势未必与实际趋势完全一致,导致用母材屈服强度和完全固溶屈服强度进行插值计算时结果可能存在偏差．但总体来说,预测的屈服强度数值、趋势与实测相吻合．

4 结论

(1) 建立了6082-T6铝合金焊接接头软化模型,预测出了焊接热循环过程中动态屈服强度的变化,并通过Gleeble热模拟试验验证了模型的准确性．

(2) 试验结果表明,6082-T6铝合金焊接接头在焊接热循环过程中随着温度的升高,屈服强度逐渐降低;焊接热循环达到的最高温度越高,冷却到室温的屈服强度值越低．在250～300℃出现了明显的软化现象,屈服强度下降明显．在300℃保温拉伸时,开始出现应力随应变的增加逐渐减少的现象．