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摘 要：电阻点焊的组织决定焊接接头熔核的性能，熔核的性能决定焊接的质量。通过模拟 点焊接头的组织，可预测在不同点焊参数下接头的组织形态和力学性能等，从而实现通过寻 求最佳焊接工艺来改善焊件性能的目的。研究铝合金点焊相变组织的分布规律，对优化点焊 设计和工艺参数有重要的指导作用，本文通过应用有限元模拟软件进行数值模拟，对6082 铝合金电阻点焊过程中的组织转变进行模拟与研究，并通过实验进行验证，从而得出电阻点 焊对6082铝合金的组织转变的影响。试验验证表明，数值模拟与试验结果吻合良好，为铝合 金点焊基础理论研究提供了一种有效的分析手段。
关键词：数值模拟；金相组织 ；铝合金；电阻点焊
Abstract
Te microstructure of resistance spot welding decide performance of nuclear fusion in welded joint, the performance of nuclear fusion decide welding quality. By simulation, we can predict microstructure and mechanical properties of spot welding in different parameters, so as to achieve the best welding performance by seeking to improve the welding processes. Research on the distribution of microstructure in aluminum spot welding, have an important role in on the design and optimization of process parameters of spot welding. The paper through the application of finite element simulation software to simulate and research the resistance spot welding of aluminum alloy of 6082, and verify it through experiments, so as to know affection resistance spot welding to aluminum alloy of 6082. Experiments show that numerical simulation and experimental results are consistent, providing an effective analysis for spot welding on aluminum alloy.
Key words: Numerical simulation; Microstructure; Aluminum alloy; Resistance spot welding
1、
铝合金在航空航天、船舶制造、机车和汽车制造业等领域获得了广泛的应用。轿车采用
铝合金制造车身较采用钢板制造车身可减轻车体重量6O%左右，能显著降低燃料消耗和减少 环境污染。但是，铝合金点焊所存在的问题限制了点焊在铝合金汽车生产中的应用，铝合金 点焊的熔核形状不规则，尺寸大小不一，熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔，由于冷 却速度较快，熔核的结晶组织主要是从熔合线向内生长的柱状晶。在这方面，吉林工业大学 的赵熹华等人通过采用熔核的孕育处理技术做了详细的研究，将柱状晶组织变为等轴晶组 织，取得了良好的效果[1]。但是，该技术如何工程化的问题还正在研究之中。如果能对点焊
的相变组织进行有限元模拟计算，得到铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，从微
观上改变焊接质量，对提高和稳定点焊质量具有重要意义。 铝合金点焊是一个高度非线性的力、热、电相耦合的复杂过程，随着焊接研究的深入，
温度，相变和热应力之间的耦合效应越来越受到人们的重视。Y.Ueda 等人曾提出温度，相 变，热应力之间的耦合关系式，J.Ronda 等人利用该耦合模型对焊接接头进行了有限元计算。 Ronda 等[2]用统一的方法推导了相变规律和相变塑性，建立了相容的 TMM 模型，并形成了系
统理论。Yang 等[3]在热冶金耦合方面也作了深入的研究。他们在模拟温度场、速度场、热循
环以及熔池形状时,采用瞬时、3 维、湍流条件下的热传输和流体流动模型。 本文基于有限元专业焊接模拟软件动态模拟焊接的全过程，进行数值模拟时，考虑了材
料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，实现温度场和应力应变
场的耦合计算，揭示了铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，其结果有助于更好地 了解焊接过程中熔体的运动状态、凝固组织细化和产生缺陷的原因,为正确选择点焊工艺参 数等提供理论指导。
2 点焊相变原理
熔核、塑性环及其周围母材金属的一部分构成了点焊接头。在良好的点焊焊接循环条件
下，接头的形成过程是预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段所组成。
（1）预压阶段：在电极压力的作用下清除一部分接触表面的不平和氧化膜，形成物理触点，为焊接电
流的顺利通过及表面原子的键合作准备。（2）通电加热阶段：在热与机械力作用下形成塑性环、熔核，并 随着通电加热的进行而长大，直到获得需要的熔核尺寸。通电刚开始，由于边缘效应，使焊件接触面边缘 处温度首先升高，接着由于金属加热膨胀，接触面和电流场均扩展并伴有绕流现象，而靠近电极的焊接区 金属散热较有利，从而在焊接区内形成了回转双曲面的加热区，其周围产生了较大的塑性变形。随着通电 加热的持续，电极与工件接触表面增加，表面金属的冷却增强，而焊接区中心部位由于散热困难温度继续 升高，形成被塑性环包围的回转四方形液态熔核。继续延长通电时间，塑性环和熔核不断长大。当焊接温 度场进入准稳态时，最终获得椭圆形液态熔核，周围是将熔核紧紧包围的塑性环。（3）冷却结晶阶段：使 液态熔核在压力作用下冷却结晶。由于材质和焊接规范特征不同，熔核的凝固组织可有三种：柱状组织、 等轴组织、“柱状+等轴”组织。
由于点焊加热集中、温度分布陡、加热与冷却速度极快，若焊接参数选用不当，在结晶过程中会出现 裂纹、胡须、缩孔、结合线伸入等缺陷，可通过减慢冷却速度和段压力等措施来防止缺陷产生。
3 点焊熔核有限元仿真
点焊是一个多因素及多重非线性的复杂问题。在进行数值模拟时，考虑其可作为轴对称问题，对等厚
板的焊接取l／4平面进行分析。为简化计算，本文假定电极压力恒定。 本文采用简化的轴对称2D模型建立6082铝板点焊的简化模型。出于简化模型的目的，假设上下两块铝
板在与电极端面直径对应的中心部分以及电极端面是粘连的，假设电极-工件间及工件间的接触行为属于无 滑动接触。焊接电流为恒流，材料的热物理性能随温度变化，忽略电流的趋表效应、接触面的热电效应和 接触热阻[4,5]。模型的网格采取自由划分，共含1996个固体单元，2120个节点。被连接材料为6082铝合金，
板厚2.0 mm，采用Cu～Cr合金电极，端部直径6 mm，端部曲面半径40 mm。
3.1 材料属性
材料的热物理性能参数是温度的函数，在模拟中，材料的热物理性能除了密度和潜热外，其他如比热、 导热系数、电阻率等均随温度变化。材料在相变和熔化时存在潜热，模拟中将潜热在相变温度区间均匀折 算为比热容，以模拟其产热效果。
6082铝合金是Al-Mg-Si系铝合金，该合金的组织比较简单，主要合金元素为Mg、Si ,另外还有少量的Fe 、Zn 、Cu 、Mn，主要组织组成物为Mg2Si，Mg/Si比为1.73，大部分合金不是含过量镁就是含过量的硅。当镁过量时，合金的抗蚀性好，但强度与成形性能低；当硅过量时，合金的强度高，但成形性能及焊 接性能较低，抗晶间腐蚀倾向稍好。
3.2 工艺参数
采用直流焊接电源，焊接电流为14 KA，电极压力为1.5 KN，焊接时间为15个周波(相应频率50 Hz)。 具体方案见表1：
3.3 焊接温度场的模拟
焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算以及焊接质量控制的前提，焊件在快速 加热和冷却过程中温度场的正确描述是进行组织转变和焊后接头力学性能分析的前提条件。焊接温度场的 准确计算必须建立起准确的热传递数学模型和符合焊接生产实际的物理模型，并应用有限元 软件的校正工 具，根据具体的焊接工艺和条件对热源进行校正；考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系，建立 了焊接过程的数学模型和物理模型[6,7]。
在焊接过程中，由热源传给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊接材料获得热能后，
热的传播则是以热传导为主。焊接传热过程中所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变 化问题[8]。因此研究焊接温度场，是以热传导为主，适当地考虑辐射和对流作用。
焊件上某点瞬时的温度分布称为温度场，可以表示为：
T T ( X , Y , Z , t )
式中 T 为焊件上某点的瞬时温度，(x , y , z)是某点的坐标，t是时间。
因此非线性瞬态热传导问题的控制方程可以表示为：
式中 c、ρ为材料的比热容、密度，T为温度场的分布函数，t为时间，kx , ky , kz分别为x , y , z方向
上的导热系数； Q是内热源。
温度场计算时, 将模型的对称面定义为绝热边 界条件, 即
其他周围表面定义为换热边界条件, 即
式中 是材料的热导率，n是边界表面外法线方向，α是表面换热系数，Ta是周围介质温度，Ts是物体表面
温度。
3.4 点焊相变组织的模拟
3.4.1 相变潜热 焊接过程中伴随着相的转变，在有限元计算中其产生的相变潜热以焓的形式表示[9]，即
式中 (T )c(T ) 分别为材料的密度和比热，均为温度的函数。
在某一温度增量区间，所产生的总的相变潜热表示为各相值的叠加，即
式中：Aj为第j 相的相变潜热，V j 为第j
相的转变体积比,且 å V j = 1 ；n是材料中相的个数。相的转变体积比,且 ；n是材料中相的个数。
3.4.2 相变模拟原理
对于铝合金的相变模拟，主要通过铝合金的回复与再结晶原理，如图1。如果材料有经过温度循环，当 最高温度高于重结晶温度时，重结晶开始发生并产生影响。材料重结晶的比例不仅取决于最高温度，也取 决于热循环过程。可以用如下公式来计算：
等温反应动力学：
非等温反应动力学附加规律：
3.5 模拟计算结果
3.5.1 温度场的模拟结果
如图 2 为焊接时间 250ms 时 l／4 平面所成的温度分布，再通过 sysweld 有限元软件，分别在熔核区 中心，熔合线，热影响区，母材组织上取四个固体单元，形成如图 3 所示的温度曲线。由图 2，3 可以看出 在焊接过程中，熔核中心的最高温度可达 720℃，且长时间温度维持在 700℃左右；熔合线附近可达 600℃，
也长时间维持在这个温度；热影响区最高温度可达 500℃左右；而母材最高温度只达到 300℃左右。
3.5.2 相变组织的模拟结果
通过有限元模拟可得到如图4所示结果，6082铝合金点焊结果会出现明显不同的三相分布分别为：母 材、热影响区和熔核区组织。
4 结果分析和讨论
由模拟分析结果可以看出， 6082 铝合金点焊会出现比较明显的三种组织的分布，再根据模拟所用的
焊接参数进行试验验证，然后进行金相组织观察（试样用凯勒试剂浸蚀）。可以得到图 5－图 9 的微观组织 图。
由图 5 可见，6082 铝合金点焊组织有着明显的三个组织相分布，中间的小圆为熔核部分，外圆为热影
响区，外边即为母材，与模拟的相变结果（图 4 所示）完全相同。 铝合金的主要热处理方式是固溶处理和时效处理，通过第二相的沉淀硬化来提高强度、硬度等性能。
6082 铝合金为 T4 状态（固溶处理＋自然时效）是经固溶、时效后的合金，其主要强化相是 Mg2Si。在焊 接热循环的影响下，铝合金基体中的这些沉淀相粒子将发生再次固溶、析出和长大过程，对焊接前的基体 产生或多或少的破坏。它们的熔点为 595℃，焊接加热温度超过这一熔点时,部分强化相就会熔解[10]。
图 6 为母材组织，其铝合金基体上分布着粗大且呈长条形的析出相；图 7 为熔核中心组织，其内组织 主要为细小的等轴晶粒；图 8 为处于塑性环熔合线周围的组织，靠近熔合线的熔核区主要是柱状晶粒和部 分等轴晶粒，靠近熔合线的热影响区为粗大的晶粒；图 9 为热影响区中心组织，其铝合金基体上的析出相 细小且呈圆粒状。
从图 4 可以得知，在塑性环内的熔核区中心最高温度远远高于 595℃，可达 720℃左右，且比较长时间 的维持在 700℃，这个温度使熔核区中心的晶粒完全的熔化，在铝合金基体上的第二相重新熔化和固溶， 化合物因固溶而进一步减少。在铝合金基体上分布着弥散的，细小的第二相对晶界移动起着重要的阻碍作 用，第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，所形成的晶粒也就越细小，且在熔核区 内合金元素溶入的比较多，在很大程度上阻碍了晶界的移动，焊接为快速加热，金属内存在的晶格畸变现 象来不及回复，自扩散系数增加，使合金再结晶晶核增多，造成晶粒细小，所以在熔核中心冷却后形成的 组织为细小的等轴晶粒；由于点焊冷却速度较快，靠近熔合线的熔核区的结晶组织主要是从熔合线向内生 长的柱状晶。运用图 1 描述的铝合金重结晶现象可以发现，靠近塑性环的热影响区的晶粒处于长大阶段， 晶粒生长方向与热流方向一致，有着明显的粗大晶粒且在晶界上分布一些析出相，应为晶粒长大区；6082 合金母材组织为板材组织，其析出相方向与板材成形方向一致，也有少量析出相呈三角形，在晶界上析出， 由于其含有 Cu，Mg，Al，Si，Mn 等合金元素，析出相比较复杂，主要为 Mg2Si。图 6 中的母材组织为退
火组织，所以其部分析出相变的相对细小和一定的圆形状。对于热影响区，其析出相明显比母材组织细小，
且没有方向性，但已经开始出现圆粒状，分布也比母材组织均匀，但还是有一部分为粗大的析出相，且呈 长条形，没有完成再结晶，由图 1 铝合金重结晶原理可知其组织应为回复区和回复再结晶区，晶界基5 结 论
1、本文采用数值仿真手段预测熔核的组织，运用sysweld的相变模拟原理，完成对6082铝合金点焊组织的
模拟和预测。
2、采用本文提出的有限元点焊模型，运用相变模拟软件，可以模拟出与实际焊接结果十分吻台的结果，因 此可作为选择和优化点焊参数的一个有效工具。
3、6082铝合金熔核区晶粒细小，组织分布均匀而且弥散，热影响区有着比较明显的回复区，回复与再结晶 区和晶粒长大区，母材组织为板材组织，晶粒方向为轧制方向，且铝基体上分布大量粗大的第二相质点。
4、点焊接头相变组织的模拟是一项新技术，它尚处于起步阶段，在理论上还存在着尚未澄清问题，另外在
计算方法上也有改进余地，其应用更接近空白，因此，有必要从理论和计算方法上进行系统而有深入的 探索，以使新兴方法尽快用于工程实践。
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Simulation and Research for the Microstructure of Aluminum Spot
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机械工程Mechanical Engineering
摘要：
机械工程是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技术以创造物质财富和提高社会文明水准的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事机械设备设计、生产制造、检测与控制、使用及维修的高级工程技术人才。研修的主要课程有：政治理论课、外语课、高等工程数学、高等工程力学、现代设计理论与方法、现代制造技术及自动化、现代控制论基础、现代试验技术、电子与信息技术基础、现代材料学、现代管理学基础，以及适当选择与行业相关的专业机械的研究、设计和制造等课程。
一、概述
机械工程是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技术以创造物质财富和提高社会文明水准的重要工程领域，是与人类社会活动关系十分密切、应用非常广泛的工程领域。它是一个传统的工程领域，自人类有史以来，就为生产活动所关注，第一次工业革命、第二次工业革命乃至当前的信息革命，无不直接或间接地同机械工程的发展有密切关系；它也是一个发展迅速的工程领域，随着电子技术、自动化技术、计算机及软件技术、材料科学的发展和渗透，充实和丰富了本领域的基础，拓宽和发展了本领域的研究范畴，并促进机械产品和生产过程向精密化、自动化、智能化、连续化、高效化、集成化方向发展。
本领域涉及机械设计、制造、试验、使用、维修等基础理论、技术和方法。并与材料工程、动力工程、电气工程、电子与信息工程、控制工程、计算机技术、工业设计工程等工程领域及力学学科密切相关。
二、培养目标
培养从事机械设备设计、生产制造、检测及控制、使用及维修的高级工程技术人才。
机械工程领域工程硕士要求掌握现代机械设计基础理论和方法、现代制造技术（包括工艺过程、制造加工设备及系统）、现代控制理论和方法、机电液一体化技术、试验技术、机械性能分析技术、使用维修理论及技术。具有从事新产品开发设计能力、生产工艺设计及实施能力、生产设备管理及使用维修能力。
三、领域范围
由于工程硕士直接为工矿企业和交通运输部门培养高层次工程技术人才，行业特征应该比较突出。行业的覆盖面归纳起来可分为：机械制造设备及生产系统；
工程施工机械及生产系统，材料、化工等专用生产设备及生产系统，起重、运输车辆及物流系统，农业生产机械等。
根据工程技术人员工作性质，领域范围可分为：机械设备的设计、开发，机械设备的制造及管理，机械设备的质量控制、性能检测、试验和特性分析，生产设备管理、使用、保养和维修。
四、课程设置
基础课：科学社会主义理论、自然辩证法、外语、高等工程数学、高等工程力学、计算机技术应用及程序设计等。
技术基础课：现代设计理论与方法、现代制造技术及其自动化、现代控制论基础、现代试验技术、电子与信息技术基础、现代材料学、现代管理学基础等。
专业课：根据服务的行业确定，如化工机械、冶金机械、农业机械、工程机械、车辆工程及与各工程领域密切相关的课程等。由培养单位与合作企业根据实际需要确定。
上述课程可定为学位课程和非学位课程。此外，还可以根据实际情况进行不同的组合和设置。课程学习总学分不少于28个学分。
五、学位论文
结合企业的实际课题进行研究工作，根据研究结果撰写论文。对于新产品设计与开发的技术成果，论文应该具有设计方案的比较、评估，设计计算书，完整的图纸；对于重大技术改造和革新的成果，应该具有对原设备与技术的评价，改造和革新方案的评述及结果的技术和经济效果分析；对于产品质量控制和试验的成果，必须有试验方案、完整的实验数据、数据处理分析方法、结果分析；对于生产设备管理成果，必须给出新的管理理论体系，对企业产量和质量作效果分析，并给出创新管理信息系统等。
Mechanical Engineering
Abstract：
Mechanical Engineering concerns various types of machinery and manufacturing equipment used to create property and improve the standard of living. The department which grants master‘s degrees prepares students for careers as high-level engineers， specializing in mechanical design， production manufacturing， measurement and control， operation and maintenance. The program includes political theory， foreign language， advanced mathematics， advanced mechanics， design theory and methods， manufacturing techniques and automation， control fundamentals， experimental techniques， electrical and information fundamentals， material properties， management tools and other courses related to research， design and manufacturing of machinery in various specialties.
I. Introduction
Mechanical engineering， an important and widely applied engineering field closely related to people‘s social activities， provides manufacturing technologies and equipment to create material wealth and promote social progress in the construction of China’s national economy. As a traditional engineering field since the beginning of human history， mechanical engineering has always been the focus of all kinds of production activities. For instance， the First and Second Industrial Revolutions， as well as the present Information Revolution， are all directly or indirectly related to its development. Mechanical engineering is also a rapidly developing field. With the growth and permeation of electronic technology， automation technology， computer and software technique， material science， the foundation of the field has been enriched； the research in this field has been broadened and developed. Therefore， mechanical products and production processes are promoted to develop toward precision， automation， intelligence， progression， integration and high efficiency.
Involving a wide range of basic theories and methods such as mechanical design， manufacture， testing， application， maintenance， technique and method， mechanical engineering has a close tie to material engineering， power engineering， electric engineering， electronics and information engineering， control engineering， computer technique， and industrial design engineering.
II. Program Objectives
The specialty of mechanical engineering aims to train senior engineers to be engaged in the design， manufacture， measurement， control， application and maintenance of mechanical equipment. Graduate is required to grasp basic theories and methods of mechanical design， modern control， modern manufacture technology （including both technological process and machining equipment）， as well as technology in mechanic-electronic-hydraulic integration， testing technology， mechanical performance analysis， theory and technology for application and maintenance. He must also have the capabilities of developing new products， designing and implementing production processes and managing， operating and maintaining production equipment.
III. Scope of the Field
1. With distinctive trade characteristics， mechanical engineering can be categorized as follows：
manufacturing equipment and production system，
construction machinery and production system for architectural and civil engineering，
special production equipment and system for material and chemical engineering，
crane， transportation vehicle and logistic system，
agricultural production machinery，etc.
2. In terms of the specific work of engineers， it is composed of the following branches：
design and development of machinery and equipment，
manufacturing and management of machinery and equipment，
quality control， performance measurement， testing and analysis of the property of machinery and equipment，
management， operation， and maintenance of machinery and equipment.
IV. Curriculum
Basic courses：
scientific socialism， dialectics of nature， foreign language， higher engineering mathematics， higher engineering mechanics， computer application technique， design of computer software， etc.
Basic technical courses：
modern design theory and method， modern manufacturing technology and automation， fundamentals of modern control， modern experimental technique， fundamentals of electrical and information technology， modern material science， modern management science， etc.
Specialized courses：
specialized courses are selected according to actual requirements of the home enterprise through negotiation with the training unit. Tentative choices include chemical engineering machinery， metallurgy machinery， agricultural machinery， construction machinery， vehicle engineering or other related courses.
The above courses can be chosen as degree or non-degree courses. They can be added or lifted in accordance with the requirements of the home enterprise. The total credits must be no less than twenty-eight.
V. Thesis
Research is carried out on actual projects of the home enterprise， on which the thesis is based. Theses dealing with design of new products and technical development must contain comparison and evaluation of design schemes， documents for design and calculation， and full drawings. Those focusing on important technical advance and revolution must include evaluation of the former equipment and technique， introduction to the improved scheme and analysis of technical and economic results. Those on product quality control and experiments must incorporate testing schemes， complete testing data， methods for analysis of the data and discussions of the results. Those on management of production equipment must present new theoretical systems for management， effect analysis of the output and product quality， together with new information systems for management.
