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一種鋁型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng)估方法

文檔序號(hào):9288484閱讀:1028來源:國知局
一種鋁型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬型材擠壓技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種鋁型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng) 估方法,用于準(zhǔn)確定量的評(píng)估鋁型材擠壓過程中型材的焊合質(zhì)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金型材因其密度低、外觀好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),在軌道交通、航空 航天、汽車、船舶、電力、能源、建筑等領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),2012年全球鋁加 工材產(chǎn)量達(dá)4800萬噸,其中擠壓材超過1950萬噸,并且鋁型材不斷向大型化、薄壁扁寬化 和斷面復(fù)雜化方向發(fā)展,復(fù)雜大斷面空心工業(yè)鋁型材所占比重日益提高[劉靜安,當(dāng)代鋁 合金擠壓新材料的發(fā)展特點(diǎn)及市場分析.資源再生,2014 (03) : 19-22]。
[0003] 目前90%以上的空心鋁型材是采用分流組合擠壓技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。擠壓過程中, 高溫鑄錠在擠壓桿的推動(dòng)下通過擠壓模具,因模具分流橋的存在,金屬途經(jīng)模具時(shí)被分成 幾股金屬流,在高溫高壓環(huán)境下,由于靜水壓力作用,金屬流在焊合室內(nèi)又被重新匯聚融合 在一起,因此采用分流組合模擠壓生產(chǎn)時(shí),由于分流橋的存在,鋁型材表面不可避免的存在 焊合線,稱之為縱向焊合線。焊合線的形成過程其實(shí)是金屬材料的固態(tài)融合過程,伴隨著 微觀結(jié)構(gòu)重組,如回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等[DenBakkerAJ,WerkhovenRJ,Sillekens WH,KatgermanL.Towardspredictivecontrolofextrusionweldseams:anintegrated approach.KeyEngineeringMaterials. 2010;424:9-17]。與型材其他部位相比,縱向 焊合線處的力學(xué)性能較差,通常是整個(gè)空心型材中強(qiáng)度最低的部位,型材往往在此處先發(fā) 生破壞。此外,模具分流孔個(gè)數(shù)越多,相應(yīng)的焊合線條數(shù)就越多,復(fù)雜大斷面空心型材內(nèi) 部潛在的焊合缺陷就越多。因此,在復(fù)雜大斷面空心鋁型材應(yīng)用日益廣泛的今天,研究空 心鋁型材擠壓焊合過程中焊合線形成機(jī)理以及準(zhǔn)確地評(píng)估其焊合質(zhì)量對(duì)提高生產(chǎn)質(zhì)量和 生產(chǎn)效益尤為重要[LoukusA,SubhashG,ImaninejadM.Mechanicalpropertiesand microstructuralcharacterizationofextrusionweldsinAA6082-T4.Journalof MaterialsScience2004;39:6561_6569]〇
[0004] 由于實(shí)際擠壓生產(chǎn)在高溫高壓的焊合室內(nèi)完成焊合,材料融合過程很難通過物理 手段直接監(jiān)測,因此將焊合準(zhǔn)則與數(shù)值模擬相結(jié)合是目前研究擠壓焊合最常用的方法,通 過對(duì)鋁型材擠壓焊合過程進(jìn)行數(shù)值模擬,提取出焊合面上的相關(guān)數(shù)據(jù),然后利用焊合準(zhǔn)則 計(jì)算焊合強(qiáng)度。目前常用的焊合準(zhǔn)則主要有壓力-時(shí)間準(zhǔn)則(Q準(zhǔn)則)和壓力-時(shí)間-流 速準(zhǔn)則(K準(zhǔn)則)。當(dāng)Q或K準(zhǔn)則中的壓力-時(shí)間或壓力-時(shí)間-流速表達(dá)式的積分值(稱 為焊合強(qiáng)度)達(dá)到材料焊合極限時(shí),便認(rèn)為型材的焊合質(zhì)量良好。然而,目前對(duì)擠壓焊合的 模擬研究大多局限于斷面形狀簡單的對(duì)稱型空心型材的二維擠壓過程,鮮有對(duì)鋁型材三維 擠壓過程而開展的焊合質(zhì)量評(píng)價(jià)研究。此外,目前關(guān)于焊合準(zhǔn)則的定量研究,大多也都停留 在簡化的二維模型,即計(jì)算的是焊合面上一條焊合路徑對(duì)應(yīng)的Q值或K值,尚未見有利用整 個(gè)焊合面上所有焊合點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)三維擠壓焊合質(zhì)量進(jìn)行真正意義上的定量研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決上述問題,提出了一種鋁型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng)估方法,本 方法能夠?qū)︿X型材三維擠壓過程進(jìn)行瞬態(tài)模擬,提取焊合面所有焊合點(diǎn)的有效數(shù)據(jù),并基 于所提取數(shù)據(jù),結(jié)合焊合準(zhǔn)則,對(duì)三維擠壓焊合質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確地定量評(píng)估。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007] -種鋁型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng)估方法,包括以下步驟:
[0008] (1)創(chuàng)建三維擠壓模型,并將模型導(dǎo)入有限元軟件中,進(jìn)行網(wǎng)格劃分和擠壓參數(shù)設(shè) 置,對(duì)鋁型材擠壓焊合過程進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得金屬流從分流到接觸焊合面開始部分焊合 再到型材擠出工作帶發(fā)生完全焊合的整個(gè)擠壓焊合過程的材料流動(dòng)規(guī)律;
[0009] (2)提取焊合面上所有焊合點(diǎn)的壓力、應(yīng)力和三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息;
[0010] (3)將提取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,獲取離散的三維空間坐標(biāo)點(diǎn);
[0011] (4)將所得離散的三維空間點(diǎn)擬合成一個(gè)平滑曲面,并求出該擬合曲面與底面垂 直投影所包覆的空間體體積,即為焊合面上焊合路徑對(duì)應(yīng)的K值。
[0012] 所述步驟(1)中,具體包括:
[0013] (1-1)利用UG創(chuàng)建三維擠壓模型并導(dǎo)出STL文件,將STL文件導(dǎo)入Forge-3D中并 進(jìn)行網(wǎng)格劃分和擠壓參數(shù)設(shè)置;
[0014](1-2)根據(jù)模具的種類和材料流經(jīng)的模具區(qū)域設(shè)置摩擦種類、系數(shù)以及熱傳遞參 數(shù)。
[0015] 所述步驟(2)中,通過F〇rge-3D軟件后處理提取出焊合面上所有焊合節(jié)點(diǎn)的相關(guān) 參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)壓力P、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力〇、節(jié)點(diǎn)流速v和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)。
[0016] 所述步驟⑵中,焊合點(diǎn)的數(shù)目由網(wǎng)格密度確定,網(wǎng)格劃分越細(xì)密,焊合節(jié)點(diǎn)數(shù)越 多。
[0017] 所述步驟(3)中,根據(jù)所提取的節(jié)點(diǎn)壓力p,節(jié)點(diǎn)應(yīng)力〇,確定每個(gè)焊合點(diǎn)k值為: ki_j=Pi/〇 i_j,即空間坐標(biāo)系中Z軸坐標(biāo)。
[0018] 所述步驟(3)中,根據(jù)所提取節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)(x,y,z),將其轉(zhuǎn)換成焊合面坐標(biāo) U Hij,即空間坐標(biāo)系中X、Y軸坐標(biāo);最終獲得一系列離散的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)(11; mj,klS)。
[0019] 所述步驟(4)中,首先調(diào)用離散的三維空間點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),然后采用網(wǎng)格劃分函數(shù) 對(duì)XY平面即焊合面進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)據(jù)劃分,將整個(gè)XY面劃分成大小相同的面積單元;通過差值 函數(shù)對(duì)Z方向數(shù)據(jù)進(jìn)行插值;用繪圖功能將插值后的數(shù)據(jù)擬合成平滑曲面;最后通過求和 函數(shù)將所有面積單元對(duì)應(yīng)的空間體體積累加,即可得到K值。
[0020] 本發(fā)明的有益效果為:
[0021] (1)能夠?qū)招男筒恼麄€(gè)擠壓焊合過程進(jìn)行瞬態(tài)模擬,實(shí)時(shí)獲得每一步金屬流的 流動(dòng)規(guī)律以及擠壓過程的數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0022] (2)提出K焊合準(zhǔn)則體積模型,并根據(jù)其物理意義將K值大小作為量化焊合質(zhì)量的 標(biāo)準(zhǔn)。
[0023] (3)基于焊合質(zhì)量準(zhǔn)則,對(duì)擠壓焊合質(zhì)量的評(píng)價(jià)由二維模型拓展到三維模型,即從 僅利用一條焊合線上的數(shù)據(jù)拓展到利用整個(gè)焊合面的數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)焊合質(zhì)量,并且由基本的 定性描述拓展到精確的定量描述,實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維空心型材擠壓焊合質(zhì)量的定量評(píng)估。
[0024] (4)基于該發(fā)明方法,可以研究不同擠壓參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)等因素對(duì)焊合質(zhì)量的定 量影響,并評(píng)估該因素對(duì)整個(gè)焊合平面不同區(qū)域焊合質(zhì)量的影響,為實(shí)際的生產(chǎn)加工提供 理論依據(jù)和技術(shù)參考。
[0025] (5)本發(fā)明同樣適用于其他通過擠壓焊合加工的金屬型材焊合質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的方管型材斷面形狀及尺寸圖;
[0027] 圖2是本發(fā)明的三維焊合質(zhì)量評(píng)價(jià)體積模型示意圖;
[0028] 圖3是本發(fā)明的三維模具幾何模型;
[0029] 圖4(a)是本發(fā)明的瞬態(tài)模擬中坯料分流后中間部位開始到達(dá)焊合面;
[0030] 圖4(b)是本發(fā)明的瞬態(tài)模擬中金屬流中間部分正在相互融合并發(fā)生部分焊合;
[0031] 圖4(c)是本發(fā)明的瞬態(tài)模擬中金屬流在模具約束下流向焊合室其他位置并逐漸 充滿焊合室;
[0032] 圖4(d)是本發(fā)明的瞬態(tài)模擬中擠出型材剛好完全擠出工作帶并發(fā)生完全焊合;
[0033] 圖5是本發(fā)明的擠壓模型中焊合面上所有焊合節(jié)點(diǎn)的實(shí)際分布圖;
[0034] 圖6是本發(fā)明的模擬結(jié)果后壓力與應(yīng)力比值㈨/直)擬合曲面分布云圖;
[0035] 圖7是本發(fā)明的模型擠壓穩(wěn)定階段不同擠壓步數(shù)下的K值。
【具體實(shí)施方式】:
[0036] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0037] 通過采用本發(fā)明所提出的一種定量評(píng)估三維擠壓焊合過程焊合質(zhì)量的方法,實(shí)現(xiàn) 了對(duì)如圖1所示方管擠壓的瞬態(tài)模擬,并對(duì)鋁型材三維擠壓過程焊合質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。
[0038] (1)理論準(zhǔn)備
[0039] 為將焊合準(zhǔn)則應(yīng)用由焊合線拓展到焊合面,焊合強(qiáng)度的計(jì)算必須考慮焊合面上對(duì) 焊合質(zhì)量有貢獻(xiàn)的所有可能焊合路徑,即焊合面內(nèi)所有p/〇值的積分。根據(jù)K焊合準(zhǔn)則積 分表達(dá)式的數(shù)學(xué)描述,K積分值可以通過如圖2所示的三維空間所包覆的體積來表示。其 中X軸和Y軸分別為焊合面的高度1和寬度m,Z軸為焊合面內(nèi)所選取焊合點(diǎn)對(duì)應(yīng)的p/ 〇 值,底面投影為焊合面。若求出整個(gè)p/〇曲面與底面垂直投影所包覆的空間體體積,便求 出焊合面內(nèi)所有可能焊合路徑
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