铝合金电阻点焊组织性能与焊接过程数值模拟研究

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1、铝合金电阻点焊组织性能与焊接过程数值模拟研究重庆大学博士学位论文学生姓名：吴赛楠指导教师：刘庆教授专业：材料科学与工程学科门类：工学重庆大学材料科学与工程学院二O一七年十月StudyonMicrostructure,PropertiesandWeldingProcessSimulationforAluminumAlloyResistanceSpotWeldAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoc

2、tor’sDegreeofEngineeringBySainanWuSupervisedbyProf.QingLiuSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober2017中文摘要摘要随着铝合金在汽车轻量化制造中的大量应用，进行高可靠性的铝合金连接已成为汽车工业亟待解决的问题。目前车身装配中使用最广泛的连接工艺是电阻点焊，但

3、将其应用于铝板连接时，由于铝合金较高的电导率、热导率和热膨胀系数，以及板材表面状态的影响，容易造成熔核尺寸波动、喷溅、孔洞、裂纹等缺陷，大幅降低接头的力学性能，这对其广泛应用提出了严峻的挑战。本文围绕车身用6000系和5000系铝合金板材，系统地开展了铝合金电阻点焊接头微观组织和力学性能研究，并建立热-电-力耦合有限元模型对电阻点焊过程进行数值模拟和分析，主要研究内容和结论如下：（1）通过金相观察和显微硬度矩阵测试对铝合金电阻点焊接头各区域的微观组织和性能差异进行了表征和分析，并结合透射电子显微分析和数值模拟结果，提

4、出并证实了铝合金电阻点焊接头中热机械影响区的存在。研究表明，铝合金电阻点焊接头可划分三个典型区域：热机械影响区、焊核区和母材区。热机械影响区位于母材与焊核之间，晶粒沿变形方向排布，宽度约1.5-2.5mm，形成的主要原因为板材形变带来的应变强化作用；焊核区是接头最薄弱的区域，从边部至心部依次为柱状枝晶和等轴枝晶组织；母材区保持原始板材组织，主要是沿轧制方向的拉长晶粒和部分等轴晶。（2）对不同厚度、不同合金类型和不同搭接形式的铝合金电阻点焊接头试样进行准静态拉伸试验，分析并确定了失效模式。试验结果表明，拉剪搭接（TS）

5、试样和剥离搭接（CP）试样的静载失效模式分别为熔核界面断裂和纽扣剥离断裂，其峰值载荷与焊核直径呈正相关。针对电阻点焊接头的几何特点和破坏模式，采用断裂力学和结构载荷分析方法，引入焊核边缘的结构应力和应力强度因子，推导并建立了考虑熔核界面断裂和纽扣剥离断裂二种破坏模式的竞争模型，可对TS和CP试样进行强度和失效模式的预测。（3）对铝合金电阻点焊接头烘烤处理前后的尺寸、微观组织、显微硬度和力学性能进行对比分析，系统研究了烘烤处理对接头宏观和微观性能的影响。研究表明，由于强化相的析出，烘烤处理可提高铝合金电阻点焊接头的强度

6、，其中CP试样较TS试样更为敏感。由于焊接过程中温度分布和应变分布的共同影响，热机械影响区在烘烤过程中硬化程度分布不均匀。（4）建立了铝合金电阻点焊的二维轴对称有限元模型，并对焊接过程进行了热-电-力耦合数值模拟。通过对焊接过程中温度场、应变场的分布规律以及动态电阻变化规律的分析，得出铝合金电阻点焊接头的形成过程可以分为随机形核、扩I重庆大学博士学位论文展融合、熔核长大和熔核凝固四个阶段。试验结果表明，该模型可以较为准确的预测焊核尺寸和压痕深度，为实际焊接工艺设计和优化开辟了新的途径。关键词：铝合金电阻点焊，微观组织

7、，性能，热机械影响区，数值模拟II英文摘要ABSTRACTWiththeincreasingapplicationsofaluminumalloysinlightweightautomotive,thequalityofaluminumalloyjoiningbecomescriticalinwhitebodyconstruction.Resistancespotwelding(RSW)isthemostwidelyusedjoiningapproachinautomotiveindustry,butmeetsgre

8、atchallengeswhenappliedtoaluminumalloyduetoitshighelectricalconductivity,thermalconductivity,thermalexpansioncoefficientandtheoxidationfilm.Weldingdefects,includingnuggetsiz