可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法

1.本发明涉及焊接热力过程的数值模拟技术领域，特别涉及一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法。


背景技术：

2.焊接热力过程的数值模拟技术是预测焊接结构变形和应力分布的重要手段，可用于优化产品的结构设计和制造工艺，对提高产品质量、缩短产品设计和制造周期、消除安全隐患起到重要作用。该技术的研究重点在于提高模拟精度和计算效率，其中提高模拟精度的重点则在于提高几何模型和材料模型的精度。
3.对于可热处理强化铝合金，在焊接热循环作用下会发生“过时效”，导致其焊接接头出现明显的“软化”现象，“软化”会导致接头硬度、屈服强度等力学性能发生较大变化，严重影响结构的承载能力和使用寿命。在使用数值模拟技术进行可热处理强化铝合金焊接热力过程分析时，常规的材料模型中描述的材料性能参数是随温度变化的单一曲线，无法反应“过时效”导致的接头软化现象，计算出的残余应力结果必然是偏离实际的。因此，在现有技术的材料模型中无法体现焊接热循环作用后材料性能的变化，严重影响模拟结果的精度。
4.另外，现有技术中，数值模拟中用到的材料参数往往是通过查阅文献或实验获得的，但是对于可热处理强化铝合金而言，经过焊接热循环后，焊接接头会出现不同程度的软化，体现在硬度和屈服强度的降低，其软化程度不仅与其所经历的焊接热循环有关，也与材料供货状态有关，而可热处理强化铝合金的牌号众多，供货状态不一，采用的焊接工艺复杂，通过查阅文献或实验等方法直接获取材料焊接后的屈服强度等用于数值模拟计算的力学性能参数较为困难。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，通过测试焊缝截面显微硬度，将硬度数据转化为材料软化系数数据，接着结合温度场模拟数据得出焊接热循环峰值温度对材料软化系数的影响规律，通过用户自定义子程序建立反应材料软化特点的材料模型，依据材料所处阶段、材料经历的热循环峰值温度等条件判断材料的软化系数，通过软化系数计算材料性能参数，得残余应力数据。本发明可以快速获得经历焊接热循环后的材料力学性能参数，降低了数据的获取难度，符合实际情况，可提高残余应力的模拟计算精度。
6.技术方案：本发明提供了一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，包括以下步骤：步骤一、通过测试焊缝截面显微硬度，利用显微硬度和屈服强度的相关性，将硬度数据转化为材料软化系数数据；步骤二、结合温度场模拟数据进一步地得出热循环峰值温度对材料软化系数的影
响规律；步骤三、通过用户自定义子程序建立能够反应材料软化特点的材料模型，依据材料所处升温阶段还是降温阶段、材料经历的热循环峰值温度大小判断材料的软化系数，通过软化系数计算材料性能参数，得到残余应力数据。
7.进一步地，步骤一中，所述测试焊缝截面显微硬度的具体操作如下：测量起始位置从焊缝中心线开始，沿垂直焊缝长度方向，到母材区域结束，每个测量点间隔为0.5mm，获得硬度分布曲线。
8.进一步地，步骤一中，所述将硬度数据转化为材料软化系数数据的具体操作如下：将硬度值最小处认定为材料完全软化，软化系数记作1，硬度值最大处认定为材料未软化，软化系数记作0，其他硬度值对应的软化系数通过线性插值法确定。
9.进一步地，所述线性插值法获得软化系数的具体公式为：（1）。
10.进一步地，步骤二的具体操作如下：将硬度测试点经历的热循环峰值温度与步骤一所述的软化系数相对照，进一步地使用最小二乘法线性拟合得到所述软化系数关于热循环峰值温度的数学表达式。
11.进一步地，所述热循环峰值温度是指在有限元软件中使用顺序耦合法，获得接头温度场数据，提取各硬度测量点的热循环曲线，再进一步获取其峰值温度。
12.进一步地，将所述热循环峰值温度于所述软化系数对照，是用于获得材料的开始软化温度t1、完全软化温度t2以及其他不同峰值温度下对应的材料软化系数分布。
13.进一步地，步骤三中，建立材料模型的步骤具体如下：1）设置材料的开始软化温度t1及完全软化温度t2，设置特征变量s1记录前一增量步的温度值，设置特征变量s2表征材料的软化系数，特征变量s1、s2的初始值均设置为0；2）在每个增量步，读入节点的当前温度及前一增量步温度值s1；3）将节点当前温度与s1比较，若节点当前温度值大于s1，则节点处于升温阶段，将当前温度值赋予s1，进入下一时间增量步，如此循环往复，当节点当前温度值首次不大于s1时，则节点开始进入焊接热循环的降温阶段，此时s1存储的温度值即为该节点的峰值温度，此后的增量步中不再更新s1的值；4）当节点处于降温阶段后，根据节点经历的热循环峰值温度来确定材料的软化系数，即特征变量s2的值，具体方法如下：若s1小于t1，则材料不发生软化，材料软化系数s2为0；若s1大于t2，则材料完全软化，材料软化系数s2为1；若s1居于t1和t2之间，则材料部分软化，软化系数s2通过所述软化系数关于热循环峰值温度的数学表达式确定。
有益效果
14.1、本发明通过易操作的显微硬度测试实验获得焊接热循环对可热处理强化铝合金接头力学性能的影响规律，结合已知的材料供货状态参数，可以快速获得经历焊接热循
环后的材料力学性能参数，大大降低了数据的获取难度；2、本发明通过用户自定义子程序建立的材料模型能够反映可热处理强化铝合金的焊接软化特点，符合实际情况，可大大提高其残余应力的模拟计算精度。
附图说明
15.图1是实施方式1中焊缝截面的显微硬度测试方法示意图；图2是实施方式1中用户自定义子程序流程图；图3是实施方式2中焊缝截面显微硬度测试结果及硬度测试点经历的焊接热循环峰值温度分布；图4是实施方式2中软化系数关于热循环峰值温度的分布曲线及拟合曲线；图5是实施方式2中6061-t6铝合金在未软化和完全软化两种状态下的屈服强度随温度变化曲线；图6是本发明建立的材料模型和一般材料模型模拟试板上表面纵向残余应力分布比较。
具体实施方式
16.下面结合实施方式对本发明进行详细的介绍。
17.实施方式1：本实施方式提供一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，包括以下步骤：1、测量焊缝截面显微硬度，获得焊接接头的硬度分布数据并转化出软化系数分布数据。具体步骤如下：
①
按如图1所示路径，测量焊缝截面的显微硬度，起始位置从焊缝中心线开始，沿垂直焊缝长度方向，到母材区域结束，每个测量点间隔为0.5mm，获得硬度分布曲线；
②
将硬度数据转化为软化系数数据，硬度值最小处认为材料完全软化，软化系数记作1，硬度值最大处认为材料未软化，软化系数记作0，其他硬度值对应的软化系数为：（1）2、通过温度场数据获得节点材料经历不同峰值温度热循环后对应的材料软化系数分布。具体步骤如下：
①
在有限元软件中通过顺序耦合法，获得接头温度场数据，提取硬度测量路径上的峰值温度分布曲线；
②
对照硬度分布曲线及温度分布曲线，获得材料的开始软化温度t1、完全软化温度t2以及不同峰值温度下对应的材料软化系数分布；
③
使用最小二乘法线性拟合获得软化系数关于热循环峰值温度的数学表达式。
18.3、在数值模拟中，使用用户自定义程序建立材料软化模型，设定铝合金屈服强度随温度变化，且经焊接热循环后发生不同程度的软化，软化程度取决于节点所经历焊接热循环的峰值温度。具体步骤如图2所示，描述如下：
①
在程序中设置材料的开始软化温度及完全软化温度分别为t1、t2，设置特征变量
s1记录前一增量步的温度值，设置特征变量s2表征材料的软化系数，特征变量初始值均设置为0；
②
在每个增量步，读入节点的当前温度及前一增量步温度值s1；
③
将节点当前温度与s1比较，若节点当前温度值大于s1，则节点处于升温阶段，将当前温度值赋予s1，进入下一时间增量步，如此循环往复，当节点当前温度值首次不大于s1时，则节点开始进入焊接热循环的降温阶段，此时s1存储的温度值即为该节点的峰值温度，此后的增量步中不再更新s1的值；
④
当节点处于降温阶段后，根据节点经历的热循环峰值温度来确定材料的软化系数，即特征变量s2的值，具体方法如下：若s1小于t1，则材料不发生软化，材料软化系数s2为0；若s1大于t2，则材料完全软化，材料软化系数s2为1；若s1居于t1和t2之间，则材料部分软化，软化系数s2通过步骤2获得的表达式确定；最后根据返回的s2值，计算材料的屈服强度参数。
19.实施方式2：将实施方式1中的方法运用至6061-t6铝合金试板焊接，对其进行验证，具体操作如下：采用钨极氩弧焊（tig）对尺寸为300mm
×
200mm
×
3mm的6061-t6铝合金试板的中心线（沿长度方向）进行焊接（重熔），焊接电流为175a，焊接电压为16v，焊接速度为10mm/s。焊接完成后对选取焊缝截面进行显微硬度测试，起始位置从焊缝中心线开始，沿垂直焊缝长度方向，到母材区域结束，每个测量点间隔为0.5mm，获得硬度分布曲线，如图3所示，接头的最小硬度值为67hv，设定该点材料软化系数为1，最大硬度值为100.2hv，设定该点材料软化系数为0，根据其他各点的硬度值，分别计算其软化系数。
20.采用abaqus软件完成焊接过程的数值模拟，选用的热源模型为高斯表面热源，热源半径为6mm，热效率为0.5，选用的材料性能参数是随温度变化的。首先进行了温度场的计算，获得试板上硬度测试点的热循环曲线并将其峰值温度提取出来，绘制到图3中。依据图3，获得材料的开始软化温度t1=301℃、完全软化温度t2=656℃。依据图3绘制经历不同峰值温度的热循环后材料的软化系数分布曲线，如图4所示，并使用最小二乘法对曲线进行拟合，得到软化系数关于峰值温度的线性方程。
21.通过对显微硬度测试结果的测算，完全软化后的材料硬度约为初始状态的67%，考虑到显微硬度和屈服强度正相关性，将完全软化后的6061-t6铝合金屈服强度设置为初始状态的67%，如图5所示。
22.采用用户自定义子程序建立6061-t6的软化模型，当材料处于升温阶段则材料按未软化参数进行计算，当材料处于降温阶段时，根据各节点材料的峰值温度s1计算材料的软化系数s2：若s1《301℃，s2=0；若s1》656℃，s2=1；若301℃≤s1≤656℃，s2=0.0033s1-1.041，此时需要注意，若s2《0，则令s2=0；若s2》1，则令s2=1。
23.根据软化系数的值，abaqus软件通过自动插值获得材料的屈服强度。
24.运用本发明建立的材料模型，进行6061-t6铝合金的焊接应力场数值模拟，作为对照，同样采用一般材料模型（未考虑材料软化的模型）进行了焊接应力场数值模拟。结果显示，二者的数值模拟结果相差很大。图5为试板上表面的纵向残余应力分布曲线，一般材料模型下焊缝区的纵向残余应力值为265mpa，本发明所建立材料模型下焊缝区的纵向残余应力值为154mpa，本发明采用的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力预测方法实测值对应较好。因此本发明所建立的焊接接头残余应力预测方法，能够有效地提高可热处理强化铝合金焊接数值模拟的计算精度。
25.上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、通过测试焊缝截面显微硬度，利用显微硬度和屈服强度的相关性，将硬度数据转化为材料软化系数数据；步骤二、结合温度场模拟数据进一步地得出热循环峰值温度对材料软化系数的影响规律；步骤三、通过用户自定义子程序建立能够反应材料软化特点的材料模型，依据材料所处升温阶段还是降温阶段、材料经历的热循环峰值温度大小判断材料的软化系数，通过软化系数计算材料性能参数，得到残余应力数据。2.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：步骤一中，所述测试焊缝截面显微硬度的具体操作如下：测量起始位置从焊缝中心线开始，沿垂直焊缝长度方向，到母材区域结束，每个测量点间隔为0.5mm，获得硬度分布曲线。3.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：步骤一中，所述将硬度数据转化为材料软化系数数据的具体操作如下：将硬度值最小处认定为材料完全软化，软化系数记作1，硬度值最大处认定为材料未软化，软化系数记作0，其他硬度值对应的软化系数通过线性插值法确定。4.根据权利要求3所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：所述线性插值法获得软化系数的具体公式为：（1）。5.根据权利要求1所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：步骤二的具体操作如下：将硬度测试点经历的热循环峰值温度与步骤一所述的软化系数相对照，进一步地使用最小二乘法线性拟合得到所述软化系数关于热循环峰值温度的数学表达式。6.根据权利要求5所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：所述热循环峰值温度是指在有限元软件中使用顺序耦合法，获得接头温度场数据，提取各硬度测量点的热循环曲线，再进一步获取其峰值温度。7.根据权利要求5所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：将所述热循环峰值温度于所述软化系数对照，是用于获得材料的开始软化温度t1、完全软化温度t2以及其他不同峰值温度下对应的材料软化系数分布。8.根据权利要求1-7中任一项所述的可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，其特征在于：步骤三中，建立材料模型的步骤具体如下：1）设置材料的开始软化温度t1及完全软化温度t2，设置特征变量s1记录前一增量步的温度值，设置特征变量s2表征材料的软化系数，特征变量s1、s2的初始值均设置为0；2）在每个增量步，读入节点的当前温度及前一增量步温度值s1；3）将节点当前温度与s1比较，若节点当前温度值大于s1，则节点处于升温阶段，将当前
温度值赋予s1，进入下一时间增量步，如此循环往复，当节点当前温度值首次不大于s1时，则节点开始进入焊接热循环的降温阶段，此时s1存储的温度值即为该节点的峰值温度，此后的增量步中不再更新s1的值；4）当节点处于降温阶段后，根据节点经历的热循环峰值温度来确定材料的软化系数，即特征变量s2的值，具体方法如下：若s1小于t1，则材料不发生软化，材料软化系数s2为0；若s1大于t2，则材料完全软化，材料软化系数s2为1；若s1居于t1和t2之间，则材料部分软化，软化系数s2通过所述软化系数关于热循环峰值温度的数学表达式确定。

技术总结
本发明涉及焊接热力过程的数值模拟技术领域，公开了一种可热处理强化铝合金焊接接头残余应力的高精度预测方法，通过测试焊缝截面显微硬度，将硬度数据转化为材料软化系数数据，接着结合温度场模拟数据得出焊接热循环峰值温度对材料软化系数的影响规律，通过用户自定义子程序建立反应材料软化特点的材料模型，依据材料所处阶段、材料经历的热循环峰值温度判断材料的软化系数，通过软化系数计算材料性能参数，得残余应力数据。本发明可以快速获得经历焊接热循环后的材料力学性能参数，降低了数据的获取难度，通过用户自定义子程序建立的材料模型能够反映可热处理强化铝合金的焊接软化特点，符合实际情况，可提高残余应力的模拟计算精度。拟计算精度。拟计算精度。


技术研发人员：孟庆瑞 陈洁 张满 董育伟 邹婷婷 孙静 李年莲
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/6