AA6111铝合金电阻点焊接头力学性能的有限元模拟研究

摘要

6000系铝合金是汽车轻量化的理想材料，具有高的耐腐蚀性和成型性，电阻点焊是车用铝合金零部件连接方式中使用最广泛的。由于铝合金具有较高的导热率、导电率以及热膨胀系数，使铝合金点焊接头的性能难于控制。对于点焊接头性能的检测通常是对接头进行破坏性试验，费时费力。本文旨在构建一个可靠的点焊接头力学模型，模拟接头拉伸的过程，使之能正确地预测点焊的断裂强度与位移。　　本论文以AA6111铝合金为材料，以剪切拉伸接头（TS）和剥离拉伸接头（CP）为模型原型，系统地对点焊接头的组织与性能进行了分析和测试。本文铝合金点焊接头可以分为母材区、热机械影响区（TMAZ）、熔核区三个区域，其中母材区强度和硬度最高，热机械影响区次之，强度和硬度比母材区略低，熔核区最低。　　本论文数值模型的构建，主要从以下三个方面进行处理与校准：模型几何尺寸、模型网格划分、模型材料参数的获得与校准。对于模型几何尺寸，本论文完全参考实验中接头的几何尺寸进行建模，保证模型的尺寸精度；对于模型的网格，本文考虑了网格尺寸大小和网格划分方法两个方面，通过多次模拟计算，综合考虑运算时间和运算精度，最终确定了一个合适的加密单元尺寸：0.15mm，网格划分方法上，对比了多种网格划分方法的影响，最终采用了熔核、TMAZ以及少部分母材进行局部加密；输入模型的材料参数主要包括弹性、塑性、断裂三个方面，其中弹性与塑性用于指导材料的弹性形变与塑性形变行为，通过拉伸试验求得，断裂采用金属延性断裂中的库伦摩尔修正准则（MMC3），并结合模拟与实验对断裂模型进行校准。　　将模拟的数据与试验的数据进行对比，发现2mm×2mm的TS接头，模型的峰值载荷为6100N左右，最大位移（标距变化量）为1mm左右，断裂模式为熔核界面断裂，与实验数据吻合较好；2mm×2mm的CP接头模型断裂前有两次峰值载荷，分别为1095N和1108N，断裂模式为纽扣剥离断裂，与实验数据吻合较好。除此之外，通过对比不同熔核厚度的1mm×1mm TS接头模型，发现在熔核断裂模式不发生改变的情况下（熔核界面断裂），增加熔核的厚度，即焊接熔深变大时，模型的断裂强度会略微有所降低，但当熔深增加到某一临界厚度时，断裂模式会由熔核界面断裂转变为纽扣剥离断裂，断裂强度和位移都有所增加。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 铝合金在汽车上的应用

1.3.1 铝合金的连接方式

1.3.2 电阻点焊的基本原理

1.3.3 电阻点焊接头微观组织

1.3.4 电阻点焊常见接头形式及断裂失效模式

1.3.5 电阻点焊工艺参数对接头质量的影响

1.4 电阻点焊接头力学性能的模拟研究

1.5 断裂模型

1.6 论文研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 试样制备

2.3 实验方法

2.3.1 显微组织与缺陷分析

2.3.2 显微硬度测试

2.3.3 准静态力学性能分析

3 铝合金电阻点焊接头微观组织与力学性能

3.1.1 铝合金电阻点焊接头显微组织

3.1.2 铝合金电阻点焊接头焊接缺陷分析

3.2 AA6111-T6板材电阻点焊接头显微硬度分析

3.3 准静态力学性能分析

3.3.1 铝合金电阻点焊接头强度分析

3.3.2 AA6111-T6板材电阻点焊接头各区力学性能分析

3.4 本章小结

4 AA6111-T6铝合金电阻点焊TS和CP接头有限元模型的构建

4.1 引言

4.2 模型的构建

4.2.1 模型的几何尺寸

4.2.2 模型网格划分

4.2.3模型的边界条件

4.3.1 弹性和塑性

4.3.2 断裂参数

4.4 本章小结

5 模型的验证与预测

5.1 模型单元尺寸对模拟结果的影响

5.2 TS接头模型的模拟与验证

5.3 CP 接头模型的验证

5.4 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 学位论文数据集

致谢