一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属型材挤压技术领域，特别涉及一种铝型材挤压焊合质量的定量评 估方法，用于准确定量的评估铝型材挤压过程中型材的焊合质量。
【背景技术】
[0002] 铝合金型材因其密度低、外观好、比强度高、耐腐蚀性好等优点，在轨道交通、航空 航天、汽车、船舶、电力、能源、建筑等领域取得了非常广泛的应用。据统计，2012年全球铝加 工材产量达4800万吨，其中挤压材超过1950万吨，并且铝型材不断向大型化、薄壁扁宽化 和断面复杂化方向发展，复杂大断面空心工业铝型材所占比重日益提高[刘静安，当代铝 合金挤压新材料的发展特点及市场分析.资源再生，2014 (03) : 19-22]。
[0003] 目前90%以上的空心铝型材是采用分流组合挤压技术进行生产。挤压过程中， 高温铸锭在挤压杆的推动下通过挤压模具，因模具分流桥的存在，金属途经模具时被分成 几股金属流，在高温高压环境下，由于静水压力作用，金属流在焊合室内又被重新汇聚融合 在一起，因此采用分流组合模挤压生产时，由于分流桥的存在，铝型材表面不可避免的存在 焊合线，称之为纵向焊合线。焊合线的形成过程其实是金属材料的固态融合过程，伴随着 微观结构重组，如回复、再结晶和晶粒长大等[DenBakkerAJ，WerkhovenRJ，Sillekens WH,KatgermanL.Towardspredictivecontrolofextrusionweldseams:anintegrated approach.KeyEngineeringMaterials. 2010;424:9-17]。与型材其他部位相比，纵向 焊合线处的力学性能较差，通常是整个空心型材中强度最低的部位，型材往往在此处先发 生破坏。此外，模具分流孔个数越多，相应的焊合线条数就越多，复杂大断面空心型材内 部潜在的焊合缺陷就越多。因此，在复杂大断面空心铝型材应用日益广泛的今天，研究空 心铝型材挤压焊合过程中焊合线形成机理以及准确地评估其焊合质量对提高生产质量和 生产效益尤为重要[LoukusA,SubhashG,ImaninejadM.Mechanicalpropertiesand microstructuralcharacterizationofextrusionweldsinAA6082-T4.Journalof MaterialsScience2004;39:6561_6569]〇
[0004] 由于实际挤压生产在高温高压的焊合室内完成焊合，材料融合过程很难通过物理 手段直接监测，因此将焊合准则与数值模拟相结合是目前研究挤压焊合最常用的方法，通 过对铝型材挤压焊合过程进行数值模拟，提取出焊合面上的相关数据，然后利用焊合准则 计算焊合强度。目前常用的焊合准则主要有压力-时间准则（Q准则）和压力-时间-流 速准则（K准则）。当Q或K准则中的压力-时间或压力-时间-流速表达式的积分值（称 为焊合强度）达到材料焊合极限时，便认为型材的焊合质量良好。然而，目前对挤压焊合的 模拟研究大多局限于断面形状简单的对称型空心型材的二维挤压过程，鲜有对铝型材三维 挤压过程而开展的焊合质量评价研究。此外，目前关于焊合准则的定量研究，大多也都停留 在简化的二维模型，即计算的是焊合面上一条焊合路径对应的Q值或K值，尚未见有利用整 个焊合面上所有焊合点数据对三维挤压焊合质量进行真正意义上的定量研究。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，本 方法能够对铝型材三维挤压过程进行瞬态模拟，提取焊合面所有焊合点的有效数据，并基 于所提取数据，结合焊合准则，对三维挤压焊合质量进行准确地定量评估。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，包括以下步骤：
[0008] (1)创建三维挤压模型，并将模型导入有限元软件中，进行网格划分和挤压参数设 置，对铝型材挤压焊合过程进行数值模拟，获得金属流从分流到接触焊合面开始部分焊合 再到型材挤出工作带发生完全焊合的整个挤压焊合过程的材料流动规律；
[0009] (2)提取焊合面上所有焊合点的压力、应力和三维坐标等数据信息；
[0010] (3)将提取的数据信息进行处理，获取离散的三维空间坐标点；
[0011] (4)将所得离散的三维空间点拟合成一个平滑曲面，并求出该拟合曲面与底面垂 直投影所包覆的空间体体积，即为焊合面上焊合路径对应的K值。
[0012] 所述步骤（1)中，具体包括：
[0013] (1-1)利用UG创建三维挤压模型并导出STL文件，将STL文件导入Forge-3D中并 进行网格划分和挤压参数设置；
[0014](1-2)根据模具的种类和材料流经的模具区域设置摩擦种类、系数以及热传递参 数。
[0015] 所述步骤（2)中，通过F〇rge-3D软件后处理提取出焊合面上所有焊合节点的相关 参数包括节点压力P、节点应力〇、节点流速v和节点坐标（x，y，z)。
[0016] 所述步骤⑵中，焊合点的数目由网格密度确定，网格划分越细密，焊合节点数越 多。
[0017] 所述步骤（3)中，根据所提取的节点压力p，节点应力〇，确定每个焊合点k值为： ki_j=Pi/〇 i_j，即空间坐标系中Z轴坐标。
[0018] 所述步骤（3)中，根据所提取节点的实际坐标（x，y，z)，将其转换成焊合面坐标 U Hij，即空间坐标系中X、Y轴坐标；最终获得一系列离散的三维空间坐标点（11; mj，klS)。
[0019] 所述步骤（4)中，首先调用离散的三维空间点坐标数据，然后采用网格划分函数 对XY平面即焊合面进行网格数据划分，将整个XY面划分成大小相同的面积单元；通过差值 函数对Z方向数据进行插值；用绘图功能将插值后的数据拟合成平滑曲面；最后通过求和 函数将所有面积单元对应的空间体体积累加，即可得到K值。
[0020] 本发明的有益效果为：
[0021] (1)能够对空心型材整个挤压焊合过程进行瞬态模拟，实时获得每一步金属流的 流动规律以及挤压过程的数据结果。
[0022] (2)提出K焊合准则体积模型，并根据其物理意义将K值大小作为量化焊合质量的 标准。
[0023] (3)基于焊合质量准则，对挤压焊合质量的评价由二维模型拓展到三维模型，即从 仅利用一条焊合线上的数据拓展到利用整个焊合面的数据来评价焊合质量，并且由基本的 定性描述拓展到精确的定量描述，实现了对三维空心型材挤压焊合质量的定量评估。
[0024] (4)基于该发明方法，可以研究不同挤压参数和模具结构等因素对焊合质量的定 量影响，并评估该因素对整个焊合平面不同区域焊合质量的影响，为实际的生产加工提供 理论依据和技术参考。
[0025] (5)本发明同样适用于其他通过挤压焊合加工的金属型材焊合质量的定量评价。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的方管型材断面形状及尺寸图；
[0027] 图2是本发明的三维焊合质量评价体积模型示意图；
[0028] 图3是本发明的三维模具几何模型；
[0029] 图4(a)是本发明的瞬态模拟中坯料分流后中间部位开始到达焊合面；
[0030] 图4(b)是本发明的瞬态模拟中金属流中间部分正在相互融合并发生部分焊合；
[0031] 图4(c)是本发明的瞬态模拟中金属流在模具约束下流向焊合室其他位置并逐渐 充满焊合室；
[0032] 图4(d)是本发明的瞬态模拟中挤出型材刚好完全挤出工作带并发生完全焊合；
[0033] 图5是本发明的挤压模型中焊合面上所有焊合节点的实际分布图；
[0034] 图6是本发明的模拟结果后压力与应力比值㈨/直）拟合曲面分布云图；
[0035] 图7是本发明的模型挤压稳定阶段不同挤压步数下的K值。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 通过采用本发明所提出的一种定量评估三维挤压焊合过程焊合质量的方法，实现 了对如图1所示方管挤压的瞬态模拟，并对铝型材三维挤压过程焊合质量进行定量评价。
[0038] (1)理论准备
[0039] 为将焊合准则应用由焊合线拓展到焊合面，焊合强度的计算必须考虑焊合面上对 焊合质量有贡献的所有可能焊合路径，即焊合面内所有p/〇值的积分。根据K焊合准则积 分表达式的数学描述，K积分值可以通过如图2所示的三维空间所包覆的体积来表示。其 中X轴和Y轴分别为焊合面的高度1和宽度m，Z轴为焊合面内所选取焊合点对应的p/ 〇 值，底面投影为焊合面。若求出整个p/〇曲面与底面垂直投影所包覆的空间体体积，便求 出焊合面内所有可能焊合路径