所对应的焊合强度K值，也就完成了三维挤压焊合质量的评 价。此即为所提出的K焊合准则体积模型。
[0040] ⑵建立模型
[0041] 现以图1所示的一等壁厚方管型材为例来阐述定量评估三维挤压过程焊合质量 的步骤。该挤出型材边长为27mm，壁厚为4mm，内圆角半径为1mm，外圆角半径为3mm，型材 截面积为361. 62mm2,型材所用材料为AA6061。
[0042] 首先利用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。部分挤压工艺参数的设置如下：坯料温度为480°C，模具预 热温度为450 °C，挤压垫速度为0. 5mm/s，棒料直径为80mm，挤压比为13. 9。
[0043] 采用F〇rge-3D模拟方管的瞬态挤压时，摩擦系数根据材料流经模具区域的不同 而有所变化。将摩擦和热传递参数设置如下：坯料与挤压筒及模具内腔之间为剪切摩擦，摩 擦因子为〇. 85;坯料与工作带处摩擦为库伦摩擦，摩擦因子为0. 3。坯料与其他部件（包括 挤压筒、挤压垫、模具）的热传递系数为3000WAm2 ? K)。
[0044] (3)模拟结果分析
[0045] 实际模拟中，为了节省运算时间，利用F〇rge-3D模拟八分之一方管瞬态挤压焊合 过程，可获得金属流从刚开始接触焊合面到型材挤出工作带发生完全焊合这一整个过程 的材料流动情况，如图4所示。图4(a)表示坯料在分流桥作用下经过分流孔后被分成两股 金属流，中间部位金属流首先在焊合面处发生接触，这表示金属流在中间部位的材料流速 高于周边；图4(b)表示中间部分金属流正在相互融合并发生部分焊合；图4(c)表示金属 流在模具约束下向焊合室其他位置流动，焊合室逐渐被金属流充满；图4(d)表示挤出型材 刚好完全挤出工作带，此时发生完全焊合，挤出过程达到挤压稳定阶段。
[0046] (4)焊合面数据的提取与处理
[0047] 为利用K焊合准则（公式）获得整个焊合面上的K值，即图2的体积，必须获得由 焊合点数据所拟合的三维曲面。为此，通过F 〇rge-3D软件后处理提取出焊合面上所有焊合 节点的参数：节点压力P，节点应力〇，节点流速v，节点坐标（x，y，z)等。图5表示焊合面 上焊合点的实际分布图，图中标注了焊合面宽度方向、焊合面高度方向、挤压方向及模具出 口处位置。模拟中，节点多少由网格密度确定：网格划分越细密，节点越多，模拟精度越高， 但所需时间越长。因此在计算机运算能力和运算时间允许情况下，为获得更准确的K值，网 格划分应尽可能细密。
[0048]基于Matlab，根据所提取的节点压力p，节点应力〇，确定每个焊合点的k值为 =Pl]/ 〇 ,，即空间坐标系中Z轴坐标；根据提取节点的实际坐标（x，y，z)转换成焊合面坐 标U mj，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)。 最后，直接调用所提取的坐标点数据，将离散的三维空间点拟合成一个平滑曲面，并求出拟 合曲面与底面垂直投影所包覆的空间体体积，即为K值。
[0049] 该方管挤压过程共模拟177步，其中从142步开始进入挤压焊合稳定阶段。现以 模型中第150步挤压数据为例，分析k x]值分布规律。图6表示的是焊合面上焊合点k 值 关于焊合点坐标拟合的三维曲面图，曲面与底面垂直投影所包覆的体积即为焊合面上焊合 路径对应的K值。很明显，焊合室外侧的k值比焊合室内侧的k值整体要大，通过分流挤压 获得的型材外侧质量要好于型材内侧质量。根据计算，k值在1. 12到7. 87之间，该值由同 一焊合点处压力与应力的比值决定。
[0050] (5)焊合质量准则的定量应用
[0051] 为研究焊合准则的定量应用，提取该模型挤压稳定阶段不同步数焊合面上焊合点 的数据，并求出相应步的K值见图7。可得挤压稳定阶段K值波动较小，该模型下K值的平 均值为1303. 69mm2,这与挤压稳态阶段中型材焊合质量基本稳定相吻合。
[0052] 由于尚未有人研究并获得三维挤压过程中的焊合极限，无法通过所计算的数值直 接判断是否焊合良好，但可通过求出K值的无量纲形式（用K*表示）来判断焊合质量好坏。 其中，焊合面的平均面积为275. 59mm2,则整个焊合面上所有焊合点k值的平均值K* : 「 1 trK1303.69A _
[0053] K* ^- =：-- - 4..T3' S275. 59
[0054] 这与L. Donati在文献中指出当压力与应力之比为3~4倍时焊合质量良好相一 致[Donati L, Tomesani L. The effect of die design on the production and seam weld quality of extruded aluminum profiles. J Mater Process Tech. 2005 ;164:1025-31]〇
[0055] 由此，通过上述提出的新方法可以准确地对型材三维挤压焊合质量进行定量地评 估。
[0056] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：包括以下步骤： (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开始接触焊合面，然后发生部 分焊合，再到型材挤出工作带的整个挤压焊合过程中的材料流动规律； (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； (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； (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。2. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：所述步 骤（1)中，具体包括： (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； (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。3. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：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 0、节点流速V和节点坐标（x，y，z)。4. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：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。5. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：所述步 骤⑶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：I^ j= p ;/〇 i.j， 即空间坐标系中Z轴坐标。6. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：所述步 骤（3)中，根据提取节点的实际坐标（x，y，z)，将其转换成焊合面坐标I 1, m,，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（I1, mj，klS)。7. 如权利要求1所述的一种铝型材挤压焊合质量的定量评估方法，其特征是：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。
【专利摘要】本发明公开了一种铝型材三维挤压焊合质量的定量评估方法，包括以下步骤：对创建三维挤压模型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，获得金属流整个挤压焊合过程的材料流动规律；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；将提取的数据信息进行处理，获取离散的三维空间坐标点；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。本发明将挤压焊合质量的评价由二维模型拓展到三维模型，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。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105005650
【申请号】CN201510399912
【发明人】张存生, 陆星, 赵国群, 陈良
【申请人】山东大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月9日