7020鋁合金焊接工藝對焊接殘余應力與應變的影響研究

關鍵詞：7020鋁合金；焊接仿真；預熱；熱源輸入；殘余應力應變

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)11-0024-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.006

Research on the Influence of 7O2O Aluminum Alloy Welding Process on WeldingResidualStressandStrain

ZHANG Huayan (Shanghai-Donghu MachineryFactory，Shanghai2O19oo，China)

Abstract: [Purposes] This study aims to investigate the effects of different welding process parameters on residual stress and residual strain in the welding repair of 7O2O aluminum alloy plates， with the goal of determining optimal heat input parameters to optimize welding quality.[Methods]A welding simulation model based on the double-elipsoidal heat source model was established using inert gas-shielded laser welding technology.Finite element analysis was employed to simulate the dynamic thermo一 mechanical coupling process. Multiple experimental parameters，including welding current ( 200～240 （20 A)， voltage ( 20～24 V)，and initial workpiece temperature (20～300^°C )，were examinedto analyze their effects on temperature distribution，residual stress，and residual strain.[Findings] The simulation results indicate that when the welding current was 240 A and the voltage was 24 V，both residual stress and strain were minimized.When the preheating temperature is 200^°C ，the residual stress and strain can be significantly reduced，but when the temperature rises to 300^° C， the residual strain increases instead. Additionally，the increase in power leads toa rise in the maximum temperature，but hasa limited impacton residual stress.[Conclusions] The optimized welding parameters (240 A current，24 V voltage) combined with 200^°C preheating effectively controlled residual stress and strain，providing a theoretical basisfor the welding repair process of 7O2O aluminum alloy plates. Keywords: 7O2O aluminum aloy; welding simulation; preheating; heat sourse input; residual stress-strain

0 引言

焊接變形與殘余應力形成機理的研究發現，鋁合金焊接過程中的熱-力耦合效應是引發焊接部位變形與殘余應力的關鍵因素。馬嘉恒等1通過6系鋁合金焊接試驗與有限元仿真，發現焊接部位上翹變形與局部殘余應力分布密切相關，高能量輸入導致非均勻熱膨脹與收縮，引發塑性應變積累。崔倫赫在6005A中空薄壁鋁合金的動態熱-力耦合模型中進一步驗證了這一機制，其通過基于熱-彈-塑性法的仿真表明，盡管熱影響區(HAZ)較窄，但焊縫附近殘余應力顯著高于母材。孫建通等3通過X射線衍射與有限元計算，發現Al- ?Mg-Mn 合金激光焊接中橫向應力集中于焊縫兩端的壓應力區，縱向應力表現為焊縫中心的拉應力分布，揭示了多向應力疊加的復雜性。

而熱輸入參數對焊接質量影響的研究指出，焊接工藝參數的優化是控制殘余應力的核心手段之一。呂成4針對船用鋁合金的Fluent多物理場模擬表明，焊接速度直接影響熔池形貌與溫度場分布，具體為速度過低易導致熱積累引發變形，速度過高則可能產生未熔合缺陷，需通過動態平衡確定最佳參數。楊少紅等5在船用5083鋁合金接頭研究中發現，焊接電流與殘余應力呈正相關，電流增大導致熱輸入增加，焊縫區冷卻收縮加劇，縱向殘余應力峰值升高。這提示操作人員必須在熔深需求與應力控制間尋求平衡。

溫度梯度與熱影響區有很大的關聯機制，如盧艷等在3A21鋁合金薄板激光焊接研究中，通過引入溫度依賴性材料參數模型發現，高溫度梯度加劇了熱應力集中現象。綜上，雖然關于鋁合金焊接的研究有很多，但是關于七系鋁合金的焊接研究較少。因此，本研究著重于分析不同加工工藝下7020鋁合金板材的殘余應力與殘余應變，進而探究出較為適宜的加工熱輸入參數。

1焊接仿真參數設置與邊界條件

7020鋁合金焊接選用惰性氣體保護激光焊，整個過程屬于動態熱傳導，需要對溫度場進行計算。本研究根據能量守恒定理與傳熱情況對焊接溫度

場建立控制方程，見式(1)。

式中： ρ 為材料密度； c 為焊接材料比熱容； T 為溫度場場變量； Φ_t 為傳熱時間； Q 為熱源； k_x，k_y，k_z 為材料沿物體 x，y，z 方向的導熱系數。

通常焊接仿真熱源輸入模型有高斯熱源模型、半球熱源模型與雙橢球熱源模型等。考慮到實際焊接過程中，熱源移動會造成區域內熱流量分布不均，使得放熱區域并非標準的圓柱或圓形，雙橢球熱源因更符合實際焊接情況而被選用。雙橢球體熱源的熱源模型與熱流分布密度如圖1所示。

前半部分熱源分布函數見式（2）。

后半部分熱源分布函數見式（3）。

且滿足式（4）。

式中： a_?I 為前半橢球的長半軸； a₂ 為后半橢球的長半軸； b 為前后橢球的短半軸； c 為熔池深度； Q 為焊接電流、焊接電壓與焊接熱效率的乘積，即有效功率。

焊接仿真板材為7020鋁合金板，外形尺寸為120mm×37mm×5mm ，中間焊縫寬度為 10mm ，如圖2所示。

7020鋁合金材料參數見表1。

輸入材料屬性后對模型進行網格劃分，且對焊縫處進行網格加密，如圖3所示。此時，網格數量為3500，網格屬性為C3D8RT。分析步分為焊接。分析步與冷卻分析步，焊接分析步時長6.4s，最大分析步數為10000，最小分析步長為 6.4×10^-5 。冷卻分析步步長2000，最大分析步數為1000，最小分析步長為 2×10^-4 。

在邊界條件設置中，表面熱交換條件中膜層換熱系數為10，環境溫度為 20^°C ，表面輻射發射率為0.8，絕對零度取 -273.13^°C ，Stefan-boltzmann常數取 5.67×10^-8 。焊接熱源通過子程序實現，整個板材兩端完全固定，如圖4所示。

焊接仿真試驗序號與對應輸入見表2。試驗1、2、3用以分析電流對焊接結果的影響；試驗3、4、5用以分析電壓對焊接結果的影響；試驗3、6、7用以分析工件初始溫度對焊接結果的影響。

2仿真結果

焊接仿真完成后觀察結果，焊接分析步中溫度場如圖5所示。界面中灰色部分代表7020鋁合金融化部分，可觀察到融化部分已貫穿整塊合金板，表明不存在虛焊區域，保證了焊接質量。同時觀察圖6與圖7，發現直至焊接完成，殘余應力與殘余應變主要集中于焊道位置。

仿真結果見表3。通過表3可知，無論是電流或電壓的改變，最高溫度均顯著超過了7020鋁合金熔點，保證了合金板料不發生虛焊，則接下來研究的重點可放在觀察殘余應力與殘余應變上。進一步分析發現，電壓電流的功率上升時，最高溫度也隨之上升；而試驗3、6、7證明功率不變的情況下，最高溫度幾乎不發生變化，這與真實情況相符。在電流變化時，殘余應力并未發生較大變化，而殘余應變變化較為明顯，并且在電流為240A時殘余應變較小。在電壓變化時，殘余應力也并未發生較大改變，隨著電壓上升殘余應變變小。此外，對合金板材進行預熱是一種常用的降低殘余應力的方式，不同的預熱溫度帶來的影響也不一樣。仿真結果顯示，預熱溫度為 200^°C 時，殘余應力和殘余應變的表現均較為理想；而當預熱溫度提升至 300^°C 時，殘余應力表現較好，但殘余應變大幅上升。

3結論

① 焊接仿真結果與真實情況較為符合，當電源輸入功率上升時，焊接過程中7020鋁合金最高溫度隨之上升。

② 當電流大于 200A 、電壓大于 20V 時可有效避免鋁合金板發生虛焊；輸入 240A 電流與24V電壓時，殘余應力與殘余應變較小。

③ 預熱可有效降低殘余應力與殘余應變，這與事實情況相符。預熱適宜溫度為 200^°C ，此時殘余應力與殘余應變較小。當預熱溫度升到 300^°C 時，殘余應變大幅上升。

參考文獻：

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