基于有限元法的铸轧速度对7050铝合金温度和应力的影响分析

张明达++王洪斌++张利阳++曹立亭

摘 要：文章针对双辊连续铸轧技术，采用有限元法对双辊铸轧7050铝合金的工艺过程进行了数值模拟，研究了铸轧速度对铝合金铸轧过程温度、热应力和等效应力分布的影响。

关键词：双辊铸轧；7050铝合金；数值模拟

中图分类号：TG335 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0067-02

双辊连续铸轧技术作为一种短流程、近终形的成形技术，在改善铝合金微观组织形貌、提高铸轧板带坯质量方面也具有很大潜力[1]。将铸轧工艺应用于超高强度变形铝合金的成形加工中，尤其是7000系铝合金，可很好地解决高强度铝合金薄带的成型问题，直接获得组织成分均匀的板坯，从而实现短流程、节能和高效[2]。因此对于铸轧7000系铝合金的研究越来越广泛，为了给铸轧获得高质量超高强铝合金板带材提供理论依据，本文采用ANSYS软件建立模型，结合金属的加工硬化效应和成形特点，设定其边界条件，通过对成形工艺条件参数的设置来预测板材的成形效果，从而分析了不同铸轧速度对7050铝合金立式双辊铸轧过程中液态熔池内温度、热应力和等效应力的影响规律。

1 有限元模型建立及主要参数

1.1 几何模型

铸轧过程的传热、流动现象极其复杂，液态金属在流动过程中发生凝固，在熔池内同时存在三种不同的区域（固态区、液态区、固-液两相区），轧辊的接触边界不断发生变化，导致其传热分析较复杂。沿铸坯对称中心取其一半进行研究，由于轧制变形都是上下对称的，故只选取板坯的一侧来建模。把铸轧辊简化为贴在板坯上的一段圆弧，通过给出线段的速度和换热系数以达到要求。

1.2 建立铸轧过程有限元模型采用以下假设

铸轧过程是稳态的，经过初始过渡期后，工艺参数不随时间变化；系统内的合金无论是纯液态、半固态还是纯固态，均视为同一种连续介质，无成分的宏观偏析，材质均匀，各向同性；由于带宽远大于带厚，侧封板绝热，忽略宽度方向的传热，仅考虑铸轧方向和厚度方向的传热；铸辊与带坯接触面无相对滑移；金属与轧辊之间接触时热阻恒定，接触面上的传热系数恒定；铸轧辊内通有冷却水， 在稳定铸轧期间设定轧辊的温度保持不变。

1.3 边界条件

1.3.1 入口边界

入口边界是流体注入铸轧熔池的边界，在此边界上施加温度载荷与速度载荷。根据不可压缩流体的体积不变原则，单位时间内注入到铸轧区的液态金属的体积与从铸轧区拉出的固态薄板的体积相等，因此可用入口和出口金属的秒流量相等计算出入口的速度。

1.3.2 铸辊表面

在铸轧辊和侧封板形成的熔池中，轧辊不断旋转，金属不断凝固，因此由液态金属凝固到固态金属与轧辊之间的接触紧密程度也是在不断发生变化的，热阻也在变化，即在接触面上的传热系数是变化的，但在本模拟中，假定其为定值，轧辊为铜辊，将金属与铸轧辊接触面传热系数定为8000W·m-2·K-1，环境温度373K。

铸轧辊的速度分解为水平方向和竖直方向两个速度，并以这两个速度作为接触表面的速度边界条件。

铸轧速度：

Vx=-Vc*（R+b/2-Y）/R

Vy=-Vc*X/R

式中R代表铸轧辊的半径，Vc为轧辊的线速度。

1.3.3 出口断面

压力为零。

1.3.4 对称表面

由于此面受水口端面的限制，垂直水口方向速度为零。

1.3.5 熔池表面

熔池表面金属与空气发生辐射，系数为0.76，此处环境温度773K。

1.4 参数确定

材料物性参数和铸轧工艺参数如表1和表2。

2 模拟结果与讨论

2.1 铸轧速度对铸坯温度分布的影响

在模拟边界条件下提高铸轧速度，单位时间内流进熔池的金属质量增加，带进熔池内的热量增多，冲入金属熔池的速度也加快，水口处高温区域不断增大，固液两相区扩大，出口温度升高。在此模型中，当轧辊转速为16r/min的工艺时，由于出口温度过高，会造成漏液，不能形成板坯。由于入口处金属熔体的温度较高，但其比热较小，通过转动的铸轧辊传热，使入口处温度急剧降低，在较短的位移内温度下降非常剧烈。降到液相线温度时，合金开始释放凝固潜热，缓慢降温。在接近出口处，熔池的空间已非常小，在固相线温度附近，潜热释放完成，金属比热容减小，金属又迅速降温。但是铸轧速度越高温度下降的越缓慢，即出口处与入口处温差减小。随铸轧速度提高，铝液在熔池内停留时间减少，向铸轧辊传热减少，铸轧区出口温度升高。铸坯心部温度高于表面，高出5-8K。

2.2 铸轧速度对铸坯热应力分布的影响

在铸轧的过程中凝固壳表面由弯月状被铸轧成平面状，承受了较大的拉应力，由于心部金属相对于表面的合金凝固速度慢，其强度和塑性较低，而且这部分金属凝固过程发生的体积收缩使凝固壳承受拉应力，凝固壳表面的温度低而心部温度高，金属表面受拉应力，心部受压应力。但是随着铸轧速度的增大，无论是表面所受的拉应力还是心部承受的压应力均有所减小。

双辊铸轧7050鋁合金凝固过程中，铝合金中心线上的应力相对出口和入口处来说，铸轧区中间偏前部位应力最大。金属进入铸轧区依靠铸轧辊使温度下降进而凝固，此处温降速率快，热压应力急剧增加。表面合金直接与铸轧辊接触，迅速冷却成凝固壳，中心的液态金属由于冷却较慢而尚未凝固，随后进一步冷却，这部分液态金属在凝固过程中均会发生体积收缩，收缩的体积得不到液态金属的补充而形成缩孔，凝固壳厚度继续增加，当弯月面的凝固壳厚度达到最大值时，心部的合金凝固速率变缓，压应力增加幅度减缓。当热压应力达到最大值后，由于金属凝固潜热的释放，使中心线温度梯度变小，使热压应力下降，铸轧板坯心部热压应力在出口处降低至最小。随铸轧速度的提高，铸轧区整体温度升高、热拉压应力降低，薄带表面和中心的应力差减小。

铸轧速度为8r/min的铸轧合金，由于金属在熔池内完全凝固，将潜热完全释放掉，而线膨胀系数在此温度区间内变化较大，因此其应力变化没有明显的规律性，而其他两种铸轧速度下的合金尚未经历这个温度区间，所以应力变化较规律。

2.3 铸轧速度对铸坯等效应力分布的影响

在铸轧力作用下，提高铸轧速度，铸轧力降低，合金的等效应力降低。过慢的铸轧速度会使合金过早凝固，变形区长度增加，所受到的铸轧力增大，若最大应力超过了所对应温度下的断裂强度，板坯在通过铸轧区之前就会产生裂纹源，在随后的空冷过程中扩展到铸轧板表面，而且过慢的铸轧速度，容易粘辊、轧卡。

适当的铸轧力能在一定程度上能够减少缩松、气孔等缺陷，从而减少潜在的热裂形核质点，但当铸轧力过大时，铸轧瞬间，板坯表面温度与心部温度相差大，板坯内部高温层面将发生后滑，在板坯表面形成表面张力。并且，在实际实验中，降低铸轧速度，铸轧力增大，7050铝合金与铸轧辊的接触热阻增加，传热系数增加，此时合金温降快，发生热负荷冲击，对近表面区域产生较大的冲击内应力，为热裂的形成提供条件。

因此，在一定范围内，增大铸轧速度，降低轧制力，降低铝带与铸轧辊的传热系数，降低热应力，可以在一定程度上抑制裂纹的萌生。

3 结束语

（1）提高铸轧速度，铸坯温度升高、拉压应力降低，薄带表面和中心的应力差减小。加快铸轧速度，降低合金热应力，降低裂紋萌生的倾向，利于得到良好板坯。在保证合金在铸轧区内能够完全凝固的前提下，适当地提高铸轧速度，可以降低裂纹萌生的倾向。

（2）利用有限元这种数值分析方法通过对成形工艺条件

参数的设置来预测工件的成形效果，可以为实验提供理论依据，提高实验的成功率。

参考文献：

[1]Shuzhen Shang， Xiaoling Tang， Guimin Lu， Wanning Zhang， Jiaojiao Wang. Constitutive Equation of ZL201 Alloy during the Semi-Solid Thixotropic Compression [J]. Advanced Materials Research，2012，418：1274-1278.

[2]Jiaojiao Wang， D. Brabazon， A.B. Phillion， Guimin Lu. An innovative two-stage reheating process for wrought aluminum alloy during thixoforming [J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2015，46（9）：4191-4201.