（材料加工工程专业论文）不锈钢点焊接头焊接变形数值模拟分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文针对不锈钢电阻点焊接头焊接变形问题进行了研究，采用顺序耦合 方式实现了多物理场的耦合模拟分析，在此基础上最终实现了利用固有应变 法预测不锈钢电阻点焊接头焊接变形结果。 本文首先建立二维对称结构模型，用于不锈钢电阻点焊预压接触分析。 通过接触预压分析得到：接触面上接触压力峰值接近电极端面边缘处，随着 电极压力的增大，接触面上的压力也逐渐增大，压力峰值出现位置基本一致； 贴合面上接触压力峰值点的径向坐标小于电极端面边缘处的径向坐标，随着 电极压力的增加，贴合面压力也随之增大，贴合面压力峰值出现的位置向对 称轴靠近。通过数值模拟获得了不锈钢电阻点焊贴合面的初始导电区域，为 熔核形成过程的热电耦合分析奠定基础。 以预压接触分析为基础建立热电耦合分析模型，将接触面和结合面的接 触电阻简化为温度的函数，考虑随温度变化的材料热物理性能参数，分别对 等厚度和不等厚度不锈钢薄板电阻点焊过程的瞬态温度场进行了分析。通过 热电耦合分析得到：焊核的形成过程、温度场分布、电势分布以及因板厚不 同造成焊核向厚板一侧偏移的结果，与实际的焊接结果相吻合。温度场分析 结果可作为随后热力耦合分析的初始载荷。 以热电耦合分析为基础建立热力耦合分析模型，分别对等厚度和不等厚 度薄板点焊过程进行分析。通过热力耦合分析得到：在等厚度点焊过程中， 由于模型的对称性，应变和变形都是对称分布的；在不等厚度点焊过程中， 由于模型不对称，应变和变形都是不对称分布的，并详细分析了各参数对焊 接变形的影响，为采用固有应变法分析点焊变形奠定了基础。 以热力耦合分析结果为基础，引入固有应变法分析焊接变形。首先将固 有应变法应用于缝焊分析过程中，证明固有应变的可靠性。然后将固有应变 法引入对点焊结构焊接变形分析中，从二维到三维、从单点到多点，逐步深 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 入。采用等强度设计原则，设计典型多焊点点焊接头，应用固有应变法模拟 分析焊接变形。分析得出：多焊点结构的变形量不是各单个焊点变形量的简 单线性叠；在多焊点点焊接头中，点距越小、焊接变形逐渐变大，点距越大、 焊接变形越小；列距越大、焊接变形逐渐变小，列距越小、焊接变形越大。 最终得出固有应变法可用于大型点焊结构的焊接变形分析过程中。 关键词：不锈钢；电阻点焊；焊接变形；预压接触；热电耦合；热力耦合； 固有应变法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s tr a c t i nt h i sp a p e r , t h ew e l d i n gd e f o r m a t i o no fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n go fs t a i n l e s s s t e e lw a ss t u d i e d ，u s i n go r d e r e dc o u p l i n gs t y l et or e a l i z et h em u l t i - p h y s i c a lf i e l d s c o u p l e ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n df i n a l l yr e a l i z i n gp r e d i c tw e l d i n gd e f o r m a t i o n r e s u l t so fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n go fs t a i n l e s ss t e e lb yi n h e r e n ts t r a i nm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，at w o - d i m e n s i o n a ls y m m e t r i cm o d e lw a sb u i l tf o rc o n t a c t p r e l o a d i n ga n a l y s i so fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n go fs t a i n l e s ss t e e l t h r o u g hc o n t a c t p r e l o a d i n ga n a l y s i s ：t h ec o n t a c tp r e s s u r ep e a kn e a rt h ee d g eo ft h ee l e c t r o d ee n d o nt h ec o n t a c ts u r f a c e ，w h i c hi sg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gs t r e s so f e l e c t r o d ec o n t a c tp r e s s u r e ，a n dt h el o c a t i o no fs t r e s sp e a ka r eb a s i c a l l yt h es a m e ； t h er a d i a lc o o r d i n a t e so fa b u t t e ds u r f a c ec o n t a c tp r e s s u r ep e a kp o i n ti ss m a l l e r t h a nt h ee l e c t r o d ee n do ft h er a d i a lc o o r d i n a t e s ，w i t ht h ee l e c t r o d es t r e s si n c r e a s i n g ， t h ec o n t a c tp r e s s u r eo fa b u t t e ds u r f a c ei n c r e a s e st o o ，a n dt h el o c a t i o no fa b u t t e d s u r f a c ec o n t a c tp r e s s u r ep e a kp o i n ta p p e a r sn e a rt ot h ea x i so fs y m m e t r y o b t a i n e d i n i t i a l c o n d u c t i n ga r e av i an u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n go f s t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o re l e c t r i c a l t h e r m a lc o u p l e da n a l y s i s b u i l d i n gt h ee l e c t r i c a l - t h e r m a lc o u p l e da n a l y s i sm o d e lb a s e d o nc o n t a c t p r e l o a d i n ga n a l y s i s ，s i m p l i f y i n gt h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo ft h ec o n t a c ts u r f a c ea n d a b u t t e d s u r f a c ea saf u n c t i o no ft e m p e r a t u r e ，c o n s i d e r i n gt h ep a r a m e t e r so f p h y s i c a l t h e r m a lp r o p e r t i e s ，w h i c hd e p e n do nt e m p e r a t u r e ，t oa n a l y z et h et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l do fs t a i n l e s ss t e e ls h e e tr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp r o c e s s t h r o u g h t h ee l e c t r i c a l t h e r m a lc o u p l e da n a l y s i s ：n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s s ，t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h ee l e c t r i cp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na sw e l la st h en u g g e tm i g r a t i o n c a u s e db yw e l d i n gd i f f e r e n tt h i c k n e s sp l a t e ，w h i c hi st h es a m ea st h ea c t u a l w e l d i n gr e s u l t t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y z i n gr e s u l tc a nb eu s e da si n i t i a ll o a do ft h e t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e da n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 b u i l d i n g t h et h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l e da n a l y s i s m o d e lb a s e do n e l e c t r i c a l - t h e r m a l c o u p l e da n a l y s i s ，t h r o u g ht h e t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e d a n a l y s i s ：i nt h es p o tw e l d i n gp r o c e s sw i t ht h es a m et h i c k n e s s ，b e c a u s eo fm o d e l s y m m e t r y , s t r a i na n dd e f o r m a t i o na r es y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o n ；b u ti nt h es p o t w e l d i n gp r o c e s sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ，b e c a u s eo ft h em o d e la s y m m e t r y , s t r a i n a n dd e f o r m a t i o na r ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n ，a n da n a l y s i so fv a r i o u sp a r a m e t e r s o nt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o ra n a l y s i so fs p o tw e l d i n g d e f o r m a t i o nv i at h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o d i n t r o d u c t i o no fi n h e r e n ts t r a i nm e t h o da n a l y s i so fw e l d i n gd e f o r m a t i o nb a s e d o nt h et h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e da n a l y s i sr e s u l t s f i r s t ，t h ei n h e r e n ts t r a i n m e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y s i so fs e a mw e l d i n gp r o c e s s ，t op r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o d a n dt h e ni n t r o d u c t i o no ft h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o dt o s p o tw e l d i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，f r o mt w o d i m e n s i o n a lt ot h r e e - d i m e n s i o n a l ， f r o mas i n g l ep o i n t - t o - m u l t i p o i n t ，a n dg r a d u a l l yi nd e p t h d e s i g n e dat y p i c a ls p o t w e l d i n gjo i n t su s i n gt h ep r i n c i p l e so fe q u a ls t r e n g t h ，a n d a n a l y z ew e l d i n g d e f o r m a t i o nb yi n h e r e n ts t r a i nm e t h o d ：t h ed e f o r m a t i o no fs t r u c t u r ew i t h m u l t i s p o tr a t h e rt h a nt h ed e f o r m a t i o no fs i n g l es p o ts i m p l yl i n e a rs t a c k ；a t m u l t i - s p o tw e l d i n gj o i n t s ，t h es m a l l e rt h ed o tp i t c h ，t h el a r g e rw e l d i n gd e f o r m a t i o n g r a d u a l l yb e c o m e ，t h eg r e a t e rt h ed i s t a n c e ，t h e s m a l l e rw e l d i n gd e f o r m a t i o n a p p e a r e d ；t h eg r e a t e rt h ec o lw i d t h ，t h es m a l l e rw e l d i n gd e f o r m a t i o na p p e a r e d ，t h e s m a l l e rt h ed i s t a n c e ，t h el a r g e rw e l d i n gd e f o r m a t i o ng r a d u a l l yb e c o m e f i n a l l y , i t p r o v e st h ei n h e r e n ts t r a i nm e t h o dc a nb eu s e df o rw e l d i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i so f l a r g e s c a l es t r u c t u r eo ft h es p o tw e l d i n g k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ；r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ； w e l d i n gd e f o r m a t i o n ； c o n t a c tp r e l o a d i n g ； e l e c t r i c a l - t h e r m a lc o u p l e d ；t h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e d ； i n h e r e n ts t r a i nm e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密衫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打t c 、，) 学位论文作者签名：宋；i 矧 日期：抽7 p 工3f 指导老师繇了气鸟 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文尝试采用固有应变法来模拟计算点焊接头焊接变形。克服了热 弹塑性有限元法的缺点：计算时间短，不需要多次的迭代：计算精度可靠， 避免了由于缺乏高温热物理性能参数带来的计算误差；工程实用性很高，在 模拟计算大型焊接结构特别有利。 ( 2 ) 本文在模拟计算点焊接头焊接变形过程中，分析探讨了不同的点焊 工艺规范，以及焊点分布对接头焊接变形的影响趋势，对实际生产操作具有 重要指导作用。 泵洲 f zo qc r 口3 了1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 随着科技、经济和文化的高速发展，我国己进入大城市高速建设发展时期。 城市交通问题已经成为直接制约我国各大城市发展的关键问题。发展城市轨道 交通是解决大城市交通问题的主要途径，这一点已成为世界各国政府的广泛共 识【1 1 。目前国内各大城市正在大力推进城市轨道交通建设。在各种型式的城市 轨道交通车辆中，不锈钢轨道客车以其运行单位能耗低、运用综合成本低( 防 蚀措施和不需涂装) 、符合可持续发展战略要求的优势成为城市轨道交通车辆设 备的首选。因此，对轨道不锈钢轨道客车的制造工艺研究显得非常必要，这对 未来不锈钢轨道客车的发展也具有重要指导意义。 不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量分数大于1 2 合金元素 的钢材，他在空气作用下能保持金属光泽，也就是具有不生锈的特性。由于这 类钢中含有一定量的铬合金元素，能是钢材表面形成一层不溶解于某些介质的 坚固的氧化薄膜( 钝化膜) ，使金属与外界介质隔离而不发生化学作用。不锈钢 有普通不锈钢和耐蚀钢两种：在空气或弱介质中能抵抗浸蚀的钢，即可称为不 锈钢：在某些强腐蚀介质中能抵抗浸蚀的钢，即称为耐蚀钢。不锈钢具有很强 的化学稳定性，同时也有足够的强度和塑性，并且在一定的高温和低温下具有 稳定的力学性能。由于不锈钢具有上述特性，广泛的使用在国民经济建设的各 个领域中。它可为化学工业、炼油工业、人造纤维工业、食品、医药及日用品 工业的耐酸、耐碱、耐高压的压力容器装置和储运即运行的槽罐的材料；也可 为电力工业、汽轮机制造行业、船舶工业、航空工业的耐高温和低温的构件； 在航天工业、核工业中又是制造人造卫星、宇宙飞船、火箭和和动力装置等方 面不可取少的材料。 与普通碳钢相比，不锈钢具有以下特点： ( 1 ) 高的电阻率，约为碳钢的5 倍； ( 2 ) 低的热导率，约为碳钢的1 3 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 3 ) 大的线膨胀系数，比碳钢大4 0 ，并随温度的升高而增大。 由于不锈钢的上述特性，在弧焊过程中会引起较大的焊接变形和焊接接头 热裂纹倾向，同时降低了不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能。而又正因为上述特性， 不锈钢很适合于电阻焊。其电阻率高，热导率小，可采用较小的焊接电流，较 短的焊接时间。但由于不锈钢热膨胀系数较大，焊接薄壁结构时易产生翘曲变 形，通常采用偏硬的焊接规范，这样既避免产生较大的翘曲变形又避免了焊接 接头区的软化影响耐腐蚀性能。在目前的城市轨道不锈钢客车生产过程中，普 遍使用自动化的电阻焊工艺来进行整车焊接，仅在采用碳钢材料的部位和点焊 设备无法达到的区域使用弧焊工艺【l 】。因此，对不锈钢的电阻点焊工艺研究就 成为不锈钢轨道客车制造工艺研究的重要环节。 电阻焊是将准备连接的工件置于两电极之间加压，并对焊接处通以电流， 利用工件电阻产生的热量加热并形成局部熔化( 或达到塑性状态) ，断电后，在 压力继续作用下形成牢固接头的一种焊接方法。电阻焊具有以下优点：( 1 ) 热 量集中，加热时间短，在焊点形成过程中始终被塑性环包围，故电阻焊冶金过 程简单，热影响区小，易于获得质量较好的焊接接头。( 2 ) 与铆接结构相比， 重量轻、结构简化，易于得到形状复杂的零件。( 3 ) 电阻焊因机械化、自动化 程度高，可提高生产率，改善工作条件。( 4 ) 表面质量较好，易于保证气密。 电阻焊种类很多，一般可根据接头形式和工艺方法、电流以及电源能量种类来 划分。如图1 1 所示。( 1 ) 按接头形式分为搭接电阻焊和对接电阻焊。结合工 艺方法，这可分为点焊、缝焊及对焊等几类。( 2 ) 按电流或电源能量的种类大 致分为交流、脉冲及直流三类。 电阻点焊过程是一个涉及电学、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接规范 参数的设定、接触面的表面状态、电源的稳定性及工作环境等都会对焊接质量 产生影响。由于点焊形核过程不可见，无论是在焊接期间还是在焊后都无法直 接观测到。点焊的形核、凝固时间极短，同时要求特定而又精确的温度场分布， 焊接条件短时间的波动就会造成严重的后果。电阻点焊和其他的焊接方法一样 都有一个显著特点：采用高度集中的瞬时热输入，其加热和冷却过程是极不均 匀的，其中包含着复杂的冶金物理化学反应和热处理过程，因而形成复杂的瞬 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 态温度场和应力应变场。由于在加热和冷却过程中材料受约束而产生塑性变形， 焊后结构中将残留下永久性的应变，从而产生相当大的残余应力和变形。 图l - i 电阻焊分类 目前电阻点焊以其生产效率高、焊接质量稳定、易实现机械化和自动化等 优点在航空、汽车、机车车辆及轻工家电等工业领域得到了广泛应用。如美国 f 4 - u 飞机上有一百多万个焊点；日本高速地铁车辆每台约有一万个焊点；一辆 轿车至少有5 0 0 0 个焊点，焊缝长达4 0 米以上 2 1 。单个焊点的变形大小将直接 决定整个焊接构件的形状和尺寸精度，并且焊接变形会与焊接构件装配过程中 的其它误差发生耦合、积累和传播，形成大型焊接结构制造的综合偏差，如不 严格控制焊接变形其综合偏差值将会大得惊人。焊接变形误差不仅影响结构的 尺寸精度和外观，而且有可能降低结构的承载能力。对于出现有害的焊接变形， 往往需要花许多工时去矫正，而比较复杂的变形误差，矫正的工作量可能比焊 接的工作量还要大。甚至有时变形误差太大，造成废品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由于焊接变形对产品质量的重要影响，人们对焊接变形进行了大量研究， 希望在焊接生产过程中能有效的预防和控制焊接变形。目前人们主要通过设计 措施( 如合理选择焊缝的尺寸和形式，减少不必要焊缝，合理安排焊缝位置等) 、 工艺措施( 如反变形法，刚性固定法，选择合理的焊接方法和规范以及焊接装 配顺序等) 来预防焊接变形；通过机械矫正法、火焰加热矫正法来控制焊接变 形【3 1 。这些主要还是依靠经验来指导生产。随着时代的发展、科技的进步，仅 仅依靠经验已经远远不能满足现代工业生产的要求了。 随着计算机技术的发展，有限单元法在众多研究领域得到越来越多的应用， 在焊接过程的研究中也起到了特别巨大的作用。实际的生产过程干变万化，而 经验只是在特殊的场合下有效，很难有效指导各种变化的生产过程，人们不可 能对每一种情况都进行试验研究，这样不仅费时费钱而且难以保证数据的准确 性，而有限元技术为我们解决问题带来了希望。利用有限元技术并借助计算机 的强大功能，采用变化的热物理参数，结合准确的单元模型和边界条件，可以 实现复杂的耦合场分析过程，其结果更加精确可靠，在对焊接变形的预测控制 方面取得了较大的进展。 1 2 焊接变形数值模拟研究现状 人们很早就意识到焊接变形对产品质量的重要影响，对焊接变形的研究一 刻都没停止过。在这方面前苏联走在了世界的前列。2 0 世纪4 0 年代，前苏联 的奥凯尔勃洛姆就对焊接变形与应力的起因和分类进行了研究，建立了确定焊 接变形和应力的理论方法，详细地分析了不同焊接条件和焊接规范对焊接变形 和应力的影响，提出了焊接变形和残余应力的影响因素及其控制方法，对金属 结构焊接变形的有关理论也进行了深入研究，并介绍了解决结构焊接变形问题 的大量实践成果【4 1 ，后来，c a 库茨米诺夫在此理论上作了进一步的发展，并 形成了一个较完整的理论体系【5 1 。w a t a n a b e 和s a t o h 从分析焊接条件对焊件收 缩变形的影响入手，分析了焊接热输入和外部约束与收缩变形的关系，并得出 相应的简单关系式。u e d a 等人通过线性加热法也对焊接加热条件与变形间的关 系进行了研刭6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 准确预测焊接变形是对焊接变形进行有效控制的前提。但焊接本身是一个 非常复杂的过程，它所涉及的诸多现象和参数都是瞬时、不均匀分布和高度非 线性的。因此，尽管人们付出了艰苦的努力，到目前为止仍然无法对焊接过程 给出精确的解析解。早期的研究都是建立在不同程度的简化模型上。从总体上 说，这些模型都是以温度场为基础，对材料、几何以及工艺参数进行一定假设， 在特定的条件下进行分析，并通过实验对理论分析的结果进行修正。这种分析 误差较大，在很多情况下只能进行定性的研究【4 1 。真正的焊接变形数值分析法 研究起源于2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代，随着计算机技术的发展，出现了有限差分法、 有限元法、边界元法等数值分析法，正因为它们的出现使对现实焊接过程的模 拟成为可能。 目前，热弹塑性有限元法是应用最为广泛的焊接过程模拟计算方法，它涵 盖了焊接过程的各个方面，包括不同的焊接类型、焊接材料和接头形式，既用 于对焊接变形的分析，也用于分析残余应力、裂纹、疲劳和断裂等。分析中的 热源通常采用：高斯函数、半球状分布函数、椭球形分布函数、双椭球形分布 函数等。材料的热物理和力学性能参数都设为温度的函数，具体的函数关系由 试验确定 7 1 。热弹塑性有限元法在预测焊接结构变形时，必须先进行温度场的 瞬态模拟，然后再将温度场作为一种边界条件或者载荷应用于力学分析中。这 样变形预测分析虽然能预测焊接的全部力学过程 8 】，但精确的热弹塑性分析需 要很长的计算时间。超级计算机模拟简单结构的焊接过程需要数百秒的时间， 普通工作站则需数天。因此，使用热弹塑性有限元法对大型结构的焊接过程进 行精确模拟是不可行的。 1 3 本文研究目的 由于不锈钢大量应用与城市轨道客车车体、车顶、外板、侧墙以及蒙皮等 部件中，且普遍采用s u s3 0 1 、3 0 2 、3 0 4 、2 0 1 、2 0 2 号不锈钢材料。本文以城 市轨道不锈钢客车蒙皮点焊工艺为研究对象，以s u s 3 0 4 不锈钢材料电阻点焊 实例为基础，目的是为大型点焊结构焊接变形寻找一种简便高效准确的预测方 法，准确预测焊接变形，为生产实践提供理论指导。由于客车车体蒙皮大量采 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 用2 m m 和3 m m s u s 3 0 4 不等厚度不锈钢薄板电阻点焊焊接，本文针对这一实际 情况，选取2 m m 和3 m m s u s 3 0 4 不锈钢薄板作为不等厚度电阻点焊研究对象。 通过对现有相关文献的学习分析得出：固有应变法是一种比较理想的预测焊接 变形的方法。目前，固有应变法已广泛应用于大型焊接结构的变形分析工作中， 并以其准确、高效的特点广受青睐。上海交大的汪建华、陆皓等人以及华中科 大的陈传尧、侯志刚等人在这方面做了很多研究工作。固有应变法在缝焊方面 已经得到了比较成熟的应用，但是在点焊结构方面其应用实例鲜有。本文在参 考前人研究成果的基础上，将固有应变法应用于点焊结构，为大型复杂的点焊 结构焊接变形的预测提供一个更为有效、可靠的预测手段。 本文以实际工艺过程为参照，按工艺流程顺序来安排的。点焊工艺流程： 预压接触热电耦合热力耦合。 第一章为绪论，主要介绍选题背景及意义，焊接变形数值模拟现状，本文 研究目的等。 第二章为电阻点焊预压接触分析，主要介绍弹塑性、接触理论，并对不锈 钢电阻点焊接头接触预压过程的力学特性进行分析。 第三章为电阻点焊热电耦合分析，主要介绍热电分析理论，并对等厚度和 不等厚度不锈钢电阻点焊接头热电耦合过程进行分析。 第四章为电阻点焊热力耦合分析，主要介绍热力分析理论，并对等厚度和 不等厚度不锈钢电阻点焊接头热力耦合过程进行分析。 第五章为电阻点焊焊接变形固有应变分析，主要介绍固有应变理论，并对 平板堆焊以及不等厚度不锈钢电阻点焊接头焊接变形过程进行固有应变分析。 第六章为结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章不锈钢电阻点焊预压接触分析 电阻电焊包括预压、通电焊接和锻压三个阶段。预压是电阻点焊过程的第 一阶段，其作用是通过电极压力的作用清除一部分接触表面上的不平和表面氧 化膜，形成物理接触点，在焊件间建立良好的接触和导电通路，为以后焊接电 流的顺利通过及表面原子的键合作好准备【9 】。电阻点焊预压阶段界面接触行为 给定了电阻点焊过程的初始导电区域和初始接触电阻分布，对电阻点焊过程起 始形核位置、熔核形成、喷溅产生、电极烧损及焊点质量都有很大影响，预 压接触分析的结果也直接影响到焊接参数的选定。接触区域的大小和接触压力 的分布形态，直接影响着电阻点焊过程的导电区域和接触电阻分布【1 1 | ，对电阻 点焊过程和焊点质量有重要的影响。在电阻点焊数值模拟过程中，接触分析是 热电分析、热力分析的基础。 本章将利用大型通用有限元分析软件a n s y s 建立不锈钢电阻点焊预压接 触分析阶段的有限元模型，对锥形电极条件下相同板厚和不同板厚点焊的预压 接触行为进行弹塑性分析，为点焊过程的热电、热力分析提供较为准确的初始 条件，以实现点焊过程的精确模拟和质量的有效控制。 2 1 弹塑性接触有限元分析理论 2 1 1 弹塑性有限元分析理论 对于弹塑性材料来说，应力和应变之间并不存在唯一的对应关系，而是依 赖于变形的过程。目前描述弹塑性变形规律的理论主要分为全量理论和增量理 论两种，应用较为广泛的是增量理论，它可真实地反映材料的塑性行为。在增 量理论中，材料的塑性行为一般是由初始屈服条件、流动准则和硬化准则来描 述的【1 2 】。 ( 1 ) 屈服条件 初始屈服条件规定了开始塑性变形的应力状态。对于各向同性材料，在一 般应力状态下塑性流动的条件如式( 2 1 ) 所示： f o ( ) = 0 ( 2 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 式中，f o 为初始屈服函数；为应力张量分量。 对于金属材料通常采用vm i s e s 条件，初始屈服函数在三维空间中可表示 为： f 。= 丢( s ：+ s ，2 + s ；+ 2 f 刍+ 2 f 刍+ 2 f 三) 一三仃，。 ( 2 2 ) 式中，偏斜应力张量s = q 一 ( 吒+ q + 吒) ，f - - x ，砂2 ，2 ，乞2 分别是 剪切应变量；仃s d 为材料的初始屈服应力。 ( 2 ) 流动准则 流动准则定义了单个塑性应变分量随屈服而发展的过程。流动准则规定了 塑性应变增量的分量与应力分量以及应力增量与分量之间的关系。流动准则假 设塑性流动应变增量可从塑性势函数q 中导出，塑性势q 是应力状态和塑性应 变的函数，即： 蟛瑚署 协3 ， 式中，如乡是塑性应变增量的分量；d 2 为待定有限量，其具体数值和材料的硬 化准则有关。 对于稳定的应变硬化材料来说，q 通常取为后继屈服函数f ，称之为和屈 服函数相关联的塑性势。对于关联塑性情况，流动准则可表示为： 蟛= 以蔷 4 ， 式中，f 为后继屈服函数。 ( 3 ) 硬化准则 硬化准则规定了材料进入塑性变形阶段后的后继屈服条件或加载条件。对 于应变硬化材料，随着塑性变形的发展，加载面不断变化。因此，需要定义硬 化准则来判断屈服面以何种方式发生变化。后继屈服条件不仅与应力状态有 关，而且还取决于塑性应变及其历史，可表示为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 f ( c r u ，h 口) = 0 ( 2 5 ) 式中，h 。( 以= 1 , 2 ，) 是与塑性变形及其历史有关的参数，可以是塑性应变矢量、 塑性功或等效塑性应变的函到1 3 1 。 本文采用各向同性硬化法则，当材料进入塑性变形以后，加载曲面在各方 向均匀的向外扩张，但其中心及其在应力空间中的方位均保持不变。采用v m i s e s 屈服条件，则各向同性硬化的后继屈服函数可以表示为： f ( c r f ，k ) = f k = 0 ( 2 6 ) 热 厂= 知尼= 了1 仃；( i ) 仃，是的弹塑性应力，它是等效塑性应变占口的函数。 i = p i = ，( 詈d 占沁岁) ( 2 7 ) 材料的塑性模量，又称硬化系数，表示为： 驴鲁 协8 ， 它和弹性模量e ) x 及t t - j 向模量e r ( = a 吖弛) 的关系为： 驴矗 协9 ， ( 4 ) 弹塑性应力应变关系 弹塑性变形可以归纳为增量理论和全量理论两大类，应力与应变之间不存 在线性关系。增量理论所建立的应力应变关系以应变增量为基础，又称流动理 论；全量理论所建立的应力应变关系是以应变全量为基础，又称形变理论。 对于各向同性硬化材料，根据vm i s e s 流动准则可推导出弹塑性应力应变 的增量关系，如公式( 2 1 0 ) 所示【1 2 , 1 4 1 ， d o ) = 玩 d e ) ( 2 - l o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 中，d 印= d p d p ， 破= 熹 犀= 赫 上兰j _ j _ ooo 1 2 v 1 一2 v 1 2 v 上旦上00 0 l 一2 yl 一2 yl 一2 y j _ j l 上兰oo o s y s z s y s z s 0 碍s 0 妮s 0 蕊 s 9s 碍s 够zs 强 支s 哆s 扎z s 强 嘎乃每弓蔓乃豸z x y z y z 岛磊 每易丐磊巧易i x y t y z豸磊 戈乞每幺乏易z x y t z x r y z z z x 看 塑性应变增量如式( 2 1 1 ) 所示： 喵瑙盖硼s u ( 2 1 1 ) 式中d旯2百药了觋sgjde_fj ，等效塑性应变增量如式( 2 - 1 2 ) 所示： ：( 占彳 ：枞b 岳盖产沁 池2 ， 2 1 2 接触问题有限元分析理论 接触问题是一种高度非线性行为，存在两大难点：其一，在问题求解之前 0 0 1 2 0 l 一2 0 1 2 0 0 0 0 o 0 0 o 0 n u n u 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 并不知道接触区域分布，表面之间是否接触是未知的、突然变化的，其随载荷、 材料、边界条件和其它因素而定：其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几 种摩擦模型供选择，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛变得困难。 在接触分析中，如果接触体只发生弹性变形，则有限元基本方程中的刚度 矩阵是常值；而当接触体内部发生了塑性变形，则此时的接触分析需要考虑材 料塑性非线性以及接触边界非线性，刚度矩阵不再是常值，是应力应变状态和 屈服强度的函数。h e r t z 等人系统地研究了弹性接触问题，提出了经典的h e r t z 弹性接触理论。对于复杂的接触问题，h e r t z 理论不再适用，甚至难以用解析式 表示【15 1 。 计算机技术的发展为利用有限元方法来分析求解接触问题提供了一个有效 的途径。基本思路如下：对于两个弹性接触体进行有限元离散，根据经验和具 体情况对初始的接触边界条件进行假设，其有限元方程可写成： 医。 妙。 = 僻) 亿 式中，医1 是对应于初始接触状态的刚度矩；妙。) 是节点位移向；僻) 是 相应的载荷向量。 由式( 2 1 3 ) 可求出节点位移妙。) ，再求出接触点的接触内力忸。) 。然后 将妙。) 和 r 。) 代入对应于初始接触状态的接触条件中进行接触状态检验，若不 满足接触条件，则修改其接触状态，再进行下一次迭代。按照修改后的接触状 态得到新的刚度方程为： k 2 妙2 = 波 ( 2 一1 4 ) 再由式( 2 1 4 ) 求出节点位移妙：) 和接触内力 r ：) ，再代入接触条件中， 判断和修改接触状态。按照这样进行循环，直到p 。 和 r 。) 满足对应接触状态 的接触条件时得到的解，即为所要求的真实接触状态的解16 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 2 2 不锈钢电阻点焊预压接触有限元模型 2 2 1 建模假设条件 由于工件表面的磨损，氧化膜，油污，吸附的气体层等因素的影响，使得 工件接触面上的微观呈现凹凸不平的状态。同时由于电极的磨损和氧化，也会 产生坑蚀，呈现凹凸不平的现象，使得电极一工件接触面以及工件之间的接触 面上接触压力分布不均匀，为简化问题需做如下的假设： 铜合金电极和不锈钢焊材均为均质、各向同性双线性强化材料，遵循vm i s e s 屈服准则、vm i s e s 流动准则和各向同性硬化准则： 工件表面和电极端面是光滑、连续的，接触均为无滑动的面面接触。 电阻点焊机的压力机构将电极压力均匀地施加于电极轴截面上； 电极和工件简化为轴对称平面结构。 2 2 2 实体模型及边界条件 电阻点焊预压接触分析模型如下图1 1 所示，工件厚度i j = 2 m m ，工件半径 f i = 2 0 m m ，锥形电极尺寸a b = h c = 6 m m ，f e = g h = 4 m m ，g f = e h = 10 m m ， c d = 4 m m 。 边界条件如下：对边界a b 上所有节点的轴向自由度进行藕合，使其具有 相同的轴向位移，并均匀地施加电极压力f ：模型为对称结构，对边界g o 上 所有节点施加径向位移约u x = 0 ：对边界n l 上所有节点施加轴向位移约束 u y = 0 ； 2 2 3 有限元模型 考虑到模型的轴对称性，从a n s y s 单元库中选用结构分析实体单元 p l a n e 4 2 ，通过设置参数对模型中的线和面进行网格剖分，再对模型划分网格。 在进行有限元计算时，单元的划分密度与计算结果密切相关。若网格过于 稀疏，不仅计算结果不准确，甚至有可能包含严重错误；单元密度越高，计算 精度也越高，但如果网格过于细密，将花费很长时间，浪费计算资源，同时也 无益于精度的提高。为了兼顾数值计算的精度和速度，在工件之间的接触区、 电极与工件的接触区及其附近区域网格划分的较细，其它区域划分的较粗。由 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 于模型的轴对称性故取其一半来建立实体模型，这将在保证精度的前提下简化 模型，有利于提高计算速度。电阻点焊预压接触分析有限元网格模型如图2 所 示。单元数2 3 4 0 ，节点数2 3 5 0 。 图1 1 预压分析实体模型图1 _ 2 预压分析有限元网格模型 接触对单元是覆盖在接触界面上的一层单元，是由接触单元和目标单元组 成的，目标单元和接触单元的识别是通过共享实常数号对应起来。在工件变形 过程中，一旦确定了可能的接触面，并定义接触单元和目标单元后，则接触单 元和目标单元将跟踪材料的变形和运动。 a n s y s 中将接触问题分为两个基本类型，刚体一柔体的接触和柔体一柔体 的接触。点焊过程中在电极压力作用下，相互接触的两类表面即电极一工件、 工件一工件具有相同或相近的接触刚度，且均会产生变形。因此电极一工件和 工件工件的接触属于典型的柔体与柔体的接触问题。在分析过程中，在电极 端面和工件的接触表面上附加面一面接触单元，并指定电极端面为接触面采用 c o n t a l 7 1 单元，与电极端面接触的工件表面为目标面采用t a r g e l 6 9 单元。 对于工件一工件接触对来说可任意定义其中一个面为接触面另一个为目标面。 如图1 - 2 所示，共有三个接触面。 2 3 材料力学性能参数及点焊参考规范 本文工件材料为s u s 3 0 4 不锈钢，电极材料为铜c r - z r - c u ，假定材料都是 匀质、各向同性硬化材料。两种材料室温下的力学性能参数密度p 、屈服强度 0l；ti 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 仃，、弹性模量e 、应变硬化模量巨、泊松比y 以及不锈钢点焊参考规范见下表 所示。 不锈钢的电阻率大，热导率小，可采用较小的焊接电流，较短的通电时间。 由于电阻率大，减小了通过已焊焊点的分流，客适当减小点距，不锈钢线膨胀