（材料加工工程专业论文）az31镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟.pdf

中文摘要 中文摘要 随着汽车制造业的快速发展，节能减排己成为汽车工业中的一个重要课题，因此镁 合金在汽车制造业中有着广阔的应用前景。电阻点焊是汽车制造过程中最常用的焊接方 法之一，因此对镁合金逆变点焊的熔核形成过程进行数值模拟，将有益于制定合理的点 焊工艺参数、提高点焊质量，同时也对推动镁合金在汽车工业中的广泛应用具有重要意 义。 本文根据弹塑性理论和接触理论，针对点焊接头的几何特点和点焊过程的加热特点 建立了分析镁合金逆变点焊预压接触阶段应力场的轴对称有限元模型，模拟了预压阶段 的接触行为，确定了接触面上的初始导电区域，并给出了接触面上接触压力的分布状态， 同时也分析了各种因素对接触压力的影响。测试了镁合金逆变点焊过程中的接触电阻， 并分析了接触压力以及工件表面状态对接触电阻的影响。在预压接触分析的基础上，建 立了描述镁合金逆变点焊熔核形成过程力、热、电耦合行为的轴对称有限元模型。在模 型中考虑了材料性能随温度变化的情况，也考虑了接触电阻、相变潜热以及冷却水散热 和表面空气散热等因素的作用，分析了镁合金逆变点焊过程中接触区域的变化以及接触 面上接触压力、电流密度、温度等因素的分布，并在此基础上分析了熔核尺寸的变化过 程。在与数值模拟相同的试验条件下对a z 3 1 镁合金进行了逆变点焊试验，测量了点焊 熔核的偏移量，并将测量结果与数值模拟的结果进行了对比。 结果表明：在本数值模拟条件下，电极与工件间接触面半径等于电极端面半径，工 件间接触面半径接近6 0 m m ；接触电阻随电极压力的增大而减小；点焊过程中接触压力、 温度和电流密度都是动态变化的，接触压力较大的位置其电流密度较大，温度也较高， 预压接触压力的峰值点为熔核的初始形成位置；逆变点焊机输出电流为直流，温度场表 现为不断扩张的特点；熔核沿径向扩展的速度大于其沿轴向扩展的速度，并且在初始熔 核刚形成时，其径向尺寸就已经接近实际熔核的尺寸；当焊接电流大于1 9 k a 时，试验 测得的熔核偏移量与数值模拟结果基本一致。 关键词：a z 3 1 镁合金；逆变点焊；熔核；数值模拟 a z 3l 镁合金逆变点焊熔核形成过科数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , m a g n e s i u m a l l o yh a sa v a s tp o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n ，b e c a u s ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b je c t b e c a u s eo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g i so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dw e l d i n gm e t h o d si nt h ep r o c e s so f a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ef o r m a t i o no f m o l t e n c o r eo fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gw i l lb eb e n e f i c i a lt od e c i d et h ep r o p e r t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，i m p r o v eq u a l i t yo fs p o tw e l d i n g ，a n dt op r o m o t et h e w i d e ru s eo f m a g n e s i u ma l l o yi na u t o m o b i l ei n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ee l a s t o p l a s t i ct h e o r ya n dt h ec o n t a c tt h e o r y , c o n s i d e r i n g t h eg e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i ci nw e l d i n gp r o c e s s ， a x i s y m m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs t r e s sf i e l di np r e l o a d i n gc o n t a c ts t a g e a b o u tm a g n e s i u ma l l o y ss p o tw e l d i n gi n v e r t e ri se s t a b l i s h e d i ts i m u l a t e dt h e c o n t a c tb e h a v i o r , g o tt h ei n i t i a lc o n d u c t i v ea r e aa n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n s t a t eo nt h ec o n t a c ts u r f a c e s ，a n da l s oa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo nt h ec o n t a c t p r e s s u r eb yv a r i o u s k i n d so ff a c t o r s t h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo fi n v e r t e r s p o t w e l d i n gp r o c e s so fm a g n e s i u mw a st e s t e d ，a n d t h ei n f l u e n c eo ft h e c o n d i t i o no fw o r k p i e c es u r f a c ea n dc o n t a c tp r e s s u r ew a sa n a l y z e d b a s e do nt h e a n a l y s i s o f p r e l o a d i n g c o n t a c t ， a na x i s s y m m e t r i c f i n i t ee l e m e n t e l e c t r o t h e r m o m e c h a n i c a lm o d e li nt h ef o r m a t i o no f m o l t e nc o r eo fr e s i s t a n c e s p o tw e l d i n go fm a g n e s i u mi s e s t a b l i s h e d i nc o n s i d e r a t i o no ft h em a t e r i a l p e r f o r m a n c em o d e lw i t ht e m p e r a t u r ec h a n g e sa n dt h ec o n t a c tr e s i s t a n c e ，l a t e n t h e a to fp h a s ec h a n g e ，a n dh e a td i s s i p a t i o nb yc o o l i n gw a t e ra n da i r , w ea n a l y z e t h ec h a n g e so fc o n t a c ta r e aa n dt h ed i s t r i b u t i o no fc o n t a c tp r e s s u r e ，c u r r e n t d e n s i t ya n dt e m p e r a t u r eo nc o n t a c ts u r f a c e b a s e do nt h er e s u l ta b o v e ，w em a d e af u r t h e ra n a l y s i so nt h ec h a n g e so fn u c l e a rd i m e n s i o n s at e s tf o ri n v e r t e rs p o t w e l d i n go f a z 31m a g n e s i u ma l l o yw a sd o n eu n d e rt h ec o n d i t i o nw h i c hi ss a m e w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e a s u r e dt h eo f f s e to fn u g g e ta n dc o m p a r e dw i t h t h en u m e r i c a ls i m t j l a t j o nr e s t l l t s 一 a z 3 1 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 _ 二二_ 二二二二= 二= = = = 三二= ：= = 一 t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h er a d i u so fc o n t a c ts u r f a c eb e t w e e ne l e c t r o d ea n d w o r k p i e c ea r ee q u a lt oe l e c t r o d e sa n dt h eo n eb e t w e e n w o r k p i e c ei sc l o s et o 6 0m m ；c o n t a c tr e s i s t a n c ei s d e c r e a s i n gw i t hp r e s s u r ei n c r e a s e s ；t h ec o n t a c t p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dc u r r e n td e n s i t ya r ed y n a m i cc h a n g e ，t h es p o tw h i c h h a sal a r g e rc o n t a c tp r e s s u r ea l s oh a sg r e a t e rt e m p e r a t u r ea n dc u r r e n td e n s i t y , a n dt h ep e a k so fc o n t a c tp r e s s u r ei st h el o c a t i o nw h e r et h e n u g g e tf i r s tf o m s ： t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l di se x p a n d i n gu n d e r d i r e c tc u r r e n t ；t h eb r o a d e n i n g o fn u g g e ta l o n gr a d i a ld i r e c t i o ni sf a s t e r , a n dt h er a d i a ld i m e n s i o n h a sc l o s e dt o t h ea c t u a ls i z ew h e nt h e n u g g e tf i r s tf o r m s ；t h eo f f s e to fn u g g e ti nt h e e x p e r i m e n ti ss a m ew i t ht h en u m e r i c a ls i m u l m i o nr e s u l tw h e nw e l d i n gc u t r e n t i sg r e a t e rt h a n19 k a k e y w o r d s ：a z 3 lm a g n e s i u m a l l o y ； s i m u l a t i o n i n v e r t e rs p o tw e l d i n g ；n u g g e t ；n u m e r i c a l l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 镁合金电阻点焊研究现状1 1 2 电阻点焊过程数值模拟的研究现状。3 1 3 研究内容与目的6 第二章预压接触应力场数值模拟9 2 1 有限元方法中的接触理论9 2 2 有限元方法对接触问题的分析1 1 2 3 预压接触分析有限元模型的建立l2 2 3 1 建模的假设条件一12 2 3 2 有限元模型的建立1 3 2 4 预压接触应力场数值模拟结果1 7 2 5 镁合金逆变点焊预压接触行为的影响因素及规律1 9 2 6 本章小结2 2 第三章接触电阻的测量与分析2 5 3 1 试验设备与材料2 5 3 2 接触电阻的测量方法2 7 3 3 测量结果与分析2 7 3 4 本章小结3 0 第四章点焊熔核形成过程数值模拟3 l 4 1 镁合金逆变点焊过程简述31 4 2 建立镁合金逆变点焊过程的有限元模型3 3 4 2 1 点焊热源简介3 3 4 2 2 点焊过程的基本方程3 3 4 2 3 点焊问题的简化与假设3 5 4 2 4 数值模拟几何模型的建立、网格划分以及边界条件的设定3 6 4 3 数值模拟过程中参数的处理3 9 4 3 1 对接触电阻的处理3 9 4 3 2 对相变潜热问题的处理3 9 4 3 3 对材料性能参数的处理一4 0 a z 31 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 4 4 熔核形成过程的数值模拟4 2 4 5 本章小结4 4 第五章熔核形成过程数值模拟结果分析及试验研究4 5 5 1 熔核形成过程数值模拟结果的分析4 5 5 1 1 力学分析4 5 5 1 2 温度场分析4 8 5 1 3 接触面上电流密度的分布5 l 5 2 数值模拟结果的试验研究5 2 5 3 本章小结5 4 第六章结论5 7 参考文献5 9 致 射6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录6 5 第一章绪论 第一章绪论 镁合金材料的研究和应用前景非常广阔。随着工业技术的发展、能源及环境污染问 题的日益严重，对汽车等交通工具性能的要求也越来越高，而降低结构的重量则是提高 其性能的有效措施之一。镁合金具有比重轻、比强度高、重复利用性强等优点，故被誉 为二十一世纪最有发展潜力的基础材料之一【。据相关研究表明，汽车的重量每增加 1 0 0 k g ，其百公里油耗量将增加0 7 l 1 2 1 。出于节能与环保的需要，汽车设计专家通过各 种方法减轻汽车车体的重量，从而达到减少汽油消耗量和废气排放量的双重效果。镁合 金作为目前最轻的结构材料，能够满足日益严格的节能及尾气排放的要求，可以生产出 重量轻、耗油量少、环保型的新型汽车p j 。 镁合金的应用与镁合金焊接技术的发展是相辅相成的。随着镁合金应用量的不断增 加，镁合金的焊接问题也逐渐成为研究的焦点，是镁基材料应用的关键技术之一【4 l 。镁 合金在汽车制造业中的应用是汽车应用材料的一个新的发展方向，而汽车上的镁合金结 构件也多数要求焊接，并要求焊缝具有良好的机械性能。电阻点焊作为一种高效的薄板 结构连接方法被广泛应用于汽车工业中【5 6 l ，它具有机械化自动化程度高、生产效率高、 焊接质量可靠等特点。据不确切统计，一辆小轿车的壳体制造就需5 0 0 0 1 0 0 0 0 个焊点。 采用电阻点焊对a z 3 1 镁合金进行焊接时，选用合适的电极压力、焊接电流、焊接时问 等点焊工艺参数对镁合会薄板进行电阻点焊，可以得到质量较好的焊点，其力学性能也 能够达到要求。通过合理调整点焊工艺，还可以防止个别试件中裂纹、飞溅等缺陷的产 生，从而得到高质量的焊点，这些都使得镁合金取代铝合金在汽车工业中的应用成为可 能【”。因此，对镁合会电阻点焊进行研究是非常有必要的，将有益于改善镁合金的点焊 质量，奠定其在实际中应用的基础，从而促进镁合金在汽车制造业以及其它行业中的广 泛应用。 1 1 镁合金电阻点焊研究现状 电阻点焊是镁合金众多连接方法中具有较大潜力的一种，它是一种将焊件压紧在两 个柱状电极之间，然后再通电加热，使焊件在接触处熔化形成熔核，然后断电，并在压 力下凝固结晶，形成组织敏密的焊点的焊接方法。电阻点焊时熔核周围被高温塑性金属 坏包围，与外界气体隔绝，防止空气中气体与熔核中的金属发生冶金反应，以保证熔核 成分基本不变，从向实现在无保护气体条件下进行焊接瞵j 。 1 镁合金电阻点焊的特点 由于镁合金物理、化学性质的特殊性，其电阻点焊工艺具有以下特点： a z 31 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 ( 1 ) 镁合会具有良好的导电性和导热性，在点焊时需要在较短的时间内通过较大 流，所以要求焊机功率比较大。 ( 2 ) 镁合金的常温强度高，且镁合金表面极易氧化。由于表面氧化膜的存在，使 合金工件的表面具有较大的接触电阻，而强大的焊接电流在点焊瞬间通过工件间接 时，使得接触面上出现局部电流密度过大而瞬间熔化，从而容易出现飞溅和电极粘 现象1 9 j ，影响焊件表面质量并会使电极的使用寿命下降。 ( 3 ) 断电后，熔核开始冷却，由于导热性好，线膨胀系数大，熔核收缩块，易引 孔及裂纹等缺附1 0 】。 ( 4 ) 镁合金点焊对规范的敏感性比较大，加热时间稍有变动就有可能造成飞溅、 太小以及未焊透等缺陷，因此要求点焊机的控制线路精确度高，从而保证通电和休 间的准确性。 ， ( 5 ) 点焊时的形核处于封闭状态，属于动态变化过程。随着加热的不断进行，熔 产生从无到有、从小到大的变化，熔核尺寸无论是在焊接期间还是在焊后都无法直 测，因此，点焊质量监控和检测难度都比较大。 从总体上来说，电阻点焊是一种负载剧烈并且大范围变化但持续时间却比较短的通 程。为了使焊接电流达到设定要求，就必须要求焊接电流控制系统响应快、控制精 、适应性强、鲁棒性好【l 。 2 逆变点焊方法的优越性 近年来随着新材料、新工艺的发展，对点焊的质量和控制提出了新的更高的要求。 镁合金点焊的特点，要求点焊过程更加稳定、可靠，焊接输入能量必须可精密控制， 得质量可靠、表面美观、尺寸符合要求的焊点。逆变点焊机具有高频带来的一系列 ，符合新材料、新技术发展对点焊提出的新要求。逆变电阻点焊具有输出电流平稳 ，加热过程平缓稳定，焊接过程产生飞溅小，接头表面成形优良这一系列的优点 另外，用逆变焊机进行点焊时，各规范参数允许的波动范围较宽，即逆变焊机的焊 量对规范参数的波动不敏感，在较宽的范围内均可获得良好的焊接质量，其在应用 有取代交流点焊的优势，因此研究镁合会的逆变点焊具有极大的经济和科研价值。 在焊接电源方面，目前对镁合金电阻点焊多做的研究中，使用的多是交流电源，很 在使用直流电源的情况下对镁合金电阻点焊工艺进行的研究，尤其是逆变电源，几 没有在这方面的应用。根据镁合会电阻点焊的特点，要保证获得质量优良的焊点， 求焊接电源符合镁合金电阻点焊过程中对焊接电源性能的相关要求。由于逆变技术 崩，一方面逆变电阻点焊机具有响应速度快、体积小、质量轻、功率因数高，节约 2 第一章绪论 能源等特点f 1 3 1 ；另一方面逆变式电阻点焊电源具有可精密调节焊接能量，输出电流平稳 连续，加热过程平缓稳定，焊接过程产生飞溅小，接头表面成形优良以及效率高等一系 列优点【1 2 , 1 4 】，符合镁合金电阻点焊时对电源的要求，有利于对点焊质量的控制，这就使 得镁合金逆变点焊具有了广阔的应用前景。 3 研究现状 当工件的材料性能、尺寸及点焊规范一定的情况下，其点焊质量则由点焊设备的工 艺性能来决定，由此可知研究逆变点焊机下a z 3 l 镁合金的点焊工艺具有重要意义。 目前已经有很多焊接工作者对镁合金电阻点焊进行了深入的研究，包括其工艺参 数、组织性能、点焊缺陷等，然而这些研究多采用的是交流点焊机，例如：美国焊接研 究所采用电阻点焊( r s w ) 的方法焊接了铸造镁合金合金a z 9 1 和a m 6 0 ，并获得了质量 良好的点焊接头【1 5 】。a m u n i t z ，gk o h n 和c c o t l e r 对镁合会电阻点焊接头的微观组织 进行了深入研究，并根据研究结果得出了一些比较合理的点焊工艺参数【l 引。范伟光、马 天风、程艳艳【1 7 1 在工频d n 1 0 0 型单相交流电阻点焊机上对a z 3 1 b 镁合金进行了一系 列的点焊试验，确定了其工艺参数，并对点焊接头进行了力学性能试验和组织分析。郎 波、孙大千、任振安等【l8 1 采用三相次级整流点焊机实现了a z 3 1 b 镁合金薄板的点焊， 研究了点焊接头的微观组织和相组成。王亚荣、张忠典、冯吉才【押j 分别采用d n 1 0 0 工、 频单相交流点焊机和b e 1 0 0 型逆变点焊机对a z 3 1 b 镁合金进行了电阻点焊，分析了点 焊接头的组织形态，并研究了点焊工艺参数对点焊接头组织形态的影响。另外，王亚荣 和张忠典【9 1 还研究了用交流点焊机焊接的a z 3 1 镁合金点焊接头中的裂纹、焊接喷溅以 及电极粘附等主要缺陷的形成原因和对点焊质量的影响。由于镁合金表面很容易发生氧 化，点焊前一般都要进行一定的表面清理，因此也有部分学者研究了镁合金点焊时不同 表面清理方式对其点焊质量、点焊缺陷等方面的影响。 由于逆变点焊机应用时间较短，而测试其工艺性能时也多采用钢等点焊工艺比较成 熟的材料，因此采用逆变点焊机的镁合金的电阻点焊工艺则研究较少。 1 2 电阻点焊过程数值模拟的研究现状 电阻点焊过程的焊接时间非常短，一般为几百毫秒，因此电阻点焊过程具有瞬时性； 工件的点焊足山力、热、电等因素共同作用的结果，因此电阻点焊过程足一个涉及到多 个参数的耦合的复杂过程；而电阻点焊的熔核区很小，并且是完全封闭的，这就使得对 电阻点焊过程的动念观测和质量监控变得十分凼雄。由于电阻点焊自身的特点，要确定 一种材料的合理的电阻点焊工艺参数就必须对其进行大量的工艺试验，很足浪费人力和 物力资源。随着科学技术的进步，计算机的应用水甲不断提高，而有限差分法、有限元 3 果表明：快速加热条件下，在电极周边下方会形成环状的熔核【2 。w r i c e 等建立了一 维差分数学模型，并对碳钢的电阻点焊过程进行了数值模拟。在该模型中引进了接触电 阻，并考虑了温度对接触电阻的影响，接触电阻与温度的经验关系公式如下【2 2 】： r ：0 0 0 0 0 1 3 5 e o 删t 一3 0 + 0 0 0 0 0 0 4 5 ( 1 1 ) 式中，r c 为接触面上的接触电阻( q ) ；t 为界面的平均温度( ) 。a eh o u c h e n 等建 立了热、电耦合一维数学模型【2 3 1 ，模型中考虑了电阻点焊过程中温度变化对材料的性能 参数和电阻率的影响以及电阻率的变化对电流密度的影响，实现了电阻点焊过程的热、 电耦合分析。z h a n 等建立了二维轴对称差分数学模型【2 4 】，在该模型中考虑了材料性 能参数随温度的变化，假定电极与工件间的接触电阻为零，而工件间的接触电阻则与接 触压力呈线性关系，其关系式如下： 成= 1 5 ( 1 0 0 0 2 11 5 f )( 1 - 2 ) 4 第一章绪论 式中，风为接触电阻率( q m ) ，f 为电极压力( n ) 。h a n i e d 运用有限元方法建 立了力、热、电耦合二维轴对称模型1 2 引，模拟了电阻点焊过程中的加压、焊接和维持三 个阶段，通过数值计算获得了电阻点焊过程中的应力分布、温度分布、电势分布和熔核 的形状等结果。j a m i l a k h a n 等建立了三维热模型【2 们，并对铝合金的电阻点焊过程进 行了数值模拟，分析了焊接电流和接触电阻对其形核与液态熔核区流动行为的影响。 b r o w n e 等【2 7 】为了对铝合金电阻点焊过程进行数值模拟研究而建立了混合数学模型，即 用有限元差分模型模拟其热电行为，而采用有限元模型模拟其力学行为。在数值模拟过 程中，假设工件间的接触电阻为定值，忽略电极与工件问的接触电阻、接触面的变化及 变形等因素，分析了分流对电阻点焊过程的影响。 在国内，随着数值模拟技术的不断完善，从2 0 0 0 年起我国的很多科研工作者对电阻 点焊过程进行了数值模拟，使之成为焊接领域研究的热点。由于各种研究成果众多，在 这里只做部分介绍。曹彪等建立了二维轴对称有限元模型1 2 8 1 ，在模型中考虑了电阻点焊 过程中接触面的变化以及接触压力对接触电阻的影响。接触电阻采用下式进行计算： r 。= k 。h ( t ) p 1 ( 1 - 3 ) 式中，r e 表示接触电阻( q m ) ；k c 表示材料性能和膜性能的综合系数，且在常温下 为常数；p 表示接触压力( n ) ；m 表示膜破碎因子。常保华，都东等【2 9 j 应用大型有限元 分析软件a n s y s ，建立了铝合金电阻点焊过程数值模拟的有限元分析模型，考察了焊 接过程中电极与试件界面上接触半径的变化以及电极尖端表面上电极压力、电流密度和 温度的分布。模拟结果表明，所考察的焊接条件下，接触半径在焊接过程中逐渐增大， 电极端面的中部温度最高，而电极压力和电流密度均在接触区边缘集中。林莉莉，韩华 伟等【3 0 】利用a n s y s 有限元软件建立了热、电耦合有限元模型，并进行了点焊瞬态热过 程数值模拟分析。模型中考虑了材料特性参数随温度的变化、相变潜热以及对流边界条 件等因素，并对接触电阻进行了简化。应用该模型可以模拟点焊熔核的形成过程，最终 可以得到点焊接头的温度场及任意点的加热历程，并求得了熔核和热影响区的形状和尺 寸。杨敬雷f 引l 采用a n s y s 有限元软件建立了电阻点焊预压接触分析的轴对称有限元模 型和力、热、电耦分析轴对称有限元模型，对铝合金电阻点焊熔核的形成过程进行了数 值模拟，模型中考虑了材料性能随温度的变化以及相变潜热等，定量分析了铝合金点焊 过程巾的接触面、电流密度和温度场的变化规律。步贤政，罗震等1 3 2 j 采用a n s y s 有限 ，亡分析软件建立铝合金电阻点焊过程的有限元分析模型，模拟了电阻点焊过程温度场的 变化情况，揭示了铝合金点焊过程中的熔核产生、形成及长大过程，对在热载荷和电极 压力作用下焊点残余应力的分布情况分别进行分析。王亚荣、张忠典等1 3 3 i 建立了力、热、 a z 31 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 合二维轴对称有限元模型，对a z 3 1 镁合金电阻点焊的过程进行了数值模拟，在模 引入显微接触电阻理论对接触电阻进行了处理，分析了镁合金电阻点焊过程中温度 分靠以及其塑性变形过程，最后得以给出了点焊过程中内部喷溅产生的原因。 1 3 研究内容与目的 众所周知，电阻点焊过程中，点焊熔核的形态和尺寸对点焊质量有着重要的影响， 采用数值模拟的方法研究镁合金逆变点焊过程中熔核的形成过程具有重要的科学 和经济价值。本文在总结、分析镁合金应用现状及前景、镁合金点焊技术与其数值 技术研究现状的基础上，确立了本文的研究内容与目的。 本论文的研究内容： 镁合会的逆变点焊过程包括预压、通电加热、维持和休止四个阶段，其中预压和通 热两个阶段对点焊熔核的形成过程影响较大，因此本文主要针对这两个阶段进行数 拟分析。 ( 1 ) 在电阻点焊的预压阶段，工件仅受到电极压力的作用，因此只对这一阶段进 学分析。根据弹塑性力学理论，结合镁合金逆变点焊过程中预压阶段的接触行为特 使用a n s y s 有限元软件建立轴对称有限元模型，对镁合金电阻点焊预压阶段的接 为进行数值分析，研究锥形电极条件下预压阶段的接触行为，即接触压力的分布规 工件的变形等，为其电阻点焊过程的热电分析提供比较准确的初始条件，并分析电 力、电极端面半径、工件厚度等因素对预压接触行为的影响。 ( 2 ) 在电极与工件间、工件问的接触面上存在着接触电阻，接触电阻对通电加热 初期热量的生成有着非常重要的影响，因此在通电加热阶段的数值模拟过程中必须 虑接触电阻的作用。采用试验的方法测量初始阶段的接触电阻数值，分析电极压力 件表面清理状态对接触电阻的影响。 ( 3 ) 逆变点焊通电加热阶段的情况比较复杂，点焊过程中受到力、热、电三者的 作用，因此使用a n s y s 有限元软件建立力、热、电耦分析二维轴对称有限元模型。 型中考虑变形、接触面的变化、接触电阻、冷却水对电极的冷却作用和工件与电极 在空气中的散热等因素对热电分析的影响；考虑温度对材料性能以及接触电阻的影 接触压力的变化对接触电阻的影响。分析a z 3 1 镁合金逆变点焊过程中接触压力、 和电流密度的分布规律以及接触区域大小和熔核尺寸的变化。 ( 4 ) 采用与数值模拟中相同的焊接条件，对a z 3 1 镁合会进行逆变点焊工艺试验， 其熔核偏移量，并与数值模拟中得到的结果相比较，以验证数值模拟结果的准确性。 本论文的研究目的：建立锥台形电极条件下描述a z 3 l 镁合金逆变点焊过程中力、 6 第一章绪论 热、电的耦合作用的有限元模型；使用a n s y s 有限元件对a z 3 1 镁合金的逆变点焊熔核 形成过程进行数值模拟；分析点焊过程中的力学行为、热学行为以及电学行为；分析镁 合金逆变点焊熔核的形成过程；采用试验的方法验证数值模拟结果的可靠性。 a z 31 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 8 第二章预压接触应力场数值模拟 第二章预压接触应力场数值模拟 预压阶段在逆变点焊过程中的作用是通过电极压力消除接触面上的不平和破坏镁 合金工件表面的氧化膜，使电极与工件问、工件与工件间形成紧密接触，从而建立起良 好的导电通路，确保接触电阻的稳定，为获得高质量的点焊接头打好基础【3 4 1 。在镁合金 逆变点焊数值模拟过程中，预压接触阶段是点焊的第一个阶段，它为后续的通电加热阶 段做好了准备，对其进行的数值模拟也为进行热电数值模拟分析奠定了基础。在镁合金 逆变点焊过程中，电极与工件间以及工件问的接触面上存在着接触行为，其接触区域的 大小和接触压力的分布形态，都对逆变点焊过程中导电区域的大小和接触电阻的分布有 着重要影响，对熔核形成的初始位置、熔核形成过程、喷溅的产生以及电极的烧损也都 有着很大的影响，特别是接触压力，它是决定接触电阻的主要因素，而接触电阻对镁合 金点焊过程中的热输入有着很大的影响，因此预压接触行为的数值模拟对研究点焊熔核 形成过程具有重要意义。另外，预压接触数值模拟分析的结果也有助于焊接规范的制定。 目f i l l e t 对碳钢、铝合金等一些材料已经进行了电阻点焊时的预压接触分析，但目前对镁 合金的预压接触行为进行的研究还很少。本章拟采用a n s y s 有限元软件建立镁合金逆 变点焊预压接触阶段的二维轴对称有限元模型，对预压接触应力场进行数值模拟，分析 镁合金锥形电极下的逆变点焊预压阶段的接触行为，并研究电极压力等因素对预压接触 行为的影响规律。 2 1 有限元方法中的接触理论 当弹塑性材料发生变形时，其应力与应变之间的对应关系取决于其变形过程。在加 载过程中，材料首先产生弹性变形，随着力的进一步的作用，材料就会产生新的塑性变 形，进入塑性变形阶段；在卸载过程中，产生的弹性变形会得到恢复，而其塑性变形则 无法恢复，被保留在材料中。因此，当材料进入到塑性变形的阶段以后后，在加载和卸 载过程中其应力与应变的对应关系遵循不同规律。 1 增量理论 增量理论描述了材料的弹塑性变形的规律，它与材料发生弹塑性变形的实际情况较 为接近，因而得到了广泛的运用。增量理论运用初始屈服条件、流动准则以及硬化准则 描述了材料的塑性行为【3 5 1 。其中，初始屈服条件给出了与材料开始发生塑性变形时相 对应的应力状态。在一般应力状态下各向同性材料产生塑性流动的条件如下： f o = l o - , i = 0 ( 2 1 ) 式巾，f o 表示初始屈服函数，g 表示应力张量的分量。通常金属材料多采用vm i s e s 9 各同l 司性馒化准则时，2 0 ，此时的馒化准则焚为： f ( 啪) ：丢邑s 一掣 协6 ) 式中， 吒表示此刻的后继屈服应力，为等效塑性应变歹p 的函数，且 虿尸= 弦p = 页詈d d 巧p ) j ；岛表示偏斜应力张量分量，& = 一喜( q 。+ c r 2 ：十吒，) 乞； 其中，岛= 。1 , f i = j j 表示克罗内克尔记号；而吒( 乃) 则可以由材料单轴拉伸试验的仃一占曲线 上得到。将材料的塑性模量佃1 硬化系数) 定义为e p = 参，则它与弹性模量e 以及切 变模量e ( = d o d s ) 的关系可由下式表示： e ，：尘生 ( 2 7 ) f f o 1 0 第二章预压接触应力场数值模拟 2 弹塑性应力与应变的增量关系 根据vm i s e s 流动准则，各向同性硬化材料的弹塑性应力与应变的增量关系如下 3 5 ，3 6 ： d o - = 忱j 陆 ( 2 8 ) 其中，= 见一q ， d 。= 而e 9 g 2 旦上上00 0 1 2 vl 一2 vl 一2 v j l 上兰上兰ooo l 一2 v1 2 v1 2 v l 土兰土兰oo o 1 2 v1 2 vl 一2 v 000告00 0000 占0 00 000 丢 s ： s x s y s x s ： 弹性应变增量： 其中d 为弹性矩阵。 塑性应变增量： s 。f v 2 s 。f 。 s x s y s ； s x s y s y r x y s y r y z s 。彳。 s x s ： s x s y s ： s ：f x v s ：f 。： s ：f 。 s 。f x v s y r x y s ：r x v 焉 f x y f y z g x y i s 。f 。 s 。f z x s ：f 。 磊y 乞 l y z g z x f 二 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 热以= 网翻。 综上所述，弹塑性应变增量可表示为弹性应变增量与塑性应变增量之和，即 d 毛= d + d s i y 。 2 2 有限元方法对接触问题的分析 由于接触点或接触面通常会经历复杂的运动过程，并且需要承担起力和力矩的传 递，因此可以说接触问题是一种边界非线性问题。如果在发生接触的过程中，接触体只 是发生了弹性变形，那么其有限元基本方程中的刚度矩阵为一常数值；而如果接触体内 部也发生了塑性变形，由于材料的塑性非线性和接触边界的替线性，其刚度矩阵则变为 弦 弘 弘 ，弘 ： 强：弦吆 & 譬f 一一 d 7 一o 一 仃、一k 毗 塑峨 一引 m a z 31 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 力应变状态以及屈服强度的函数。 应用有限元方法求解接触问题时，应先将两个接触体进行有限元离散，然后再根据 验以及其具体情况来确定两者之间发生接触的类型，对初始接触的边界条件进行合理 假设后可得到以下有限元方程： 【k 。】 u 。) = p l ( 2 - 1 1 ) 中，【k 。】表示对应于初始接触状态的刚度矩阵， u 。) 表示节点位移向量， p l 表示相 的载荷向量。将求出的节点位移 u ， 和接触点的接触内力 r ，) 代入到对应于初始接触 态的接触条件中进行接触状态检验，如果不满足接触条件，则对其接触状态进行修改 再进行下一次迭代，接触状态修改后的刚度方程为： k ：】 u ： = 识) ( 2 1 2 ) 样将求出的节点位移 u ：) 和接触内力 r ： 再次代入接触条件中，判断其接触状态， 定是否对其接触状态进行修改并进入下一次迭代。重复以上过程，直至 u 。 与 r 。) 满 对应接触状态的接触条件，此时得到的解即为实际接触状态的解【3 7 】。 本章的目的是使用a n s y s 有限元软件对镁合金逆变点焊过程的预压接触应力场进 数值模拟，并且在分析中指定了其接触面和目标面。当接触面问的问隙小于零时，表 两个表面之间发生了接触，并产生了材料的侵入；相反，若接触面l 白j 的间隙大于零， 表示两个表面之问未发生接触。 2 3 预压接触分析有限元模型的建立 2 3 1 建模的假设条件 由于电阻点焊的瞬时性、高度非线性和不可见性，使得对接触问题的深入研究受到 很大的制约，目前对镁合金电阻点焊预压接触行为的系统研究仍然很少，在试验和理 研究方面均缺乏准确可靠的方法。为此，本章将建立锥形电极下镁合金逆变点焊预压 触阶段的有限元模型，使用a n s y s 有限元软件对预压接触应力场进行数值模拟，对 焊过程预压阶段的接触行为进行弹塑性力学分析，以得到接触压力的分布、工件变形 及电极试件间和试件一试件问接触面积的大小，为点焊过程的瞬念多耦合场分析提供 为准确的初始条件，从而实现对点焊过程的精确模拟，同时也为进一步研究镁合金电 点焊过程的机理奠定基础f 3 1 1 。 在运用有限元分析软件a n s y s 对镁合金在锥形电极下进行逆变点焊预压弹塑性接 分析之前，考虑到镁合金逆变点焊过程中的实际情况，同时也为了使问题得到一定的 化，做出如下的假设： ( 1 ) 使用的铜合会( c r - z r c u ) 电极和镁合金( a z 31 ) 都是均质的双线性强化材料，并 l 第二章预压接触应力场数值模拟 且具有各向同性的特点，同时二者也都遵循增量理论中的vm i s e s 屈服准则、vm i s e s 流动准则以及各向同性硬化准则。材料的硬化模式如图2 1 所示。 o o s 0 8 图2 1 双线性硬化模式( b i s o ) f i g 2 1b i l i n e a rl s o t r o p i ch a r d e n i n g ( a l s o ) ( 2 ) 电极与工件以及工件与工件之间的接触为无滑动接触。 ( 3 ) 经过精加工的工件表面和电极端面的粗糙度都非常小，可以假设它们都是光 滑的、连续的表面，因此假设电极与工件之间、工件之间的接触为连续的面面接触。 ( 4 ) 考虑到电阻点焊工艺结构的对称性，将电极和工件模型简化为轴对称结构， 焊点位于工件中心，且电阻点焊机的压力机构将电极压力均匀地施加在电极轴的横截面 上。 ( 5 ) 在镁合金电阻点焊预压过程中，下电极尾部端面不会产生轴向位移。 2 3 2 有限元模型的建立 1 建立几何模型 电阻点焊问题是典型的轴对称问题，根据这一特点，对逆变点焊过程进行适当的简 化，可建立起镁合金逆变点焊预压接触阶段的1 2 轴对称几何模型，从而实现对a z 3 1 镁合金逆变点焊过程中预压接触应力场的数值模拟。锥形电极下逆变点焊预压阶段接触 分析的几何模型如图2 2 所示，工件为a z 3 1 镁合金薄板，厚度t = 2 m m ，宽度b = 2 0 m m ，试 板长度l = 5 0 m m 。电极本体端部外径r l = 1 0 m m ，尾部外径r 2 = 8 5 m m ，电极冷却水孔半 径r 3 = 6 m m ，电极端面半径r 4 = 3 5 m m ，电极尖端锥形角度为1 2 0 。即图中a = 3 0 。，电极 高度h 1 = 7 5 m m ，电极端部至冷却水的距离h 2 = 1 7 m m 。 a z 3l 镁合金逆变点焊熔核形成过程数值模拟 工件 _ = j l 一 j 丁 图2 2 点焊预乐阶段弹