（材料加工工程专业论文）超细晶粒钢直流电阻闪光对焊过程数值模拟及接头组织性能预测.pdf

摘要 摘要 超细晶粒钢是在t m c p ( t h e r m o 。m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 技术基础上发 展起来的新一代钢种，具有超细晶粒、超纯净度、超高强度和韧性，具有优异 的综合力学性能。直流电阻闪光对焊是种高效的固态连接方法，其焊接热影 响区的显微特性对焊接接头的性能有着重要的影响，由于这种方法与熔化焊具 有本质的区别，所以对超细晶粒钢的闪光对焊焊接适用性研究会有助于推进新 一代钢铁材料的研究和应用开发。同时，对直流电阻对焊过程进行电、热、力 耦合模拟也将会对焊接过程的认识、合理设计控制措施和制定合理的工艺规范 有着重要意义。 本文首先采用有限元模拟方法对超细晶粒钢直流电阻i 刈光对焊的焊接过程 进行了研究，建立了直流电阻闪光对焊过程的电、热、力耦合模型。模型中考 虑了电、热、力的耦合以及材料物性参数随温度的变化，在电热耦合模型中计 入接触电阻与闪光烧损对产热过程的影响；热力耦合模型中考虑了刚粘塑性接 触问题，实验结果表明，所建模型较为准确地反映了直流电阻洲光对焊的实际 过程。 利用本文建立的闪光对焊电热耦合模型，对不同焊接规范条件下温度场的 变化及其影响因素进行了计算预测。对电阻闪光对焊过程中伸出长度、闪光模 式、闪光速度等规范参数的变化规律进行了定量分析，揭示了电热耦合过程中 不周焊接规范组合下的产热规律和温度分布规律；利用所建立的闪光对焊热力 耦台模型计算了顶锻过程中顶锻接触行为的主要影响因素与规律。根据模拟计 算的结果，分析了闪光对焊过程参数选择的依据。提出一个用于确定温度场分 布的表征参数w = f ( h ，l ) ，从这个参数与温度场分布的关系中可以直观地得 到不同闪光速度与伸出长度组合对温度场的影响，方便工程中规范参数的选择， 从而为焊接参数的选择提供了有效的手段，参数具有一定的工程应用意义。 鉴于晶粒尺寸在描述超级钢显微组织各项参数中对h a z 性能的决定因素。 本文在超细晶粒钢直流电阻闪光对焊过程有限元分析的基础上，通过m o n t e 北京工业大学工学博士学位论文 c a r l o ( m c ) 模拟与理论分析相结合的方法，根据e d b 模型建立的m c 模拟时 间与实际时间的联系，利用现有的超细晶粒钢等温实验数据，采用m c 模拟技 术对超细晶粒钢闪光对焊h a z 的奥氏体晶粒长大进行了研究。分析了焊接h a z 存在的陡峭的温度梯度对奥氏体晶粒长大的影响，模拟了不同焊接规范下奥氏 体晶粒的长大，模拟结果与实际焊接接头h a z 的奥氏体晶粒进行了对比分析， 晶粒长大结果显示二者基本吻合。模拟结果还表明温度梯度造成的“热钉扎” 现象对h a z 晶粒长大有明显的阻碍作用，c g h a z 晶粒的大小与温度梯度的分 布具有相同的趋势，并对最终的晶粒大小分布有重要的影响。 讨论了焊接h a z 组织演变的过程，分析了闪光焊h a z 各区段的显微组织、 显微硬度的变化。以闪光焊接过程中出现的温度场的变化为基础，综合考虑了 焊接h a z 奥氏体晶粒大小、冷却速度以及相变动力学对组织和硬度的相互作 用，利用m c 模拟与闪光对焊过程有限元计算的结果，计算了冷却过程奥氏体 扩散反应产物分解，并且进行实验数据标定：在实验数据标定与验证的基础上， 计算出奥氏体向铁素体和珠光体转变的体积分数，根据铁索体和珠光体的显微 硬度值和其在c g h a z 中的相对含量，对焊接h a z 粗晶区的显微组织和硬度进行 预测，最终求得焊接h a z 粗晶区的硬度分布。 关键词：超细晶粒钢，直流电阻c j ：! j 光对焊，有限元模拟，奥氏体晶粒长大 h a z ，m o n t ec a r l o ( m c ) 模拟方法，硬度 本研究得到国家9 7 3 项目新一代钢铁材料重大基础研究( g 1 9 9 8 0 6 1 5 0 0 ) 的 资助 a b s t r a c t u l t r af i n eg r a i ns t e e li san e wk i n do fs t e e lw h i c hi s d e v e l o p e do nt h eb a s i so f t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) t e c h n o l o g y t h es t e e li sp r o v i d e dw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r af i n eg r a i na n du l t r ap u r i t y , s ot h er e s u l th a st h ee x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i t hc o m b i n a t i o no fs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s d cf l a s hb u t t w e l d i n g i sak i n do fs o l i d j o i n i n g m e t h o dw i t h h i g he f f i c i e n c y t h e m i c r o c h a r a c t e r i s t i c so fh a za f f e c tt h ew e l d j o i n t sg r e a t l y d u et ot h ei n t r i n s i cd i f f e r e n c e s b e t w e e nt h i sm e t h o da n dt h em e t h o do f m e l tw e l d i n g ，s t u d yo nt h ea p p l i a n c eo ff l a s h b u t t w e l d i n g w i t hu l t r af i n e g r a i n s t e e lw i l l h e l p t od r i v et h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fn e w g e n e r a t i o ns t e e lm a t e r i a l s s i m u l a t i o no f d cf l a s hb u t tw e l d i n g b yc o u p l i n gw i t he l e c t r i c i t y , h e a t ，a n dm e c h a n i c sw i l lb ei n s t r u m e n t a li nd e s i g n i n g a n d d r a w i n g o u tt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sa d o p t e di nt h i sp a p e rt or e s e a r c ho nt h ep r o c e s so ft h e w e l d i n g t h em o d e lo fd c f l a s hb u t tw e l d i n gw i t hc o u p l i n gw i t he l e c t r i c i t y , h e a t ， a n dm e c h a n i c sw a sb u i l t i na d d i t i o nt h em a t e r i a lp h y s i c a lp a r a m e t e rv a r i a t i o nw i t h t e m p e r a t u r e w a sc o n s i d e r e di nt h em o d e l t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ea n df l a s hm e l tw e r e c o n s i d e r e di nt h ee l e c t r i c - h e a tc o u p l i n gm o d e l ；r i g i d - v i s c o p l a s t i cc o n t a c tp r o b l e m w a sa l s oc o n s i d e r e di nt h eh e a t m e c h a n i c a lm o d e l t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h em o d e ls i m u l a t e dt h ea c t u a lp r o c e s sb yf l a s hb u t tw e l d i n g a c c u r a t e l y u s i n g t h ee l e c t r i c h e a tc o u p l i n gm o d e lb u i l t ，t h i sw o r kd i s c u s s e dh o wt og e tt h e t e m p e m t u r ef i e l dw i t hd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sa n di t s e f f e c tc o n d i t i o n s t h e f l a s hb u t tw e l d i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha ss t r e t c hl e n g t h ，f l a s hm o d e la n df l a s hv e l o c i t y w e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y t h er u l eo fh e a tp r o d u c i n gm a dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n b yd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r si nc o u p l i n gw i t he l e c t r i ca n dh e a tw a sr e s e a r c h e d t h e m a i n l y e f f e c t i v ef a c t o r sa n dr u l e so fc o n t a c t f o r g i n gb yu s i n g t h e h e a t - m e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e lw e r ec o m p u t e d b yt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，w e 2 p r o v i d et h er e a s o n a b l em e a s u r e m e n t t os e l e c tt h ew e l d i n gp a r a m e t e r si nf l a s hb u t t w e l d i n g a p a r a m e t e r w a sb u i l t i tc a l lc o n v e n i e n t l yp r o v i d e s e l e c t i o no fw e l d i n g p a r a m e t e r s b a s e do n r e l a t i o n s h i p b e t w e e n f l a s h i n g v e l o c i t y a n di n i t i a l c l a m p d i s t a n c e i i i 北京工业大学_ 丁学博士学位论文 p r o p e r t i e so f t h eh a za r ed e p e n d e n to nt h eg r a i ns i z e o nt h eb a s i so f s t u d yo nt h e f l a s hb u t t w e l d i n gb yu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，g r o w t ho ft h ea u s t e n i t eg r a i ns i z ei nh a zw a ss i m u l a t e df o r t h es i m u l a t i o nt h ee d bm o d e lw a su s e dt oe s t a b l i s h e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h em c s i m u l a t i o nt i m ea n dt h ea c t u a lt i m ea n dt h ec u r r e n ti s o t h e r m a ld a t ao fu l t r af i n eg r a i n s t e e lw a su t i l i z e d t h ee f f e c to fa b r u p tt e m p e r a t u r eg r a d i e n ta u s t e n i t eg r a i ns i z e g r o w t hi nh a zw a sa n a l y z e d a l s ot h eg r a i ng r o w t hi nd i f f e r e n tw e l dp a r a m e t e r s w e r es i m u l a t e d b yc o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ea u s t e n i t eg r a i ni nh a z i na c t u a lw e l dj o i n t s ，t h er e s u l t ss h o wt h e ya r ec o n s i s t e n t a tt h es a m et i m e ，t h e r e s u l t ss h o wt h a th o tp i np h e n o m e n o nb y t e m p e r a t u r eg r a d i e n th a so b s t r u c t i v ee f f e c t t o g r a i ng r o w t hi nh a zo b v i o u s l y , t h e r ei s t h es a m et e n d e n c yb e t w e e nc g h a z g r a i ns i z ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h et e n d e n c yo ft e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nh a st h eg r e a te f f e c to i ld i s t r i b u t i o no f t h ef l n a lg r a i ns i z e t h em i c r o s t r u c t u r e si nh a z b yd c f l a s hb u t tw e l d i n gw e r ed i s c u s s e d e f f e c to f t h ev a r i a t i o no fm i c r os t r u c t u r e si ne a c hz o n eo f h a z ，a n dm i c r oh a r d n e s sb yf l a s h b u t tw e l d i n gw a sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n g t h e p r o c e s so ft h e f l a s hb u t tw e l d i n g ，t h ea u s t e n i t e g r a i n s i z ei n h a z ，c o o l i n g v e l o c i t y , a n d c o e f f e c to f p h a s ed y n a m i c s t o s t r u c t u r e s a n dh a r d n e s sw e r e c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d ，i na d d i t i o n t h e d e c o m p o s i n go fa u s t e n i t ed i f f u s i o n r e a c t a n td u r i n gc o o l i n gp r o c e s sw a sc o m p u t e d ，b y u s i n gt h er e s u l t so f m es i m u l a t i o n m a dc o m p u t i n gw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a tt h es a m et i m ee x p e r i m e n t e dd a t aw e r e c a l i b r a t e d ，o nt h eb a s i so ft h ed a t ac a l i b r a t i o na n d v e r i l y i n g ，t h ev o l u m ef r a c t i o no f f e r r i t ea n dp e a r l i t ew h i c hw e r et r a n s f e r r e db ya u s t e n i t ew e r ec a l c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h em i c r o h a r d n e s sv a l u eo ff e r r i t ea n dp e a r l i t ea n di t sr e l a t i v ec o m p o n e n ti n c g h a z ，t h em i c r o s t r u c t u r e a n dh a r d n e s si nh a zo fc o a r s e g r a i n z o n ew e r e p r e d i c t e d s of i n a l l y , t h eh a r d n e s sd i s t r i b u t i o n i nh a zo fc o a r s eg r a i nz o n ec a n a c q u i r e d k e y w o r d s ：u l g af i n eg r a i ns t e e l ，d i r e c tc u r r e n tr e s i s t a n c e f l a s hb u t tw e l d i n g f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，m o n t e c a r l o ( m c ) s i m u l a t i o nm e t h o d a u s t e n i t eg r a i ng r o w t h ，h a z h a r d n e s s t h i sw o r ki s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a l9 7 3 p r o j e c t b a s i c r e s e a r c ho nn e w g e n e r a t i o ns t e e lm a t e r i a l s ”f n o g 1 9 9 8 0 6 1 5 0 0 ) i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何 贡献均己在论文中作了况明并表示了谢意。 签名日期：2 q q 3 ：! q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 和部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 酗薹i 遴 导师签名：墨! 坠日期2 q 鳗：! q 逍一妊 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 钢铁作为占主导地位的结构材料，其产量和人均搠有量一直是衡量一个国 家综合实力的重要指标之一。我国目前的钢铁产量已居世界首位，但是我国人 均钢占有量还不足1 0 0 公斤，与世界每年人均钢占有量1 5 0 公斤( 发达工业国 家为5 0 0 公斤) 相比，我国还不属于钢铁强国，而且许多专门用途的钢材还需 要从国外进口。随着经济建设的发展，我国钢铁的需求量不断增加，要达到世 界平均水平，钢铁产量还需翻一番，若要达到发达工业国家的水平则需要翻两 番。这对于我国的资金投入、资源供给、环境保护、交通运输等都是难以承受 的。为此，我国于1 9 9 8 年由1 3 名院士和钢铁以及相关领域的专家向国家建议 启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”的“9 7 3 项日”。与此同时，同本、韩 国等国也启动了“超级钢铁材料”研究项目。研究新一代钢铁材料，可促进我 国早日由钢铁大国向钢铁强国转变【l “。 新一代钢铁材料的主要特征是：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有超 洁净度、超细晶粒、超高强度的特征，强度、韧性比常用的同成分钢材提高一 倍，使钢材使用寿命增加一倍。超细晶粒是指晶粒尺寸在0 1 i t m - 1 0 p , m 之间。 细化晶粒是唯一可以同时能提高强度而不降低韧性，甚至提高韧性的方法。随 着晶粒变细则屈服强度随其细小程度的1 2 次方增加，脆性转变温度则相应降 低；超洁净度是指s 、p 、o 、n 、h 的总含量小于5 0 p p m ，这不仅可以提高钢材 原有的性能，而且还可以赋予钢材新的性能。新一代钢铁材料在化学成分一组织 一性能的关系中，强调了组织的主导地位，刮其超绌晶粒微舭组钐l 表现出优异的 综合性能5 1 。 新一代钢铁材料最终要用于制造不同的结构，因此必须研究其焊接性和焊 接工艺。在我国新一代材料研究项目中，主要是针对4 0 0 m p a 级和8 0 0 m p a 级 超细晶粒钢来解决焊缝的强韧化和热影响区晶粒长大等问题。由于超细品粒钢 的晶粒极度细小，焊接时有可能会出现严重的晶粒长大倾向，晶粒长大不仅会 北京工业人学工学博卜学位论文 造成焊缝及焊接热影响区( h a z ) 脆化，而且还会导致h a z 的软化【6 7 1 。通过 研究和探索新一代钢铁材料的焊接性，将有助于推进新一代钢铁材料的研究和 开发，并为新一代钢铁材料的工程应用提供试验和理论依据。 目前，同、韩、英等国也正在加快研究有关新世纪钢铁材料的焊接技术， 日本把超级钢的焊接性研究列为其重点，如在8 0 0 m p a 级课题中，焊接性研究 内容的比例己超过6 0 。然而，各国的研究进展均处于保密阶段，无太多技术 文献可以参阅，同时由于各国的国情不同，所研究的钢铁材料资源配置特点和 应用的国民经济重点领域有所不同，而且各国的焊接技术发展和应用水平也不 尽相同。因此，结合我国资源特点、焊接技术发展和应用水平，独立进行新一 代钢铁材料的焊接性研究具有重大的经济和社会意义。 闪光对焊是电阻对焊工艺的一种，这种焊接方法具有高速高效、无需对被 焊工件作预处理、焊缝强度高、性能优良等诸多特点，目前已被广泛应用于汽车、 火车、建筑钢结构、管线建设和其它工程领域中，由于闪光对焊属于固相焊的范 畴，与熔化焊相比具有本质的区别，为了完善和丰富超细晶粒钢的应用，所以有 必要对超级钢的闪光焊接头形成过程及焊接接头的组织性能预测进行研究。 1 2 电阻闪光对焊技术的发展及技术特点 1 2 1电阻闪光对焊技术的发展 闪光对焊( f l a s hb u t tw e l d i n g ) 是将两个焊件相对放置装配成对接接头，接 通电源并使其端面逐渐接近达到局部接触，利用电阻热加热这些触点( 产生洲 光) ，使端面的这些金属触接点加热熔化，直至端部在一定深度范围内达到预 定温度时，迅速施加顶锻力，依靠焊接区金属本身的高温塑性金属的大变形和 电阻热，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结 合面上产生足够量的共同晶粒而得到永久接头。闪光焊技术几乎是和电阻焊技 术同时出现，1 8 8 5 年美国人t h o m s o n 教授取得了电阻对焊的专利，这是有关电 阻焊的最早记录，1 8 8 6 年第一台电阻对焊机诞生，在1 9 0 3 年，德国人首先使用 了闪光对焊，1 9 1 3 年，美国首次有了闪光焊接的商业报道。5 0 6 0 年代，前苏 联、美国、德国、r 本、瑞士以及其它一些国家对闪光焊的基本理论及洲光焊 2 第1 章绪论 机的研制进行了大量的工作，同时有了刚光焊大量应用于各种材料的研究报道 8 - 9 ，使闪光焊技术研究和应用得到迅速的发展。 闪光焊技术应用范围很广，早在1 9 4 5 年，r i l e y t o 就使用闪光对焊技术研 究了低合会钢的焊接性，1 9 5 0 年n i p p e s 等人。13 】使用闪光对焊研究了铝合金的 焊接性，1 9 5 4 年f a s s n a c h t 【1 4 1 焊接了高强度合金钢。随着控制技术的进一步发展， 闪光焊在钢及有色金属材料焊接中得到广泛应用。 1 2 2 电阻闪光对焊过程的特点 根据工艺不同，i 刈光对焊可分为连续闪光对焊和预热i 列光对焊两种，连续 闪光对焊主要用于断面1 0 0 0 m m 2 左右的闭合零件的拼口，如车圈、铝窗、钢筋 及线路器材中的铜铝金具制造等，预热闪光对焊可焊接5 0 0 0 1 0 0 0 0 r a m 2 大截 面黑色金属材料零件( 铁路钢轨的接长等) 。近年来新发展的脉冲闪光焊已可 焊接1 0 0 0 0 0 m m 2 截面的输气管道。 典型的连续闪光对焊过程包括四个阶段：闪光、顶锻、保持、休止。闪光 和顶锻二个连续阶段组成连续i 刈光对焊接头形成过程，而保持和休止程序则是 对焊操作中所必须的。预热闪光对焊则在其焊接循环中设有预热程序。 闪光阶段的实质是工件端面的接触触点的熔化，液态金属过梁的不断形成 和爆破的过程，同时伴随过程析出大量的热来加热工件，因此，闪光阶段的主 要作用首先是加热工件；其次液态金属过梁爆破时产生的金属蒸汽及气体( c o 、 c 0 2 等) 减少了空气对对臼间隙的侵入，形成自保护。同时。金属蒸汽及抛射的 金属液滴被强烈氧化而减小了气体介质中氧的分压，从而降低了对吲白j 隙中气 体介质的氧化能力。闪光还有一个作用是烧掉了工件端面上的不平和脏物，使 闪光后期工件端面形成一层均匀的液体会属层和沿轴向形成适当的温度梯度 为顶锻的顺利进行做好准备。顶锻阶段是闪光焊后期阶段，对工件施加顶锻力， 封闭工件对口间隙，挤平因过粱爆破而留下的火口；排除端面上液体会属层， 使焊缝中不残留铸造组织；排除过热金属及氧化央杂物，造成洁净金属的紧密 贴合；使工件对口和邻近区域金属获得必要的塑性变形，促使焊缝再结晶，从 而获得牢固的焊接接头。预热闪光焊的工艺过程与连续闪光焊的不同之处就在 于：在闪光阶段之前还有一个预热阶段，通过预热使工件端面的温度提高到一 个合适的温度值( 对钢来说是8 0 0 9 0 0 0 c ) ，然后再进行闪光和顶锻。预热方 北京i 。业大学t 学博t 学位论立 式有两种：一是电阻预热，二是闪光预热，这两种方法都是通过在预热电流下 多次使工件端面接触、分开的过程来实现。 在闪光对焊中为了获得优质接头，必须控制好刚光、顶锻及预热的各个阶 段。闪光结束时应保持工件对口金属尽量不被氧化，对口及其附近区域要获得 一定的温度分布：在顶锻结束时要保证对口及其附近区域获得足够而合适的塑 性变形；预热结束时要使整个断面温度均匀等。为了达到上述要求，必须对l n 光对焊的规范参数进行适当的选择。这些参数包括：调伸长度l ，闪光留量f ， 电流密度z ，闪光速度所，顶锻留量4 。，顶锻速度n ，顶锻压力凡，夹紧力 r ，预热温度等。 与电阻对焊相比，闪光对焊有许多优点f l s - 1 6 】，由于闪光的作用，使得焊接 接头处形成自保护区，减少了对口金属被氧化的可能性：闪光后期由于高温液 态金属的存在，能够将焊接接头的污物清除干净：对口处温度上升较快：较少 出现许多熔化焊接接头缺陷。但闪光对焊焊接时也存在些缺点，如材料烧损 较多且伴有烟尘和飞溅，于工作环境不利；焊接参数相互影响，控制不方便等。 1 3 电阻焊热过程研究的历史与现状 合适的焊接加热及焊接温度场是保证焊接质量的前提，很早就有焊接热过 程研究的报道，自三十年代后就开始有焊接热过程系统研究的成果出现【“。5 0 年代，前苏联科学院的雷卡林院士8 1 将焊接热源简化为点、线、面三种热源形 式，对焊接过程的传热问题进行了系统的研究，奠定了焊接传热分析的理论基 础，其中面状热源的处理方法一直是分析对焊温度场的基础。出于闳光焊的热 过程分析比较复杂，所以目前有关电阻闪光对焊热过程研究的文献较少，但相 关方法如电阻点焊热过程的研究较多，电阻对焊的焊接过程模拟研究也有报道， 作为电阻焊的几种特殊形式，他们具有一些共同点。 电阻焊的热源来自于工件的内阻热和工件问的接触电阻热的叠加，热源的 产生迅速而且集中，水冷电极的散热作用使得焊件有较高的冷却速度，因而整 个电阻焊的温度场分布是极不均匀的。对点焊而言，焊接热过程直接决定焊核 的形成、长大和随后的结晶过程，晟终决定焊核的尺寸、形状以及接头的力学 性能。对电阻对焊而言，热作用提高了工件接头的塑性，降低了会属的变形阻 力，增加了金属原子的活动能力和扩散速度，促进了原子i e j 的相互作用【l 。与 第1 章绪论 点焊和电阻对焊相同，连续闪光对焊的温度场亦可看作是由两个热源存加热过 程中叠加的结果，即一个是：e 件内阻2 月。产热使得焊接区金属加热到温度n ： 另个是由接触电阻r 。所产生的热把焊接区金属加热到温度t 2 。与点焊和电阻 对焊不同的是闪光对焊过程中接触电阻尺。对加热起主要作用，t 2 兀，其产生 的热量占总析热量的8 5 9 0 。( 点焊过程中接触电阻尺。析热占焊接区总析 热量的5 1 0 ；电阻对焊过程中接触电阻r 。析热占焊接区总析热量的1 0 1 5 ) 。闪光对焊的热源主要集中在工件对口处，所以沿工件轴向温度分 布的特点是温度梯度大，曲线很陡。 洲光对焊温度场分布的影响因素很多。n i p p e s l 2 0 j 对小截面钢材连续闪光对焊 过程中焊接参数对温度场影响的研究结果表明，工件厚度、动板送进速度( 闪 光速度) 及工件的干伸长( 调伸长度l ) 是影响温度场的主要因素。k u c h u k 【2 t l 指出，闪光加热过程中影响温度场的因素复杂，其中如副边空载电压、动板送 进速度及工件截面积均对温度场有影响。在等速送进的连续闪光加热阶段，送 进速度增加将引起温度分布变陡。脉动加热时金属的飞溅热损失受触点的熔化 状态停留时间的影响，当副边空载电压下降及动板后退速度增加时飞溅的损 失下降。 1 3 1电阻焊温度场的研究方法 电阻焊热过程的研究方法分为实验方法和理论方法两种。实验方法主要是 采用实验手段对电阻焊温度场进行测定，主要包括热电偶测温、会相分析、f h 法( 温度测定剂加高速摄影联合测定法) 以及电视图象法测温：理论研究方法 主要是根据热传导微分方程和边界条件对电阻焊的温度场进行理论计算。 l ，热电偶测温法由于电阻焊时倒短，测量区域小，使得采用热电偶测 温操作不方便，尤其是焊件通电过程中，焊件中通过的电流在焊件及焊件周围 空间形成相当强的电磁场，而这种强电磁场会在热电偶回路及测试仪器中产生 干扰，有时干扰信号甚至超过了实际测温信号。另外，热电偶本身所具有的热 惯性等，使得要精确测量电阻焊瞬时的温度场变化有一定困难。但由于这种方 法简单、费用低，所以也得到一定程度的应用。h a r t 2 2 1 在研究低合会高强钢点 焊的热过程时就采用直径o 2 5 m m 的n j c r 热电偶，他指出在通电加热阶段， 热电偶的输出信号发生严重畸变。三村和弘【2 驯用热电偶方法测量了宽板直流电 北京工业大学j 【学博士掌位论文 阻对焊沿对接面的温度分布，e g g e r t t 2 4 在电阻对焊模拟试验中也采用了热电偶 测温法。由于闪光焊温度场为非稳定场，影响因素众多，对于j n 光焊热影响l x 温度分布梯度大，夹具问空间窄，对接面不断烧损及飞溅以及电磁场干扰严重 的情况，用热电偶测温难以适时、准确的测量。但是此方法简单，易于实现。 n i p p e s 在研究低合金、铝合金闪光焊时就用到此方法。 2 金相分析方法在低碳铜电阻点焊的热循环过程中，在二次相变转变 点和金属凝固点开始发生组织转变，而二次相变转变点以下则看不到组织的变 化，由此可以大致确定二次相变转变点的等温线和会属凝固点的等温线。由于 这样的特点，即可以此为依据来判别焊接工艺参数对焊接质量的影吼甚至崩 于验证数值模拟的结果。这种方法精度虽然不高，但简单易行，因而得到较为 广泛的应用。早在1 9 6 0 年，b e n t l e y 和g r e e n w o o d 2 5 1 研究低碳钢点焊温度场的 形成和发展以及界面接触电阻作用时就采用了此方法。1 9 8 4 年n i e d 2 6 用令相技 术确定了不锈钢( t y p e 3 2 1s t a i n l e s s ) 点焊接头焊核的形状和尺寸，并以此检验 了点焊过程数值模拟的结果。1 9 8 9 年c h o 2 7 1 和h a n 2 8 悃会相分析方法研究了点 焊热行为。1 9 9 5 年曹彪 2 9 1 在研究低碳钢点焊焊核形成过程时也采用了该方法。 这种方法的明显不足就是只能大致的确定一个温度范围。 3 f h 法( 温度测定剂加高速摄影联合测定法)1 9 7 0 年左藤次彦等i j o j 采用f h 法研究了点焊时温度分布的变化情况以及氧化膜的破碎过程。这种方 法中，温度测定剂决定了所测温度的范围和精度。由于采用了高速摄影装置， 所以反应速度快、适应性好，但测定剂受热时产生烟雾会影响测量效果。另外， f h 法对试验片的加工精度要求很高，需要脱脂脱酸处理，这样就使这种方法的 应用受到很大限制。 4 电视图象法测温由于红外测温既能获得全场信息义刁i 影响被测物体 的温度分布，加上响应时间短、测量精度高、操作方法简便等优点，所以从七 十年代就丌始了红外线电视图象法测温的研究，国内也于八十年代初丌始了这 方面研究，并取得了一定的成果。1 9 8 1 年陈学定弘3 2 1 用红外摄影机成功的对不 锈钢氩弧焊焊接熔池背面的温度场进行了测定，并用测试结果对理论计算进行 了修正。1 9 8 7 年天津大学的赵家瑞等【蚓采用红外摄像微机图象处理诊断电弧等 离子体，一次性获得了全场信息。1 9 8 8 年李鹤歧 n 1 用c c d 摄像对脉冲m a g 焊熔浊进行了观察监视和图象处理，证明了电视图象法用于实时控制是司+ 行的。 一6 第1 覃绪论 在电阻焊温度场测量方面，1 9 9 1 年毕慧琴等口 采用红外辐射对电阻焊温度 场进行了测定，并对焊接质量进行了控制。1 9 9 6 年李维结 36 l 应用电视幽象法研 究了反馈式脉动闪光加热过程中焊接参数对温度场变化的影响。 采用实验方法测定温度场有时测量精度达不到要求。热电偶法测温时容易 受到电磁场的干扰，金相分析法只能确定一个大概的温度范围，电视图象法对 焊接区温度难以精确标定，而且测量分析设备较贵。由于以上这些诸多原因， 限制了实验方法的应用。所以，目前对电阻焊温度场的研究还是偏重于理论研 究，然后以一定量的实验结果进行验证。 理论研究方法主要有解析法和数值解法，都是以传热微分方程为基础。解 析法一般先简化实际情况，再通过数学分析得到以函数形式表示的理论解即解 析解，由此来确定不同时刻、不同位置的温度。解析法的优点是物理概念清晰， 逻辑推理清楚，但是对于物理性质随温度变化问题，复杂边界问题，解析法求 解都比较困难，而且解析法在计算时都对实际问题进行了大量的简化，只抽出 其主要现象而忽略了许多重要的细节问题，因而难以得到与焊接实际过程相符 的较为准确的解，也难以对焊接过程中出现的一些现象作出确定的解释。 数值解法求解温度场主要使用差分法和有限元法。有限差分法早在上世纪 初就用于传热分析的计算，但直到六十年代才真正成为一种实用的数值解法。 几十年来，有限差分法解决了大量的工程实际问题，但在复杂几何形状问题、 非稳态与多维问题、导数边界条件处理等方面的计算时会遇到稳定性和收敛性 的问题。1 9 4 3 年c o u m t 首先提出有限元法，五十年代由航空结构工程师所发展， 七十年代运用于研究焊接热过程。国内，西安交大唐慕尧口最早用有限元的方 法计算了薄板焊接准稳念温度场。上海交大陈楚【38 j 等对二维非线性稳态及瞬念 焊接温度场进行了有限元分析。随后，有限元分析法在国内求解焊接问题得到 迅速的发展，至今已解决了大量的工程实际问题，应用的非常广泛。 1 3 2电阻焊温度场数值研究发展状况 在电阻焊温度场的研究方面，大量的工作是钏对点焊的。1 9 6 0 年，a r c j e r l 砷l 就用一维传热模型对点焊不同条件下的温度响应进行了解析研究，研究中将材 料的物性参数作为常数处理，并且忽略了工件间的界面接触电阻的作用，这样 得出的结论与实际情况有较大的出入。1 9 6 1 年g r e e n w o o d 【删根据热传导微分方 北京工业大学工学博士学位论文 i 程首次对点焊过程进行了有限差分法求解，得到了椭圆形焊核的特征等温线， 揭示了点焊过程的主要热行为，奠定了电阻焊数值模拟的基础。随后r i c e l 4 i 和 g o u l d 4 2 j 也用各自建立的一维模型对点焊热过程进行了模拟。七十年代，计算机 技术的发展为解决复杂边界条件、复杂耦合问题、非线性问题提供了有利条件。 1 9 7 7 年h o u c h e n s f 4 3 1 建立了既考虑材料物性参数随温度变化又包含了相变满热 影响的电热耦合的有限差分模型，对温度场进行模拟并得出焊核尺寸与焊接工 艺参数之间的关系。c h a n g 【4 4 1 考虑了接触电阻与材料的高温硬度的关系，通过电 热耦合分别对有和没有焊点分流时的点焊温度场进行了研究，使人们清楚的认 识到存在焊点分流对电阻点焊熔核尺寸的影响。与此同时，y a m a m o t o f 4 j 和h a n l 2 8 1 也对低碳钢焊件的点焊过程进行了有限差分分析。 n i e d 4 6 1 是较早采用有限元方法模拟点焊过程的研究者之一，对电阻焊作了 开创性的工作。他建立了完整的电、热、力三者耦合的数学模型，预测了电位 分布，温度分布，焊核形状以及焊接过程中应力的分布情况。特别是通过分析 得出了焊件与焊件界面、电极与焊件界面上的力的分布，电流密度分布以及接 触面面积动态变化的过程，加深了人们对点焊过程的认识。随后t s a i 【4 “， b r o w n e 4 ”，z a j a c ( 4 9 l 等都采用有限元的方法对点焊过程作了进一步研究。 国内，吴水海 50 l 在1 9 8 9 年采用了电热耦合有限元法对点焊时电位分布和 温度分布进行了研究。1 9 9 5 年曹彪 2 9 1 建立了点焊过程的电、热、力耦合模型， 并对接触电阻的作用进行了近似处理，采用商用有限元软件a d i n a 模拟了点焊 过程，得到的温度场7 2 3 0 c 和1 4 9 5 0 c 等温线，其结果与实测基本相符。1 9 9 8 年c h a n g 等 5 1 】研究了点焊接头的应力分布和疲劳行为特点。1 9 9 9 年王春生、赵 熹华【5 2 】对异质材料点焊过程进行了模拟。2 0 0 1 年林忠欣等吲利用了l 2 辅对称 模型的有限元法对电极力作用下的接触、零件变形及点焊电热过程进行了数值 分析。相对于电阻点焊而苦，电阻对焊的研究起步较晚，电阻对焊在顼锻阶段 具有较大的塑性变形，所以增加了问题的复杂性。d a w s o n 5 、e g g e r t 【2 4 1 分别对 不锈钢的电阻对焊过程进行了电、热、力耦台研究，预测了变形过程中焊件上 的温度分布。1 9 9 3 年n i e d 4 叼用d a w s o n 提供的软件对钛合金板材的电阻对焊过