（材料加工工程专业论文）轻量化车用薄板点焊温度场数值模拟与其变形控制.pdf

轻量化车用薄板点焊温度场数值模拟与其变形控制 摘要 双相钢因具备较高强度与优良成型性能，成为汽车轻量化的优选材料之一。 焊接顺序是影响焊后变形的主要因素，遗传算法具有全局搜索的能力是优化焊 接顺序的有效方法。车用薄板是由平板冲压而成的，设其材质是d p 5 9 0 双相钢， 其焊接质量也受焊接变形的影响。在单焊点做的热模拟分析的研究基础上，还 用有限单元法求解了车用薄板的焊后温度场与变形量。以焊接变形量为目标函 数编写了遗传算法程序，求得一个焊接顺序，这个焊接顺序是众多焊接顺序中 对应的焊后变形最小的，具体工作内容如下。 就单个焊点使用有限元分析软件a n s y s ，对车用薄板的点焊接头做了热分 析，其中包括d p 5 9 0 d p 5 9 0 等厚板接头，d p 5 9 0 q 2 3 5 等厚板接头，d p 5 9 0 一q 2 3 5 非等厚板接头。并对d p 5 9 0 d p 5 9 0 等厚板接头做了断电冷却过程分析。通过分 析通电加热模拟结果获得了各种接头点焊的最优焊接参数，并证实了结果的合 理性。通过d p 5 9 0 双相钢断电冷却结果分析，记录了冷却各时刻的温度数值。 对于多个焊点而言，根据焊接循环图与单焊点冷却时刻的温度数据，求得 了焊件初始时刻的温度场。利用有限单元法将焊件离散后求得了焊件的焊后温 度场与变形量。 就焊接顺序优化问题，将不同的焊接顺序作为初始种群的染色体，焊接变 形量作为目标函数。在m a t l a b 软件平台上编制遗传算法程序，求解出焊接 变形量最小的一组焊接顺序即最优焊接顺序3 - 5 261 4 。 关键词：车用薄板，焊接顺，a n s y s ，焊接变形，遗传算法。 t h e r m a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ra u t o m o b i l et h i np l a t eo f s p o tw e l d i n ga n di t sd e f o r m a t i o nc o n t r o l a b s t r a c t d u a lp h a s es t e e lw i t hh i g hs t r e n g t ha n d g o o df o r m a b i l i t y i st h ep r e f e r r e d m a t e r i a lf o r l i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e w e l d i n gs e q u e n c ei st h ei m p o r t a n tf a c t o r d e c r e a s i n gw e l d i n gd e f o r m a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mh a sa na b i l i t yo fg l o b a ls e a r c h ， w h i c hi st h ee f f e c t i v em e t h o df o ro p t i m u mt ow e l d i n gs e q u e n c e a u t o m o t i v es h e e t i sm a d eo fat h i np l a t ef o r m e db ys t a m p i n gw h o s eq u a l i t yi sa f f e c t e db yt h ei m p a c t o fw e l d i n gd e f o r m a t i o n t h ed o o rb o a r di sm a d eo fd p 5 9 0d u a lp h a s es t e e l t h u s n o to n l yh a v eat h e r m a ls i m u l a t i o no fs i n g l e w e l d i n gs p o t ，b u ta l s ou s ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt os o l v et h ed o o rp l a t et e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f o r m a t i o n t a k et h e w e l d i n gd i s t o r t i o na st h et a r g e tf u n c t i o n ，w r i t eag e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e d u r e ，a n d o b t a i nas e q u e n c ew h o s ew e l d i n gd e f o r m a t i o ni s s m a l l e s t ，w h i c hc o n t r o lt h e w e l d i n gd e f o r m a t i o no fp l a t ee f f e c t i v e l y w h a tih a v ed o n ei sa sf o l l o w t oas i n g l ew e l d i n gs p o t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，m a k ea t h e r m a la n a l y s i so fs p o tw e l d i n g ，j o i n t sc o n s i s t e do ft h es a m et h i c k n e s s d p 5 9 0 d p 5 9 0a n d q 2 3 5 一d p 5 9 0 ，d i f f e r e n tt h i c k n e s s q 2 3 5 一d p 5 9 0a n ds oo n t h r o u g ha n a l y s i so ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，o b t a i nav a r i e t yo fjo i n tw e l d i n go p t i m u mw e l d i n gp a r a m e t e r a n d c o n f i r mt h e r a t i o n a l i t yo ft h er e s u l t a tt h es a m et i m e ，m a k eac o o l i n g t e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o no fd p 59 0 一d p 59 0 ，r e c o r dt h et e m p e r a t u r ev a l u ea t d i f f e r e n tc o o l i n gt i m e ，a n dt h u sp a i n tt h es p o tw e l d i n gc y c l ed i a g r a m f o rm u l t i p l es p o t s ，a c c o r d i n gt os p o tw e l d i n gc y c l ep i c t u r ea n dc o o l i n gt i m e t e m p e r a t u r ed a t a ，o b t a i ni n i t i a lt i m e sw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d b yu s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o do b t a i nw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f o r m a t i o na f t e rt h ew e l d i n g ， d i f f e r e n tw e l d i n gs e q u e n c e s d e f o r m a t i o ni su n e q u a l o nt h ew e l d i n g s e q u e n c eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t a k et h e d i f f e r e n tw e l d i n g s e q u e n c ea st h ei n i t i a lp o p u l a t i o no fc h r o m o s o m e s ，t a k et h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n a m o u n ta s o b je c t i v ef u n c t i o n w r i t eag e n e t i ca l g o r i t h mp r o c e d u r eu s i n gt h e m a t l a bs o f t w a r et os e a r c ht h eo p t i m u mw e l d i n gs e q u e n c ew h i c hh a st h es m a l l e s t w e l d i n gd e f o r m a t i o n i ti s t h eo p t i m u mw e l d i n gs e q u e n c et h a tw e l d i n gs e q u e n c e o w n i n gt h es m a l l e s tw e l d i n gd e f o - r m a t i o n ，3 5 - 2 6 1 4 k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ep a n e lp l a t e ；w e l d i n gs e q u e n c e ；a n s y s ；w e l d i n g ；d e f o r m a t i o n ； g e n e t i ca l g o r i t h m v 致谢 在导师胡小建教授的全力支持与耐心教导下完成了论文。对课题在开展与 探索过程中出现的问题，导师都提出了意见并且给予指导。胡老师知识渊博、 视野开阔、作风踏实，他是我学习的榜样。值此论文完成之际向导师致以诚挚 的感谢。同时也要感谢所有帮助过我的所有老师。今天我要感谢我的父母，感 谢他们孕育了健康与智慧的我。感谢我们班的所有同学，集体的温馨使我研究 生生活过得很有意义；特别感谢同学刘文明、孙太生、张晴朗，感谢他们对我 的帮助。 最后对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢。 v l 作者：任志凤 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图2 1a n s y s 计算流程图1 0 图2 2点焊的几何模型1 1 图2 3点焊热分析的网格划分与边界条件1 2 图2 4( a ) 点焊熔核形成过程的瞬温度场( i = 8 0 0 0 at = 0 4 s ) 1 4 图2 4( b ) 各种电流模拟d p 5 9 0 双相钢的瞬态温度场( t = o 4 s ) 1 4 图2 5( a ) 双相钢点焊接头断电冷却阶段15 图2 5( b ) 双相钢点焊接头断电冷却阶段1 6 图2 6( a ) i 件一工件贴合面上温度分布( i = 8 0 k at = 0 4 s ) 1 7 图2 - 6( b ) 电极工件贴合面上温度分布( i = 8 0 k at = 0 4 s ) 18 图2 7( a ) 工件一工件接触面温度分布图( 7 7 0 0 ao 4 s ) 18 图2 7( b ) 电极工件接触面的温度分布图( 8 6 0 0 at = 0 4 s ) 1 9 图2 8d p 5 9 0 双相钢时不同焊接电流实验测得熔核直径( 0 4 s ) 19 图2 - 9点焊焊接循环图2 0 图2 1 0( a ) 异种钢等厚板各个焊接电流下通电温度分布( 0 2 s ) 2 1 图2 1 0( b ) 异种钢非等厚接头各焊接电流下通电的温度分布( 0 3 s ) 2 2 图2 11( a ) 工件与工件接触面温度分布( 7 5 0 0 a0 3 s ) 2 3 图2 1 1( b ) 工件与工件接触面温度分布( 8 1 0 0 ao 3 s ) 2 4 图2 1 2异种钢非等厚熔核偏移量比较2 4 图3 1近似解造成的余量2 7 图3 2温度场微分模型2 9 图3 3点焊间距对分流的影响3 4 图3 4焊件某一次完整的焊接的焊接循环图3 5 图4 1一个遗传算法的具体步骤4 4 图4 3 遗传算法效果图5 0 图4 4车用薄板焊点分布图5 0 i x 表格清单 表1 1d p 5 9 0 双相钢主要化学成分6 表2 1d p 5 9 0 与铜合金电极接触电阻率1 3 表2 。2d p 5 9 0 的计算条件1 3 表2 3d p 5 9 0 与q 2 3 5 薄板通电加热的焊接参数2 1 表2 4d p 5 9 0 与q 2 3 薄板通电加热的焊接参数一2 1 表3 1 薄板温度数值3 6 表4 1遗传学与遗传算法中基本用语对照4 3 x 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 轿车是现代生活中必需的代步工具，对轿车产品的要求包括结实耐用、舒 适美观与轻便节能。生产轿车产品的企业常将降低车辆燃油的消耗量与提高车 身的焊接质量视为工作重点。轿车白车身是由几百个冲压薄板组成的承载式的 复杂结构件，其焊接方法有m 1 6 焊、电阻点焊等。其中电阻点焊是制造轿车白 车身的主要焊接方法，轿车车身的焊接工艺中电阻点焊的使用比例占全部焊接 工艺的6 3 。 点焊是以材料的电阻热为热源连接焊件的方法，因其具备生产率高、焊接 质量好、易于自动化操控、辅助工序少、不需填充材料等诸多优点，使电阻点 焊广泛应用到汽车制造、航天工业、铁路船舶、电子仪表等领域。点焊也是薄 板焊接的最理想方法。点焊过程在瞬时完成，其间热场、电场、磁场、力场等 耦合形成熔核。实验难于重现点焊的瞬态过程，伴随着计算机应用范围的逐步 扩大，数值模拟作为新的科研方法产生了，且广泛的应用到科研领域，该方法 是研究点焊瞬态过程的一种有效手段。 金融危机也影响了我国的工程机械行业，乘用车销售量的增长幅度降低了。 为扩大产品销量与保证产品质量达到各种法规的要求，轿车的焊接质量越来越 受到汽车生产企业的重视。若要提高车身焊接质量首先就一定要提高点焊的 质量。 “低碳生活”这个新词从国外传入我国，已经潜移默化的影响了我国人们。 它是各国人民渴望健康、绿色、和谐的生活环境的心愿的代词。汽车是广受各 国人民欢迎的交通工具，它排放的尾气危害了空气质量、人们健康甚至引起温 室效应，所以减少燃油消耗已经是轿车产品的必领之命，而车身轻量化是减小 能耗的行之有效的途径。 d p 5 9 0 是一种在普通低碳钢里加入了较多的s i 、m n 元素，再通过特殊的轧 制处理制得的由铁素体与马氏体组成的具有良好的成形性能与力学性能的双相 钢。有资料记载，车身薄板如果改用高强度钢板制作其厚度可从1 0 1 2 r a m 减 薄至0 7 0 8 m m ，车身重量减少1 5 2 0 ，节约燃油8 1 0 ，d p 5 9 0 双相钢 是车辆轻量化的优选材料【2 j 。 焊接变形是指未受载荷的时候由施焊局部高温引起的变形。主要包括弯曲变 形、挠曲变形、角度改变、波浪变形等几种。焊接变形对焊件结构的安装精度 有影响，过大的焊接变形量会在一定程度上降低焊件的承载能力。影响焊接变 形的因素包括焊件材质、焊接工艺与焊件结构等几方面。 就焊件材质而言，焊件变形量受焊接材料的热物理性能参数与力学性能参数 的共同影响。在热物理性能参数里，焊件材质的热导率对焊接变形的影响最明 显。热导率数值越大材料传导热的能力越大温度梯度就越小，焊件的变形越小。 焊件材料的力学性能参数对焊件变形的影响十分复杂，其中热膨胀系数对变形 的影响最明显，焊接变形随着热膨胀系数的增大而增大。此外材料在高温区的 弹性模量及其随温度变化而变化的能力对焊接变形也有一定的影响，弹性模量 越大焊接变形量越小。 就结构因素而言，焊件的结构设计是影响焊接变形量的关键因素。焊件受到 的约束越大焊后残余应力与焊接变形越大。焊件在焊接过程中受到的约束是不 断变化的，同时还受到外加约束的影响。在复杂构件中焊接变形受自身变化的 约束影响占主导地位，而自身变化的约束主要由温度的变化导致，因此影响焊 接变形的主要原因是温度的不均匀变化与分布。 就焊接工艺而言，焊接工艺如不同的焊接方法、不同的焊接热输入( 包括焊 接电流、电压、通电时间) 不同的焊接顺序、焊接夹具的使用、坡口形式等， 对焊接变形都有不同程度的影响。因为自起焊开始，焊接夹具、焊件结构、焊 件材料就认为是固定的，在研究焊接变形的时候，可以将其对焊件变形的影响 看成是不变的，焊接顺序的先后导致焊件温度分布不均，才是决定焊件变形量 大小主要原因。一个焊件假设有n 段焊缝，那么这个焊件的焊接顺就有( n 一1 ) ! 个【3 1 。在众多的焊接顺序中，总有某一个焊接顺序对应的焊件温度分布最均匀， 即焊件变形量最小，可以采用具有全局搜索能力的遗传算法搜索出这条焊接顺 序。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 简称g a ，是借鉴生物界的适者生存物竟天择的 自然法则，模拟生物进化过程获得最优后代的随机搜索算法。其基本思想是从 待解决问题的一组可行解的集合即初始种群( p o p u l a t i o n ) 开始，筛选后代再逐 代寻优。一个种群是由基因通过编码后构成个体( i n d i v i d u a l ) 集组成的，这些 个体就称为染色体。染色体是遗传信息的载体，染色体上的遗传信息就是编码 基因，它决定了染色体性状及其外部表现。因此遗传算法就要编码实现从表现 型到基因型的转变。编码方法有二进制编码、格雷码、自然编码等方法。初始 种群生成之后，按照生物进化的规律适者生存不适者淘汰。算法中的目标函数 近似等同于生物进化的生存环境，逐代( g e n e r a t i o n ) 淘汰劣质个体，保留的个 体越来越接近真实解。在此过程中每一代个体都要经历选择( s e l e c t i o n ) 、交叉 ( c r o s s o v e r ) 、变异( m u t a t i o n ) 等过程生成适应能力强的新的种群。新种群中的个 体更加能适应环境，末代种群中的最优个体还要解码( d e c o d i n g ) ，即可作为问 题的近似最优解。 本文借助a n s y s 软件对车用轻量化薄钢板的单个点焊熔核形成过程作了数 值模拟分析，确定了车用点焊的各种接头的点焊最优的焊接参数。同时用有限 单元法分析力多个焊点连接的车用薄板的温度场与变形量，为遗传算法求解最 优焊接顺序做了准备工作。并借助m a t l a b 遗传算法工具箱，编制了优化遗传 算法的t s p 程序，求得点焊车用薄板的最优焊接顺序，减小了焊件的变形量， 对于提高车用薄板的焊接质量与装配精度，提高汽车质量与竞争力具有实际意 、， 义。 1 2 数值模拟技术在轿车白车身电阻点焊中的研究现状 数值模拟就是用数学模型描述自然界或工程界中出现的现象，然后对数学 模型进行推导并求出解析解的过程。计算机模拟不仅能够将自然现象重现，能 还使人们对这一现象的成因与产生机制有更深入的了解。汽车制造所涉及的领 域包括车身设计与优化、碰撞分析、车身焊点的强度分析等等。若借助计算机 虚拟设计，就能缩短开发周期提高产品的竞争力。焊接是一种瞬态、非线性的 复杂连接方法。随着计算机技术的发展，焊接基本现象的仿真模拟已成为2 l 世纪焊接领域中重要的研究内容之一。在制造业里计算机仿真与模拟可使材料 利用率增加2 5 ，成本节约3 0 ，产品从设计至投产的时间缩短4 0 m j 。焊接 数值模拟已被我国国家自然科学基金确定为学科发展战略并成为金属热加工领 域的重要发展方向。 1 2 1 电阻点焊数值模拟的研究现状与发展趋势 数值模拟技术最早应用于电阻点焊是在2 0 世纪的6 0 年代，g r a r c h e r 在 19 6 0 年建立了一维点焊温度场的数值模型【5 j ，此后人们开始了电阻点焊的数值 模拟的研究工作。19 6 1 年j a g r e e n w o o d 引入有限差分法建立了轴对称的二维 传热模型，此模型考虑了材料性能参数随温度的变化对模型解析解的值影响【6 j ， 但忽略了接触电阻对模型解析解的影响。19 6 7 年w a r r e n r i c e 等人以碳钢材料 为研究对象用一个具体的公式来计算接触电阻，并建立了一维差分数值模型： r c = 0 0 0 0 0 1 3 5 e 一0 0 0 4 ( t 一3 0 ) + 0 0 0 0 0 0 4 5 1 ( 1 1 ) 其中r c 为界面接触电阻( q ) ，t 代表界面的均温，因该温度难求所以少被后 人采用，但这却是首次把接触电阻考虑到模型中，对电阻点焊数值模拟研究工 作具有很重要的意义 7 】。1 9 7 7 年a f h o u c h e n s 建立了点焊的热与电耦合的轴对 称模型，此模型同时考虑了相变潜热与材料性能参数随温度变化的影响，这是 电阻点焊数值模拟研究工作的一个很大突破，但该模型也将接触电阻的影响忽 视了【8 j ，这也是七十年代电阻点焊数值模拟研究的特点。19 8 4 年德国学者 h a n i e d 第一次采用有限元法，将电极也视作模型的一部分模拟了整个点焊过 程，其不足之处仍然是忽略了接触电阻的影响【9 j 。19 8 9 年韩国的h s c h o 教授 建立了点焊热、电耦合模型，并将界面接触电阻考虑到了模型当中获得了点焊 熔核生长过程中压降与接触电阻的变化情况【l 。19 9 2 年c l t s a i 和d i c k i n s o 以不锈钢为研究对象对点焊热、电、力的耦合过程进行了分析1 1 1 | 。19 9 8 年f e n g 和c o u l d 等人用a b a q u s 软件建立了热、电耦合模型，将收缩电阻考虑为接触 电阻并认为收缩电阻是粗糙的表面接触产生【l2 ”j 。19 9 9 年南卡罗莱大学的k h a n 与x u 建立了铝合金的点焊模型，模型中考虑到了摩擦系数、电极电阻与接触 电阻的影响，认为接触电阻应包括电极与工件间的接触电阻，工件与工件之间 的接触电阻两部分14 1 。c o u l d 的计算公式15 ： r c - 丝二! r w( 1 。2 ) 式中t m ，t o ，r 。，r w 分别表示熔点、室温、接触电阻与室温静态接触电阻。对 于合金相变是在一个温度范围内发生的。x u 和k h a n 在( 1 2 ) 式的基础上提出 一个改进的公式 1 6 】： 肛辟嚣rs01)+rsol,一t h r c 一电极的情况，要以电极的硬度为参考值计算焊件与电极间的接触电 阻率。否则以材料的硬度值为参考。c 卜z r - c u 合金电极的硬度值依按照公式i b l l 计算： h r c = 4 6 71 0 0 0 6 8 t ( 2 2 ) t 是不同时刻的温度。d p 5 9 0 钢与电极的接触电阻率如下表所示。至此点焊有 限元模型完成，本文所有计算都用该模型只是板厚不同。 表2 - 1d p 5 9 0 与铜合金电极接触电阻率 温度( 。c )2 0 2 0 44 2 66 4 7 电极工件接触电阻率 ( 1 0 。q m ) 4 5 33 8 92 8 61 o o 2 4d p 5 9 0 薄板点温度场模拟 在能源匮乏环境恶化的生存条件下，节能减排是轿车必领之命。车身轻量 化是未来车身的发展的趋势。如果用高强度钢制造车身焊板，其厚度可从 1 0 一1 2 m m 减至0 7 0 8 m m ，其质量减少l5 - 2 0 ，可节约油量8 一5 6 2 】。 d p 5 9 0 双相钢就是高强钢里级别较高的一种，在此对车用等厚的d p 5 9 0 薄板搭 接点焊接头的熔核形成过程与断电冷却过程作模拟。 运用a n s y s 热物理分析模块，完成有限元模型后，设置时间历程后处理器， 选择瞬态分析。时间步长选取0 0 1s ，环境温度设置为2 0 。c ，通电结束时间设 置为o 4 s ，g u i 命令为s o l u t i o n n e wa n a l y s i s t r a n s i e n t s o l sc o n t r o l s ，施 加的载荷为焊接电流的数值，通电加热正常求解，断电冷却过程用载荷步求解。 与通电加阶段相比，断电冷却阶段的前处理依然建立1 2 轴对称有限元模型， 单元类型选择热电耦合单元p l a n e 6 7 ，因为此单元有v o i t 与t e m p n 个自由度， 能够实现热电耦合。与通电热分析一样，需要建立模型，划分网格，定义单元 类型与材料性能参数，设置边界条件等。前处理模块与分析计算模块都与点焊 通电过程有限元分析一致。在设置求解器时要以载荷步的形式实现，具体g u i 命令如f ：点击d e f i n el o a d - - - - a p p l y e x c i t a t i o n c u r r e n t 一输入数据- - * l o a d s t e po p t s w r i t el sf i l e l - d e f i n el o a d d e l e t e e x c i t a t i o n c u r r e n t - - * l o a d s t e po p t s w r i t el sf i l e 一2 一s o l v e f r o ml sf i l e ，开始求解获得的温度场， 点焊d p 5 9 0 双相钢的计算条件如表( 2 2 ) 所示。 材料板厚( m m ) 电极压力( n )焊接电流( a ) 通电时间( s ) 7 7 0 00 4 d p 5 9 01 4 4 0 0 0 8 0 0 0 0 4 8 6 0 00 4 在上述的计算条件下，模拟各焊接电流所对应的熔核瞬态温度场，通过模 拟分析获得点焊d p 5 9 0 钢的最适宜点焊参数。并分析其它参数不适合的原因。 d p 5 9 0 点焊温度场分布如图( 2 4 ) 所示，断电冷却过程的温度场如n ( 2 5 ) 所示。 曼垮；嚣 曼；6 j 1 4 鬯1 0 4 0 7 5 鬯1 3 2 1 3 5 曼；6 。0 1 9 6 虽嚣誊 鳖鲨2 4 4 3 7 7 _ 2 7 2 ：4 3 8 8 0 0 0 a0 1s 曼：9 9 4 9 9 6 9 4 1 曼；蕞； 凰s i ；0 86 鬯；试7 8 4 曼8 ；：4 ；i 鬯1 4 1 8 _ 】；q 2 8 0 0 0 a 0 3 s 8 0 0 0 a0 2 s 8 0 0 0 a 0 4 s _ ；3 9 。9 9 6 2 6 5 1 猫2 5 5 鬯3 5 1 8 8 5 国4 6 2 5 1 4 垦5 7 3 1 4 4 基黜盈 隧翻9 0 5 0 3 3 m m m 1 0 1 6 曼；札0 0 8 2 7 1 5 烹；6 7 石；f r ，册 缫 9 9 1 3 9 囹】。； 曼i - s i 。, 1 ； 嚣黑 昌强： 图2 4 ( a ) 点焊熔核形成过程的瞬温度场( i = 8 0 0 0 at = o 4 s ) 曼；2 0 1 0 2 1 4 5 9 烹砭赫 凰蟊赫9 璺i 赫 曼蔬 嗣篇 7 7 0 0 a ，0 4 s + d i s f 0 1 1 9 3 2 + x f= 一0 0 5 1 2 5 y f = 0 0 5 6 4 8 z b u f f e r 鲜銎 戳j 3 9 _ 1 9 6 3 ，f - ，l 2 2 8 7 _ m m 嚣6 1 8 0 0 0 a 。0 4 s ! 裂0 0 9 3 9 1 6 曼磊6 3 。9 6 i 幽1 1 36 垦1 5 0 8 曼赢8 8 旦l _ 2 嚣2 5_ i 嚣 8 6 0 0 a 0 4 s 图2 4 ( b ) 各种电流模拟d p 5 9 0 双相钢的瞬态温度场( t = 0 4 s ) 1 4 t = o 1 s 曼i 3 1 5 0 8 9 4 5 6 曼赢；4 6 鬯 6 6 5 5 9 7 囵8 8 0 4 4 8 曼1 0 9 5 些1 7 4 0 _ 1 9 5 5 t = o 3 s i 拦； 一m ；9 9 3 3 ； 国；86 4 7 ； 圈；1 3 6 1 ； m 一；6 0 。, 7 5 j 鬯7 2 2 1 7 1 _ 8 0 9 3 l t = o 2 s t = o 4 s 曼矧i 舅五o ；8 幽1 8 1 5 8 4 囵2 3 ；：0 9 笪猫蒜 譬望4 2 9 i 1 5 iq 7 8 ：6 2 2 t = o 5 s 图2 5 ( a ) 双相钢点焊接头断电冷却阶段 曼夏；5 3 曼猫- 3 5 6 型4 1 2 2 5 9 囹5 4 2 ：1 6 1 望m ；2 ；6 8 4 筌望1 0 6 2 - ：； 曼篱8 6 。1 ； 曼矗5 4 9 7 。8 黧；1 8 1 6 1 里i8 1 3 4 ； 曼蕊5 2 ； 鬯5 3 4 。l , n w w l 一5 9 7 26 t = o 6 s t = 2 6 s - 裂； m i 2 0 5 7 2 鱼1 6 i 7 6 9 国；0 2 ：9 6 6 鬯猫：i 苫 _ m 嚣6 7 吲7 5 4 m 8 0 3 4 2 m 8 5 6 9 鳖翌9 1 0 39 囵9 6 ：3 8 8 _ i 0 1 7 36 黑f - 1 1 2 1 0 7 姗0 8 5 宣：警 t = 5 4 s 曼嚣嚣 曼i ；5 i 鳖型4 9 6 3 1 囵；8 7 l 垦聂7 ； u 7 6 8 7 一f - ；5 9 5 i 黼i 。， t = 1 4 s m 89 39 5 烹1 0 3 5 1 6 鬯1 1 7 6 3 7 囵1 3 1 7 5 8 鬯1 4 5 8 7 9 圉船：， i 鉴猎 t = 4 4 s l 飘嚣 m 5 2 0 5 鬯6 0 0 1 2 囵6 7 9 7 4 笪7 5 ：9 3 5 虽；溢 昌黼；。 t = 6 4 s 图2 - 5 ( b ) 双相铡点焊接头断电冷却阶段 2 4 1 加热阶段的结果分析 点焊温度场包括通电加热与断电冷却两个过程，己用有限元分析软件a n s y s 对这两个过程分别做了分析。现从熔核形成过程、熔核尺寸的变化与电极烧损 等情况来对等厚板d p 5 9 0 双相钢的搭接接头的温度场模拟结果做详细的分析。 双相钢是低合金钢所以其组织转变依然遵循f e c 相图，从相图上分析温度在 7 5 0 及其以上的区域即可看做是焊接的热影响区，14 5 5 以上的区域就可当熔 核区看待【”】。 垂、 5 8 l 4 7 3 6 0 、3 u d 6 3 9 5 2 8 4 0 丁一r卫卫“巧石 _ e 5 4 3 2 l 0 9 8 7 6 f l 2 3 4 5 6 6 7 8 口， f叮 一猢囵囹口口一 从图( 2 - 4 ) 的( a ) 图温度场的结果可得到熔核形成到长大的过程。在通电加 热初期，焊接区的最高温在工件间的贴合面上出现，焊接热量主要来自该处接 触电阻的焦耳热，因其接触电阻的数值比材料自身的大很多，所以产热高。在 此过程中，电极的循环水冷作用会不断地带走热量，同时工件间接触面与电极 有一定的距离，这都使热量在轴向z 方向传递的较慢，且温度上升也慢，高温 不但出现在工件贴合面上，而且还沿着工件径向上升地较为迅速。通电延续至 o 4 s 的时刻热量积聚在高温区域处形成熔核。根据实验公式d m i 。= 54 6 6 1 l ( 6 是板厚) 计算，将8 = 1 4 m m 代入公式得到结论d m i 。= 5 9 m m 是保证熔核不从焊板 上剥离的最小尺寸。其它两组参数所对应的点焊熔核长大过程与此相似，都有 熔核形成如图( 2 - 4 ) 的( b ) 所示，只是熔核尺寸与电极烧损情况不同，哪组参数 合理还需要再做更深入的分析。 通电电流8 0 0 0 a 时加热时间到o 4 s 的时刻，将工件工件间的贴合面上的的 温度分布情况用a n s y s 中的路径命令提取出来，如图( 2 6 ) 的( b ) 所示：当纵 坐标温度高于14 5 5 时刻，工件贴合面上( 即横坐标) 对应点在3 m m 以上， 即工件贴合面上已有3 m m 的距离的固体完全熔化掉( 熔核直径为6 m m 及以 上) 。而此刻用a n s y s 中的路径操作将电极工件接触面上温度分布提出如图 ( 2 4 ) 的( b ) 所示： 温度) 2 喜3 4 工工7 2 7 8 7 ，_ 辜嘻 嚣噜口，挚蒜警 叠聿蠹。0 雪嚣 麓备博。辑3 警 2 0 0 丑毒鼍量 z 0 5 巷6 蒜， 工参。摩o 争主 1 ，孽工5 卫7 工嚣工矗搴t 2 工4 e 3 6 7 。置工0 - 一拳l 径向拉移( m m ) 图2 - 6 ( a ) 工件工件贴合面上温度分布( i = 8 0 k at = 0 4 s ) 温度) l i o 盘 径向位移“m ) 图2 - 6 ( b ) 电极一工件贴合面上温度分布( i = 8 0 k at = 0 4 s ) 此刻电极与工件接触面上的最高温度为9 7 5 ，低于铜电极的熔点1 0 8 3 ， 电极几乎无损耗。所以得到结论：i = 8 0 k a 、t = 0 4 s 点焊1 4 m m 厚的d p 5 9 0 双 相钢板的可选工艺参数。 其它两组参数不合理的原因分析如下：7 7 0 0 a ，o 4 s 与8 6 0 0 ，0 4 s 这两组参 数的温度场模拟结果如图( 2 - 4 ) 的( b ) 所示，这两组参数的模拟结果都有熔核生 成。7 7 0 0 a 、0 4 s 这组参数计算获得的熔核直径此板厚的临界熔核直径5 9 m m ， 如( 2 - 7 ) 的( a ) 所示，熔核尚不能达到要求所以焊接参数7 7 0 0 a 、o 4 s 不可取。 再看8 6 0 0 a 、o 4 s 电极与工件端面温度分布的最高温度是1 1 3 8 8 ，已经高出 铜合金电极熔点10 8 3 ，如图如图( 2 7 ) 的( b ) 所示。电极端面熔化烧损严重， 故这组参数也不合理。 一i o 一j 径向位移如m ) 图2 7 ( a ) 3 2 件工件接触面温度分布图( 7 7 0 0 a0 4 s ) 麓量j 。o 替一孕， 径向位移( 1 1 1 1 m ) 图2 7 ( b ) 电极工件接触面的温度分布图( 8 6 0 0 a t = 0 4 s ) 2 4 2 模拟结果验证 虽然对温度场的模拟的实验结果做了合理的分析但还缺少实验结果验证。借 鉴文献【5 7 】在相同地计算条件下获得焊接电流值与熔核直径之间关系如图( 2 8 ) 的所示。本文模拟得到的结论是8 0 0 0 a 电流对应的熔核直径是6 m m 。从图中可 见点焊的熔合直径大约为6 6 3 m m 之间，可见本文的计算误差在0 3 m m 之内。 说明本文模拟的结果合理，此方法可也适用于其它点焊接头的温度场的模拟分 析计算。 t 占 叫 圃 辎 壁 ，。q氯惑暮壤睦。5 焊接电流( 乳) v + 。一一一一一1 、。c j 女“3 。# # g ；墨熔撂王疆 ，r ，r r ，1 工 融0器薏褥0 图2 - 8d p 5 9 0 双相钢时不同焊接电流实验测得熔核直径5 7 1 ( 0 4 s ) 2 4 3 冷却阶段温度场的模拟结果分析 断电冷却是在通电加热过后的一个自然的过程。断电以后点焊热源失去， 此刻通电时刻的温度场文件是分析断电冷却过程的载荷步。热都来自之前的通 电加热过程，随着时间的延续熔化区冷却结晶，热量流经电极与焊件慢慢地散 失，焊接区的温度下降最快。随着电极的水冷作用的消失，热量沿工件的径向 流逝温度下降缓慢。断电7 6 s 内的温度场分布如图f 2 5 ) 所示。 d p 5 9 0 双相钢是在低碳钢中加入些s i 、m n 等元素轧制后由铁素体、马氏体 钢组成的双相钢，且停留时间越长奥氏体化越充分焊后组织性能越好，但如果 停留时间过长，晶粒长大严重会降低塑性。从图( 2 5 ) 的( a ) 中可见，当断电冷 却到0 3 s 的时刻温度达到8 0 9 ，当冷却时间到o 5 s 的时刻，熔核区的温度 下降到4 7 8 。t s 5 这段时间是双相钢进行相变最为集中的时间段，故对焊后变 形影响最大，这段时间电极压力要起作用。点焊焊接热循环如图( 2 9 ) 所示。 冷却阶段 图2 - 9 点焊焊接循环图 2 5 异种钢点焊温度场的数值模拟 伴随着新产品的出现，异种材料间等厚与非等厚薄的点焊连接已经在所难 免，在轿车白车身的生产制造中也有所应用，在此对车用异质材料间的点焊接 头做了温度场模拟。焊接材料种类不同晶体结构也就不一样，热量在不同厚度 的板中传递能力不同，产热量也不等。板厚不等的异种材料点焊在一起就更不 容易，还常常伴有焊后熔核偏移现象。轻量化车门的制造，为了在减轻质量， 提高性能的前提下还能节约成本，在局部区域就会用到d p 5 9 0 与q 2 3 5 异种材 料间的等厚板的接头与d p 5 9 0 与q 2 3 5 异种材料不等厚薄板的点焊接头。在此 有必要用a n s y s 软件模拟此种接头的熔核形成过程并确定最佳工艺参数。异 种钢单点熔核形成过程模拟的计算条件如表( 2 3 ) 、( 2 4 ) 所示，温度场模拟的结 果如图( 2 10 ) 所示。 表2 3d p 5 9 0 与q 2 3 5 薄板通电加热焊接参数 材料 板厚( m m )电极压力( )焊接电流( a )通电时间( s ) 8 1 0 0o 2 q 2 3 5 ( 上) 1 34 0 0 09 0 0 0o 2 d p 5 9 0 ( 下) 1 3 1 1 0 0 00 2 表2 4d p 5 9 0 与q 2 3 5 薄板通电加热焊接参数 材料板厚( m m )电极压力( n ) 焊接电流( a )通电时间( s ) 6 6 0 00 3 q 2 3 5 ( 上) 0 84 0 0 0 7 1 0 00 3 d p 5 9 0 ( 下) 1 4 7 5 0 00 3 8 1 0 0o 3 8 1 0 0 a0 2 s 1 1 0 0 0 a0 2 s 9 0 0 0 a0 2 s 1 9 9 9 3 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 5 0 3 0 7 8 图2 1 0 ( a ) 异种钢等厚板各个焊接电流下通电加热温度分布( 0 2 s ) 9 0 0 0 9 扭瑚伽锄咖瑚m m 团图一日口 9 0 0 0 4扭m卿咖咖瑚啪!呈 l_囹圆圈囹口_ _i一瓣一糕一瓣一i置一一 6 6 0 0 a 曼三9 9 8 4 3 9 8 曼4 0 8 8 86 鬯6 0 3 335 国7 9 7 7 8 4 曼9 9 2 232 崔i 7 5 7 7 言 7 1 0 0 a 曼三2 9 6 9 8 84 9 5 曼4 33 7 0 1 鳖塑6 4 0 5 5 6 鱼8 4 7 ：4 1 2 舅1 0 5 4 量勰 鬯1 6 7 5 1 8 82 1 轰i i 6 曼4 8 5 7 3 1 鬯7 1 8 6 0 2 鱼9 5 1 4 7 2 曼1 1 8 4 虽器 i 裟 7 5 0 0 a 8 1 0 0 a 图2 1 0 ( b ) 异种钢非等厚接头各焊接电流通电加热温度分布( o 3 s ) 2 5 1 温度场模拟结果分析 对于等厚板的异种钢的点焊接头来讲，有限元模型与同种钢一样，只是不 同的材料其性能参数发生了变化。上面的板材厚度为1 3 r a m 的q 2 3 5 薄钢板， 下面的钢板是厚度是1 3 r a m 厚的d p 5 9 0 高强度薄钢板。电极压力恒为4 0 0 0 n ， 载荷电流分别是8 1o o a 、9 0 0 0 a 、1 11o o