（材料加工工程专业论文）铝合金点焊电极端面温度数值模拟与电极寿命的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 铝合金点焊电极寿命是影响点焊质量的关键技术，显著提高铝合金点焊电 极寿命将促进绿色环保型铝合金轿车开发及铝合金更广泛地应用。电极寿命降 低的主要原因是点焊过程电极端面铜铝合金化作用，电极端面温度对其铜铝合 金化反应具有决定性的作用，降低电极端面温度，可抑制电极端面的铜铝合金 化反应，进而影响电极寿命。鉴于点焊过程电极端面温度测试较难，采用数值 模拟方法，研究电极导电、导热性能对电极端面温度的影响，根据研究结果， 提出改变电极导电、导热性能、降低电极端面温度的电极处理方法并进行电极 性能与寿命试验。进一步观测处理电极的微观组织、性能以探讨电极寿命提高 的机理。根据确定的研究路线，本文研究取得的成果如下： 观测了铜铝合金化作用在焊点表面、电极端面的宏观、微观行为，依扩散 焊时铜铝界面接触反应特点及铜铝相图的金属学规律，分析了点焊时铜铝合金 化倾向及温度的作用。结果表明：电极端面发生了铜铝合金化反应，形成了铜 铝金属间化合物，电极端面温度对铜铝合金化有重要作用。 应用点焊温度场数值模型，采用数值模拟的方法，以a n s y s 为工具，首 次研究了电极端面温度与其导电、导热性能的关系。结果表明：显著提高电极 导电、导热性能，可使电极端面温度低于铜铝合金化温度，防止铜铝合金化反 应的发生。 首次提出了可以改变点焊电极导电、导热性能的电极深冷处理方法，进行 了深冷处理电极性能与寿命试验及点焊接头的拉剪试验。结果表明：深冷处理 改善了电极导电、导热等性能，电极寿命显著提高。 采用扫描电子显微镜、x 射线衍射仪等现代化分析手段，首次观测、分析 了深冷处理电极的微观组织，测试了电极应力状态及点焊的接触电阻。结果表 明：深冷处理提高了电极基体致密性，改变了合金元素的分布，细化了电极材 料的晶粒，降低了电极内部应力，电极i 件间接触电阻显著下降。 根据电极端面温度数值模拟、深冷处理电极微观组织与性能等研究结果， 探讨了深冷处理提高电极寿命的机理：深冷处理使电极导电、导热性能提高， 导电、导热性能提高使点焊过程的电极产热减少、散热加快，电极端面温度降 低，抑制了铜铝合金化反应，电极寿命明显提高。另一方面，深冷处理电极的 微观组织的变化使其力学性能改善，也有利于电极寿命提高。 关键词：铝合金点焊电极端面温度数值模拟电极寿命深冷处理 英文摘要 a b s t r a c t t h ee l e c t r o d el i f ef o r s p o tw e l d i n ga l u m i n u ma l l o yi st h ek e yt e c h n o l o g y t h a ti s r e l e v a n tt o s p o tw e l d i n gq u a l i t y i m p r o v i n g e l e c t r o d el i f ef o r s p o tw e l d i n g a l u m i n i u ma l l o yc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ea l u m i n i u ma l l o yc a l b e i n g g o o df o r e n v i r o n m e n ta n dt h ew i d e ru s e so fa l u m i r t i u ma l l o y a l l o y i n gb e t w e e n c o p p e re l e c t r o d et i p a n da l u m i n i u ma l l o ys h e e ts u r f a c ed u r i n g s p o tw e l d i n gt h e a l u m i n u ma l l o yi st h em a i nr e a s o no fd e c r e a s i n ge l e c t r o d el i f e t h ee l e c t r o d et i p t e m p e r a t u r eh a st h ef a t e f u l e f f e c to nt h ea l l o y i n g e l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r ec a n c o n t r o lt h ea l l o y i n gr e a c t i o na n df u r t h e rc h a n g ee l e c t r o d el i f e d u et ot h ef a s ts p o t w e l d i n gp r o c e s sa n d t h es u r v e y i n gd i f f i c u l to fe l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r e ，t h ee f f e c to f e l e c t r o d ec o n d u c te l e c t r i c i t yp r o p e r t ya n de l e c t r o d ec o n d u c th e a tp r o p e r t yo nt h e e l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r ed u r i n gs p o tw e l d i n ga l u m i n i u ma l l o yi st ob es t u d i e db y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，a c c o r d i n gt or e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h et r e a t m e n tw a yt h a ti m p r o v e st h ec o n d u c te l e c t r i c i t yp r o p e r t ya n dc o n d u c th e a t p r o p e r t yo f e l e c t r o d e si st ob ep u tf o r w a r d ，e x p e r i m e n t so fe l e c t r o d ep r o p e r t i e sa n d e l e c t r o d el i f ea r et ob ec a r d e do u tw i t ht l l et r e a t m e n te l e c t r o d ea n dt h en o n - t r e a t m e n t e l e c t r o d e t h em i c r o s t r u c t u r e so fe l e c t r o d e sb e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n ta r et ob e o b s e r v e da n dt h ep r o p e r t i e so fe l e c t r o d e sb e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n ts u c ha si t s t h e r m a lp h y s i c a lp a r a m e t e r ，r e s i s t i v i t ya n dc o n t a c tr e s i s t a n c ei st ob em e a s u r e dt o d i s c u s st h em e c h a n i s mo f i m p r o v i n g t h ee l e c t r o d el i f eb yt h et r e a t m e n tw a yf o rs p o t w e l d i n ga l u m i n u ma l l o y r e s u l t sf r o m t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w ： t h ea p p e a r a n c eo ft h ea l l o y i n gb e t w e e nc o p p e re l e c t r o d et i pa n da l u m i n i u m a l l o y s h e e ts u r f a c e d u r i n gs p o tw e l d i n gt h ea l u m i n u ma l l o y i so b s e r v e do nt h e s u r f a c e so f s p o tw e l d sa n d t h ee l e c t r o d et i p a c c o r d i n gt os p e c i a lf e a t u r e so fc o j a i c o n t a c tr e a c t i o nu n d e rd i f f u s i o nw e l d i n g a n dt h e m e t a l l o g r a p h i c l a wo ft h e e q u i l i b r i u md i a g r a mo fc o p p e ra n da l u m i n i u ma l l o y ，t h ea l l o y i n gt e n d e n c ya n dt h e e f f e c to ft h et e m p e r a t u r eo nt h ea l l o y i n ga r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e r ei s t h ea l l o y i n gp h e n o m e n o no nt h ee l e c t r o d et i pa n dt h ec u a ii n t e r m e t a l l i c si sf o r m e d t h ee l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r ei st h ek e yf a c t o rf o rt h ea l l o y i n gp r o c e s sb e t w e e nt h e e l e c t r o d ea n dt h ew o r k f l i e c e t h ee f f e c to ft h ee l e c t r o d ec o n d u c te l e c t r i c i t yp r o p e r t ya n de l e c t r o d ec o n d u c t 天津大学博士学位论文 h e a tp r o p e r t yo nt h ee l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r ed u r i n gs p o tw e l d i n ga l u m i n i u ma l l o y i ss t u d i e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dw i mt h ed e v e l o p m e n tt o o lo f a n s y st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ti m p r o v i n gt h e e l e c t r i c i t y c o n d u c tp r o p e r t ya n dh e a tc o n d u c tp r o p e r t yo fe l e c t r o d e sc a nm a k et h ee l e c t r o d et i p t e m p e r a t u r e u n d e rt h ec u a ia l l o y i n gt e m p e r a t u r es ot h a tt h ea l l o y i n gc a r l th a p p e n a c c o r d i n g t on u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ew a yo f d e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t o fe l e c t r o d e st h a t i m p r o v e s t h e e l e c t r i c i t y c o n d u c tp r o p e r t ya n dh e a tc o n d u c t p r o p e r t yo f e l e c t r o d e si sp u tf o r w a r df i r s t l y t h ee l e c t r o d ep r o p e r t i e st e s t i n gb yt h e p r e c i s et e s t i n gi n s t r u m e n t so ft h er e s i s t a n c e ，t h e e l e c t r o d el i f e e x p e r i m e n ta n dt h e t e n s i o ns h e a rt e s to fs p o tw e l d sa r ec a r r i e do u tw i t ht h ed e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t e l e c t r o d e sa n dt h e n o n d e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t e l e c t r o d e s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t d e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n t i m p r o v e s t h e e l e c t r i c i t y c o n d u c t p r o p e r t y ，h e a tc o n d u c tp r o p e r t yo f e l e c t r o d e s a n dt h ee l e c t r o d e sl i f e t h em i c r o s t r u c t u r e so fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n te l e c t r o d e s ，t h es t r e s ss t a t ea n d t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei n s p o tw e l d i n ga l u m i n i u ma l l o ya r e s t u d i e db ys e ma n d x r d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n tm a k e st h eb a s e o fe l e c t r o d e a l l o y d e n s e rt h a nt h e n o n c r y o g e n i c t r e a t m e n to n e ，c h a n g e st h e d i s t r i b u t i o no ft h ee l e m e n ti ne l e c t r o d ea l l o y ，m a k e st h ec r y s t a lp a r t i c l e ss m a l l e r t h a nt h en o n c r y o g e n i ct r e a t m e n to n e ，d e c r e a s e st h ei n s i d es t r e s so fe l e c t r o d e sa n d m a k e st h ec o n t a c tr e s i s t a n c es h a r p l yd e c r e a s e t h em e c h a n i s mo fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n ti m p r o v i n gt h ee l e c t r o d el i f ef o r s p o tw e l d i n ga l u m i n u ma l l o yi sr e s e a r c h e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t so f t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s d e c r e a s i n gt h ec o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e n e l e c t r o d e sa n da l u m i n i u ma l l o ys u r f a c e sm a k e st h ef o r m i n gh e a tq u a n t i t yo fc o n t a c t a r e ab e t w e e ne l e c t r o d e s a n da l u m i n i u m a l l o y s u r f a c e s s m a l l e r ，m e a n w h i l e i n c r e a s i n gt h ec o n d u c th e a tp r o p e r t ym a k e t h es p r e a d i n gh e a ts p e e df a s t e rs ot h a tt h e e l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r ei ss h a r p l yd e c r e a s e dd u r i n gs p o tw e l d i n ga l u m i n i u m t h e m i c r o s t m c t u r e c h a n g e s o f d e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n te l e c t r o d e s i m p r o v e t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e c a u s eo ft h e s er e a s o n s ，t h ee l e c t r o d el i f ei si m p r o v e d k e yw o r d s ：s p o tw e l d i n ga l u m i n u ma l l o y ，e l e c t r o d et i pt e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e l e c t r o d el i f e ，d e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔盗盘堂或其他教育机 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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昊走生 签字日期：2 0 0 2 年2 月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 筻茗，空 导师签名： 事事 签字 = = ：| 期功出二2 月2 0 r签字日期：2 0 0 2 年2 月2 0r 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 世界汽车拥有量在2 0 0 0 年已达到6 7 3 亿辆，其中轿车5 2 4 亿辆，汽车所用 的燃料目前仍主要是石油产品，汽车年消耗石油约占世界石油产量的4 8 ，而 石油的储存量预计仅能开采n 2 1 0 0 年“3 。显然，随着全球汽车工业的不断发展， 汽车给人们带来生活便利的同时，也在加剧着能源的消耗并恶化着人们的生存 环境。人们需要汽车，也需要可持续地应用能源，更需要清洁的生存环境。因 此，汽车的轻量化、降低油耗和排放、提高性能及保证安全成为汽车工业发展 的主要方向。要降低汽车油耗量，除改进汽车的设计和研制省油的发动机外， 减轻汽车的重量，在汽车上广泛使用轻质材料是一项行之有效的措施。汽车轻 量化还能减轻轮胎磨损，延长汽车使用寿命。从二十世纪七十年代起，汽车尤 其是轿车已开始运用轻质材料，出现了一些由轻质金属制造的汽车部件。目前 世界上汽车轻质材料主要有：高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、塑料等“1 。 其中，铝及铝合金由于具有比强度高、比重小、大气环境下耐腐蚀性强、 散热性能好、易于进行多种加工和在自然界含量较丰富等特点，在保证相同的 刚度和强度下，采用铝合金制造轿车车身可以减少车体重量的6 0 左右，从而 减少相当数量的燃料消耗和环境污染。“。其次，铝合金材料可以反复回收利 用，将氧化铝变为液态铝的理论能量消耗是8 5 w h k g ，而从固态铝废料获得 液态铝仅需要0 3 w h k g 的能量，它仅仅是冶炼能耗的3 8 。考虑实际回收工 艺效率，回收过程中消耗的能量会有所增加，尽管如此，将废旧铝回收为铝所 消耗的能源，也低于由矿石生产原铝所需能源的5 ，却可以保持原有材料的性 能“1 。此外，铝合金由于表面有一层致密的氧化物保护膜，其表面无需如一般 碳钢材料那样进行镀层处理即可获得满意的抗腐蚀性能，从而提高汽车的使用 寿命，而电镀、热镀锌钢板的镀层处理不仅工艺复杂、成本较高，并且严重污 染环境”1 。显然，绿色环保型的铝合金轿车乃是2 l 世纪汽车制造业发展的必然 趋势。 目前，世界上主要的汽车生产国如美国、日本和德国等，已有二十余家著 名的汽车公司在汽车生产中扩大铝合金的应用量。1 。德国奥迪通过与美国专门 制造高品质铝合金的公司a l c o a 合作，使原本只用在赛车的铝合金应用到大批量 生产的汽车上，奥迪a 8 、a 2 型高级轿车的整个车身均采用铝合金制造，采用立 天津大学博士学位论文 体框架式结构，覆盖件为铝合金板冲压而成，长5 0 3 4 m 、宽1 8 8 m 的奥迪a 8 铝合 金车身与钢车身相比，质量减轻3 0 5 0 ，油耗减低5 8 ”“。日本本田 公司生产的i n s i g h tb y b r i d 轿车车身应用铝合金量达到1 6 2k g ，比钢车身减重 约4 0 ，该公司生产的顶级跑车n s x ，车身和部分底盘零件全部用铝合金制造， 车体重量比用钢材制造时减轻了1 4 0 k g ，整辆轿车减轻2 0 0 k g ，燃料消耗降低了 1 3 “。奔驰公司新一代s 系列轿车前桥拉杆和横向导臂、前桥整体支撑结构 采用铝合金材料，部件的质量只有1 0 5k g ，与钢件相比轻3 5 。美国通用汽车 公司的p r e c e p t 型汽车配有铝合金的底盘、车身和前排座框架，甚至车体结构也 有铝合金部件“、”。目前，在国际豪华车市场，铝合金平均用量为2 4 5 磅，而1 9 9 1 年仅为1 6 0 磅。奥滋莫比尔的a n r o r a 的铝合金部件总重为4 8 0 磅，几乎是汽车铝 合金平均使用量的两倍，2 0 0 1 年的a n r o n a 4 o 型l b 2 0 0 0 年的同型号的产品减重 1 6 5 磅。福特2 0 0 1 年的e x p l o r e r 是目前铝合金使用量较多的一个车型，其转向节、 发动机罩和前翼字板都采用铝合金制造。1 。美国汽车公司近十年来生产汽车过 程中耗铝量已增加了1 7 5 倍。全世界铝及铝合金的消耗量每年已经高达2 3 0 0 0 千吨以上，成为仅次于钢铁的第二大金属材料3 。据估计，n 2 0 0 6 年，全球汽 车工业的耗铝量将达到1 0 0 0 万吨。1 。随着铝及铝合金的优良性能不断地被认识 和利用，其应用量在汽车制造业包括在其它行业如航空航天领域、家用电器制 造业等将日益扩大。 铝合金的应用和铝合金焊接技术的发展是相辅相成的。随着铝合金应用量 的不断扩大，铝合金焊接问题愈显重要，铝合金应用范围的扩大，需要不断提 高铝合金的焊接技术，铝合金焊接技术的提高又会促使铝合金应用领域进一步 扩大。铝合金在汽车制造业的应用是汽车应用材料的一个新的发展方向，汽车 上的铝合金结构件皆要求焊接，并要求焊缝有良好的机械性能“。将单个零件 拼接成车身结构的工作属于汽车制造商的核心技术“1 。在汽车制造业长期以来 广泛应用的电阻点焊工艺方法，具有机械化、自动化程度高、生产率高、焊接 质量可靠的特点，但目前用电阻点焊工艺方法点焊铝合金车身还不能完全保证 焊点质量，以至于铝合金轿车制造商目前只能较多采用其它的连接方法而较少 采用电阻点焊工艺方法“3 ”1 。如德国奥迪汽车公司开发的全铝车身的奥迪a 8 轿 车，在车身制造过程中采用冲铆和金属惰性气体m i g 焊接工艺方法作为铝合金板 材、零件的连接技术。在改进型的奥迪a 2 的车身制造过程中，采用m i g 焊接工艺 方法所焊焊缝总长度为2 0 m ，放弃了电阻点焊工艺和结构粘接，冲铆拼接的百分 比显著提高，其连接点大约达到1 8 0 0 个。铝合金车身构件的激光束焊接应用扩 大，其焊缝总长度达3 0 m 左右。1 。然而，与采用电阻点焊工艺方法相比，采用m i g 焊接工艺方法焊接铝合金轿车会使铝合金焊接过程自动化难度增加，并且由于 天津大学博士学位论文 到几千点，而铝合金的点焊般仅能达到几十点”“。在这些问题中，铝合金电 阻点焊电极磨损及寿命问题是铝合金电阻点焊技术问题中的关键问题，因为铝 合金电阻点焊飞溅问题、焊点表面成型质量问题及点焊接头的焊接质量不稳定 等问题皆与电极的磨损及其工作寿命存在着密切的关系。电极寿命太低，须在 铝合金点焊过程中时常修磨和更换电极并造成点焊过程中断，严重影响铝合金 电阻点焊的工作效率。因此，提高铝合金点焊电极寿命是铝合金点焊技术研究 中的重要研究内容之一。 为提高电极寿命，目前的研究主要是采取冶金手段进行电极的表面改性或 在铝合金工件表面电镀某种合金进行铝合金工件表面改性，以减小铜合金电极 与铝合金工件在点焊过程中的合金化作用，或通过调整点焊工艺参数或控制点 焊电源输出的点焊电流波形以减弱电极与工件的合金化作用。”1 。 铝合金点焊电极寿命降低的根本原因是铝合金点焊电极工件界面的铜铝 合金化。因此，研究铝合金点焊电极工件界面铜铝合金化发生的条件、铜铝合 金化过程及铜铝合金化的影响因素，提出一种可以显著改变铝合金点焊电极导 热、导电性能、降低铜合金电极铝合金工件界面温度，进而抑制铜铝合金化反 应、提高铝合金电阻点焊电极寿命的电极处理法，将有益于改善铝合金点焊质 量，促进铝合金在汽车制造业的广泛应用。 本文在总结、分析铝合金应用现状及前景、铝合金点焊技术研究概况及意 义的基础上，进行了铝合金点焊电极端面温度数值模拟与电极寿命的研究，采 用数值模拟的方法，研究了铝合金电阻点焊电极端面温度与电极热性能参数及 电性能参数的关系，提出了提高铝合金电阻点焊电极寿命的电极深冷处理方法。 该课题的研究成果将显著减少铝合金点焊过程更换或修磨电极的次数，保证高 自动化程度点焊机的生产率。该项目的研究成本较开发、冶炼新电极铜合金的 成本要低的多，与电极表面改性相比具有整体改性的特点，并且可节约能源、 实现清洁生产、益于环境保护，研究成果将具有良好经济效益和社会效益。 1 2 铝合金点焊数值模拟与电极寿命研究现状 1 2 1 铝合金电阻点焊过程数值模拟研究现状 自2 0 世纪6 0 年代，数值模拟技术开始应用于电阻点焊过程研究。点焊过程 涉及力、热、电、磁、冶金等物理、化学过程，依据力、热、电物理过程基本 方程并对方程中的参数和边界条件进行简化和假设，从而建立电阻点焊过程的 数学模型，进而用数值模拟的方法对电阻点焊过程的温度场、电流场、电势场 天津大学媾士学位谂文 到几千点，而铝合金的点辉般仅能达到几十点”。在这些问题中，锅合金电 阻点焊瞧辍壤摄及寿愈阕题是锚合金龟隆点滓技术阀题中弱关键润题，困受镫 合金电阻点烬飞溅问题、烽点表嚣成型质量闫题及点焊接头煦焊接质璧不豫定 等问题皆与电极的磨损及其工作寿命存在着密切的关系。电极寿命太低，须在 铝合金点焊过程中时常修磨和更换电极并造成点焊过程中断，严重影响铝合金 电阻点浑豹工作效率。因魏，撼高铝合金点舜逛极寿命怒铝合金点浑技术磷究 中的重要哿 突内容之一。 为提高电极寿命，目前的研究主要是采取冶金手段进行电极的表磁改性或 在铝合金工件表面电镀某种合金进行铝合衾工件表面改憔，| 三i 减小铜合金电极 与铝合鑫工件在点焊遗程中的合金化作用，或通过调整点焊工艺参数或控制点 浮宅源输出戆点烬电流波形戳减弱毫辍与工 牛麴合金纯铬用“”1 。 铝仑金点焊电极寿命降低的根本原因是铝合金点焊电极工件界藤的铡镊 合金化。因此，研究铝合金点焊电极工件界面铜铝合金化发生的条件、铜铝合 金化过程及铜铝合金化的影响因素，提出一种可以显著改变锅合金点焊电极导 熬、导电往麓、降低诵合金电辍铝合金工件莽蟊灞寝，滋雨季审制铜锯合金纯反 应、提裹铝会金电阻患焊电极寿命的电极处理法，将有薤于改善铝合金点焊震 量，促进铝合金在汽车制造业的广泛应用。 本文在总结、分析铝合金应用现状及前景、铝合金点焊技术研究概况及意 义的基础上，进行了锅台会点烨电极端面温度数值模拟与电极寿命的研究，采 蠲数僮模数靛方法礤究了铝台金电阻点爆电援端蘸遗发与电掇热牲锈参数及 电性能参数的关系，提出了提高铝台金电阻点焊电极寿命的电极深冷处理方法。 该课题的研究成果将显著减少铝合金点焊过程更换或修麟电极的次数，保 正高 自动化程度点焊视的生产章。该项目的研究成本较开发、冶炼新电极铜合金的 裁本要羝静多，与电辍表瑟改穗袒魄蒸有整体敬性的特点，势登可节约能源、 实现清洁生产、益于环境保护，研究成果掺具有良好经济效益和社会效益。 1 2 铝合金点焊数值模拟与电檄寿命研究现状 1 2 1 锯会金电阻点烊过程数值模拟磺究现状 自2 0 世纪6 0 年代，数值模拟技术开始应用于电阻点掉过糨研究。点绰过程 涉及力、热、电、磁、冶龛等物理、化学过程，依握力、燕、奄懿理邋程基本 方程并黠方程中的参数和边界条件进毒亍篾化和假设，从藤建立电阻点姆过援的 数学模型，避而用数值模拟的方法对电阻点焊过程的温度场、电流场、电势场 一4 一 第一章绪论 和应力应变场进行求解，以研究电阻点焊过程的机理。数值模拟技术为电阻点 焊过程的研究提供了有效的分析手段。由于点焊过程中力、热、电等因素的相 互影响，因此电阻点焊过程数值模拟，与单一的力、热、电物理过程相比，具 有一定的复杂性。 在1 9 6 1 年，g r e e n w o o d 运用有限差分方法并考虑温度对材料物理性能参数的 影响、工件内部焦耳热，最早建立了电阻点焊过程的轴对称热传导模型啪1 ，随 后不久，j r a g e 建立了与之相近的点焊过程数学模型。，他们研究了点焊过程 的温度场及熔核的形成过程，结果表明：电阻点焊初期的高温区域产生于电极 与工件接触区域的边缘，在电极周边的工件内部首先形成环状熔核。其研究结 果随后由k a i s e r 进行了试验验证。“。该研究的缺点是在模型建立过程中未考虑 点焊接触电阻及熔化潜热等因素；p s m y e r s 认为这样的简化将产生较大误差并 且认为准确的电阻点焊过程数值模拟应该充分考虑点焊过程的接触电阻。“。 接触电阻是电阻点焊过程的基本物理现象，早在1 9 3 9 年，j a s t u d e r 就对 电阻点焊的接触电阻进行了研究，1 9 4 1 年，r f t y l e c o t e o “，w b k o w e n h o v e n 研究了工件表面状态对接触电阻的影响1 ，1 9 6 1 年k a i s e r 研究了接触电阻对点 焊形核过程的影响m 1 ，随后w f s a v a g e 测试、研究了点焊静态接触电阻啪1 。 1 9 6 6 年j a g r e e n w o o d 理论分析了电阻焊接触电阻与实际接触面积的关系o ”， 1 9 8 8 年美国通用公司的a l e e 和g l n a g e l 系统测试了低碳钢点焊动态接触电 阻，研究了工件工件接触电阻、工件电极接触电阻和工件本体电阻与焊接时 间的关系，结果表明：工件工件接触电阻仅在点焊的第一个周波存在，工 件电极接触电阻则存在于点焊周期始终，1 9 9 3 年v o g l e r 和s h e p p a r d 研究了在高 温及接触压力下接触电阻变化规律汹3 ，并将研究结果应用于电阻点焊过程数值 模拟h 0 1 。铝合金点焊接触电阻近几年已开始研究，铝合金表面有一层致密的、 导电性能较差的氧化膜，因此其接触电阻与其它金属材料相比，具有不同的特 点。p h t h o r n t o n 研究了铝合金点焊接触电阻随电极压力和材料表面状态的变 化规律，结果表明：一般情况下，随着压力的增大，接触电阻减小，但压力达 到一定值后，接触电阻趋于稳定“。铝合金铜电极接触电阻在直流电下与电 源的极性有关“。e c r i n o n 研究了材料种类、电极表面粗糙度、氧化膜的厚度 以及电极的滑动等因素对铝合金点焊接触电阻的影响，结果表明：轴向电极压 力对接触电阻的影响相当小，但微小的电极滑动将使接触电阻急剧下降1 。 p s j a m e s 认为：工件工件接触电阻和工件电极接触电阻的数值相差较大，工 件工件接触电阻比工件电极接触电阻大很多并且前者随压力的变化缺少规律 性“。天津大学在2 0 0 1 年采用数值模拟的方法，研究了氧化膜对铝合金点焊电 接触特性的影响及在焊接电流通过接触面时微观导电机理、分布规律及影响因 天津大学博士学位论文 素：研究了接触电阻的随机分布特征及其随压力、温度等因素的变化规律；探 讨了接触电阻的分布特征及其变化规律对点焊初始温度场、形核机理、飞溅及 电极烧损的影响：建立了铝合金点焊过程数值模拟的接触电阻模型”。长期以 来国内外的一系列研究结果表明：接触电阻影响点焊过程的温度场、点焊熔核 的形成过程、电极的烧损及电极的寿命。因此，铝合金电阻点焊过程数值模拟 必须考虑点焊过程的接触电阻。 随着电阻点焊过程数值模拟和点焊接触电阻研究的不断深入，焊接工作者 在电阻点焊过程数值模拟研究中对点焊接触电阻逐渐给予了重视。b e n t t l y 和 g r e e n w o o d 研究了中碳钢点焊接触电阻对点焊温度场的影响“”，结果表明：接 触电阻仅在点焊初期起作用并随点焊过程的进行而趋于稳定。1 9 6 7 年，w r i c e 建立了碳钢点焊过程一维差分数值模拟模型“”，采用的接触电阻数学模型为： r 。= 0 0 0 0 0 1 3 5 e 一。“o ) + 0 0 0 0 0 0 4 5 ( 卜1 ) 其中，盈是接触电阻，单位为q ；伪界面平均温度，单位是。模型考虑 了电、热物性参数与温度的关系、焦耳热和工件间接触电阻，但未考虑电极 工件的接触电阻和熔化潜热。1 9 7 1 年，b 本学者t y a m a m o t o 提出了轴对称差分 模型“，该模型考虑了热物性参数与温度的关系并依实验假定了接触面积，在 电流密度的计算中电阻率取为常数。1 9 7 7 年，h o u c h e n s 建立两个有限差分模型 对点焊过程进行模拟“，其中一个模型为一维热传导模型，它考虑了物性参数 与温度的关系、熔化潜热及电极和工件的焦耳热，研究了熔深的动态变化过程 及电极表面温度，结果表明：强规范有利于降低电极表面温度：另一个模型考 虑了轴对称的电极几何因素，探讨了电极、工件的温度分稚和电流密度分布。 1 9 8 4 年，德国学者1 9 h e m 博士建立了点焊过程的轴对称差分模型”，该模型考 虑了物性参数与温度的关系并依实验结果设定了球形电极接触面积与时间的关 系，研究了铝合金点焊形核过程。同年，美国学者n i e d 利用a n s y s 软件建立了不 锈钢点焊过程的轴对称有限元模型”“，该模型考虑了电极与工件的形状因素及 温度对物性参数的影响，点焊过程热电分析的接触条件为预压接触分析的结果， 1 9 8 7 年，g o u l d 用一维有限差分模型研究了碳钢点焊的熔核形成过程”“，该模 型考虑了电极形状、内部产热、相变以及接触电阻等因素，其中接触电阻被假 设为界面温度的线性函数，1 9 8 9 年z h a n 建立了轴对称差分模型以研究点焊过程 的热电耦合5 ”，该模型考虑了工件间的静态接触电阻并假定它与接触压力成线 性关系，但未考虑电极工件的接触电阻，同年，韩国学者h s c h o 建立了类似 的轴对称差分模型”，接触电阻采用a l t s l a f 研究结果”其表达式为： 舻j 怒蹦瓦， ( 卜2 ) 第一章绪论 其中，p 。：界面电阻率；h ：材料的硬度；疋：室温；r ：计算温度 1 9 9 0 年，h s c h a n g 建立了三维有限差分模型。”，研究点焊分流因素的影响， 接触电阻采用a l t s l a f 等的研究结果，接触区域为7 2 3 等温线所围区域。1 9 9 1 年，c l t s a i 建立了轴对称有限元模型，研究电极膨胀位移的变化”“，接触电 阻采用a l t s l a f 的研究结果，其接触面积是依压力和屈服强度计算所得结果， 1 9 9 2 年，c l t s a i 和d i c k i n s o n 建立了不锈钢点焊过程热、电、力耦合有限元模 型”1 ，研究表明：接触面压力、温度分布不均匀。该模型未考虑变形对热电分 析的影响。1 9 9 5 年，d j b r o m n e 建立了铝合金点焊过程的数值混合模拟3 ，其 中热、电模型为有限差分模型，力学模型为有限元模型，工件间的接触电阻为 恒值，忽略了电极工件间的接触电阻、焊接过程中接触面的变化及变形等影响 因素，研究了分流对点焊过程的影响，1 9 9 6 年，s j n a 和s w p a r 建立了点焊过 程热电混合有限元模型，该模型将工件电极的接触表面假设为锯齿形接触， 考虑了接触电阻的微观分布特征。1 9 9 7 年，h h u h 和w j k a n g 建立了点焊过程三 维热电有限元模型“”，研究了电极端部椭圆度对热电行为的影响。模型考虑了 两个接触面上的接触电阻、本体电阻以及其它物性参数随温度的变化，研究表 明：电极的椭圆度对点焊过程中的电流分布和产热有影响，但忽略了接触压力 对接触电阻的影响并假设接触电阻与温度的关系为线性。1 9 9 8 年，印度学者 0 p g u p t a 和a m i t a v ad e 建立了轴对称有限元模型“。该模型考虑了交流的集 肤效应，接触区域依不同时刻的温度、压力和材料强度进行修正。1 9 9 8 年，t u l a 州立大学和a a c h e n 工业大学联合开发了电阻点焊有限元仿真软件s p o t s i m 8 1 ， 该软件采用的接触电阻为： p ，：p ，! ( 1 3 ) c 2 i 。1 一。 p ，为界面电阻率，p 。为常数，仃为材料的屈服强度，f 为电极压力。2 0 0 0 年，j a m il a k h a n 等建立了铝合金点焊过程三维数值模拟模型1 ，研究焊接电 流、工件间接触电阻和电极工件间接触面热阻对点焊形核、液态熔核区流动的 影响，研究结果表明：点焊电流、接触电阻及热阻对熔核、h a z 的几何形状、熔 化和凝固速率及液态熔核的动力学行为有较大影响：在液态熔核区的中心区域 存在着对流，对流速度并不明显( ( 0 0 1 m s ) ，仅在大电流( 5 0 k a ) 时发生。 该模型将接触电阻假设为温度的线性函数，工件间的接触面半径取为电极端面 半径，未考虑接触面在点焊过程中的变化及变形对热电分析的影响。 在国内，1 9 9 1 年哈尔滨工业大学的曹彪建立了低碳钢点焊过程有限元模型 “，考虑了点焊过程接触面变化和接触压力对接触电阻影响，接触电阻经验公 式： 天津大学博士学位论文 r 。= k 。h ( t ) f ( 1 4 ) r 为接触电阻，k 。为综合系数，t 为温度，f 为接触压力，m 为膜破碎因子， 该式综合考虑了接触电阻与温度和接触压力的关系，较好地反映了接触电阻的 动态变化规律，该模型未考虑变形对热电过程的影响。1 9 9 9 年，吉林工大的王 春生等人建立了三维有限差分模型，研究异质材