（材料加工工程专业论文）铝合金电阻点焊数值模拟及熔核性能的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 电阻点焊广泛应用于航空、航天、能源、机械、电子、车辆及轻工部门，在 现代制造业中占有不可替代的地位。然而电阻点焊焊接过程是一个高度非线性的 多物理场耦合作用的复杂过程，加上焊接时间极短，熔核形成过程具有不可见性， 给实验观测带来困难。 本文采用数值模拟方法对铝合金点焊熔核形成过程进行了研究，建立了铝合 金电阻点焊的力、热、电耦合模型，模拟了电阻点焊过程温度场的变化情况，揭 示了铝合金焊接过程中的熔核产生、形成及长大过程，并对其进行了分析。 在工艺方面，提出了一种基于数值模拟的熔核承受剪切性能的逆过程设计方 法来建立熔核，确定点焊焊接结构的力学性能与熔核尺寸及形状模型，选择出能 满足剪切性能要求的合格熔核形状。在此基础上对合格熔核形状进行温度场的模 拟计算，确定点焊焊接工艺参数，对实际的点焊焊接工艺参数的选择具有指导意 义。 在残余应力应用方面，铝合金电阻点焊焊接过程加热冷却速度快( 几个周波 内) 、温度梯度大、熔核膨胀和收缩大，同时受到焊接压力作用，弹塑性变形严 重，在点焊熔核中存在着较大的残余应力。它对焊接接头性能影响严重，从而影 响熔核设计的可靠性和疲劳寿命。点焊的残余应力主要是受电极压力和热载荷的 影响，为此分析了在热载荷和电极压力作用下焊点残余应力的分布情况，并使用 x 射线衍射法检验了不同电极压力及持压时间下焊点的残余应力大小，试验与计 算结果表明，数值模拟熔核的平均残余应力与x 射线衍射法测量所得残余应力相 当，说明了数值模拟焊点残余应力的正确性。 在焊点疲劳方面，进行了四部分研究：第一，根据载荷和几何结构计算中的 应力应变响应，它是进行疲劳分析的基础；第二，将应力应变响应，结合材料性 能参数，分析了熔核全寿命疲劳分析；第三，应用疲劳损伤模型，得出了沿熔核 环向的两板的疲劳损伤( 寿命) 分布极坐标图，它能够更准确的了解和认识电阻 点焊疲劳损伤机理，有利于疲劳寿命设计；第四，定性地探讨了焊点残余应力对 疲劳的影响。 关键词：铝合金；电阻点焊；数值模拟；残余应力；疲劳寿命 a b s t r a c t a b s t r a c t r s w ( r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ) i sw i d e l yu s e di n a r e a so fa e r o s p a c e ，e n e r g y s o u r c e ，e l e c t r o n i c s ，v e h i c l ea n dl i g h ti n d u s t r y , a n dp l a y st h ei m p o r t a n t r o l ei nm o d e m m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r , t h en u g g e tf o r m a t i o no fr s wi s e x t r e m e l y c o m p l e xa n dn o n 1 i n e a rm u l t i - p h y s i c sc o u p l i n gf i e l d s ，a n dw e l dt i m ei st r a n s i t o r y a n dn u g g e tf o r m a t i o ni si n v i s i b l e ，s ot h a ti ti sd i f f i c u l tf o ru st oo b s e r v ea n d r e s e a r c h t h r o u g ht r a d i t i o n a le x p e r i m e n t t h i sp a p e rm a k e su s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt os e a r c ht h en u g g e t f o r m a t i o no nr s 彬a n da na x i s y m m e t r i c a l l ye 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 s b u i l tt os i m u l a t ev a r i e t yo ft h et e m p e r a t u r ef i e l do fn u g g e td u r i n gw e l d i n g ，s h o wt h e c o u r s eo fn u g g e tg e n e r a t e d ，f o r m e da n dg r o w n f i n a l l yn u g g e tf o r m a t i o no nr s w i s c o m p l e t e l ya n a l y z e d f r o mt h ep r o c e s so fh o wt od e s i g nn u g g e to fr s w ：ar e v e r s em e t h o d ，b a s e do n s h e a r i n gp e r f o r m a n c eo fn u g g e t ，i sp u tf o r w a r d t h em o d e l a b o u tn u g g e td i m e n s i o n a n ds h a p ei ss e tu pt h r o u g hm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fw e l d i n gs t r u c t u r e ，s ot h a t e l i g i b l en u g g e ta b l et om e e ts h e a r i n gp e r f o r m a n c ei so b t a i n e d a c c o r d i n gt oe l i g i b l e n u g g e t ，w e l d i n gp a r a m e t e r sa r ea s c e r t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d s i t w i l lb eu s e df o rd i r e e t i n gw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa tp r e s e n t a tt h ea s p e c to fr e s i d u a ls t r e s s ，t e m p e r a t u r eg r a d si sh i g h ，n u g g e te x p a n s ea n d s h r i n k a g ei sb i g ，a n dp r e s s u r ei sf u n c t i o nd u r i n gs p o tw e l d i n g ，s ot h ee l a s t i ca n d p l a s t i cd i s t o r t i o ni ss e v e r e ，a n dn u g g e to fr s w h a sab i gr e s i d u a ls t r e s s r e s i d u a l s t r e s sc a nh a v ei n f l u e n c ei nr d i a b i l i t ya n df a t i g u el i f eo fn u g g e td e s i g n a sar e s u r ， r e s i d u a ls t r e s so fw e l d i n gs p o tj sa n a l y z e di ne l e c t r o d ep r e s s u r ef o r c ea n di nh e a t l o a dr e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，r e s i d u a ls t r e s si nd i f f e r e n tw e l d i n gf o r c ea n d w e l d i n gt i m ei sc h e c k e db yx r a yd i f f r a c t i o n t e s t i n ga n dc o m p u t i n gr e s u l t ss h o w a v e r a g er e s i d u a ls t r e s st h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sa na l m o s tc o m m o n w i t h t h a to fx r a yd i f f r a c t i o n i ts h o w s c o r r e c tt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a tf a t i g u eo fw e l d i n gs p o t ，t w or e s e a r c h e sa r ed o n e f o ro n et h i n g ，t h es t r e s sa n d s t r a i nr e s p o n s ei sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h el o a d sa n dg e o m e t r i cs t r u c t u r e ，w h i c hi s ap r e m i s eo ff a t i g u ea n a l y s i s f o ra n o t h e r , t h ep o l a rp l o to ff a t i g u ed a m n i f i c a t i o n a l o n gn u g g e ti sd e p i c t e dc o n s i d e r i n ga b o u ts t r e s sa n ds t r a i nr e s p o n s ea n dm a t e r i a l l l a b s t r a c t p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r t h em e c h a n i s mo ff a t i g u ed a m n i f i c a t i o no ns p o tw e l d i n gi s a c c u r a t e l yr e a l i z e da n dk n o w n ，a n di tw i l lm a k ef o rd e s i g no ff a t i g u el i f e f i n a l l y , f a t i g u el i f ef r o mi n f l u e n c eo nr e s i d u a ls t r e s si sd i s c u s s e di nq u a l i t y k e yw o r d s ：a l u m i n u m a l l o y , r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , r e s i d u a ls t r e s s ，f a t i g u el i f e i i i 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，也不包含为获得叁鲞盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者硌暂忱 签字日期：刀哆年2 - - 月r 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：每l 芗莉 j 签字日期：唧年月r 日 、缀叩 哪沙 往 瑚 剑 阳 艴 游 勋 签 第一章绪论 第一章绪论帚一早硒下匕 1 1 本课题研究的背景和意义 焊接是主要的金属连接方法，点焊作为金属加工技术的主要手段，在现代制 造业中占有不可替代的作用，广泛应用于航空、航天、能源、机械、电子、车辆 及轻工部门。在焊接生产中，由于电阻点焊具有生产效率高、以及易于实现机械 化和自动化等优点，电阻点焊应用广泛。电阻点焊完成的焊接量每年约占世界总 焊接量的1 3 n 1 ，尤其是在汽车车体生产过程中，电阻点焊更是一个关键环节。 2 0 0 6 年底，我国汽车年产量达到7 0 0 万辆，预计2 0 0 7 年中国汽车产量有望突破 8 0 0 万辆。从现在到2 0 1 0 年之间，中国汽车工业预计将保持每年两位数的增长 速度，到2 0 1 0 年，中国汽车总产量将达到8 0 0 1 0 0 0 万辆，随着中国经济持续增 长，2 0 2 0 年中国将成为世界汽车制造大国和汽车产业强国乜1 。据统计表明，每一 辆轿车车身上，约有4 0 0 0 , - - - - 6 0 0 0 个点焊焊点b 1 。然而，电阻点焊还存在着飞溅 较大、焊点表面质量差、熔核尺寸波动大等问题，对电阻点焊的研究具有重要意 义。 1 1 1 铝合金点焊研究的意义 随着世界汽车保有量着与日俱增，能源耗费及环境污染的问题也随之而来， 节约能源和减少环境污染成为世界汽车工业亟待解决的两大问题。着眼于长远的 可持续发展战略，减轻汽车质量，降低燃油消耗就尤为迫切。据统计，汽车每减 重1 0 ，油耗可降低6 , - - 8 h 1 。可见，汽车轻量化对降低能源耗费及减少环境污 染是至关重要的，已成为汽车发展的主要方向。 实现汽车轻量化一方面通过改进汽车的结构形状来实现，另一方则需要在保 证汽车设计结构形状的前提下，尽量选用轻量化的材料，如铝及铝合金、镁及镁 合金、高强度塑料等。然而镁及镁合金受自然界存储量限制及其力学性能的影响， 限制了其广泛使用。高强度塑料回收再利用存在着环境污染问题。铝及铝合金资 源丰富，价格低廉，比重仅是铁的三分之一左右，质量轻、比强度高、耐腐蚀， 是实现汽车轻量化的理想材料之一。铝合金在汽车制造中能大幅度减轻汽车重 量，节省燃油和减少环境污染，同时也能带来巨大的经济效益和社会效益。铝合 金与钢材在同强度和刚度的条件下，车身可减重5 0 ，而且铝合金可反复回收利 第一章绪论 用率高达8 0 以上，其防腐性能好，不需要电镀等成本高、污染高的工艺。随着 生产技术和加工工艺水平的提高，铝合金在汽车上的用量也不断增加，预计到 2 0 1 0 年每辆汽车用铝量将增加到1 5 8 k g ，比现在使用量增加3 2 。近来，美国三 大汽车公司实施p n g v ( p a r t n e r s h i pf o rt h en e x tg e n e r a t i o nv e h i c l e ) ，研 究开发新型汽车，从引擎到阀门、从车门到结构都大量使用铝合金，其中福特公 司采用空间框架技术挤压铝材制造车身框架，使车身质量比传统车身减轻5 0 ， 且材料利用率非常高。日本本田公司所生产的顶级跑车n s x ，其车身和部分底盘 零件全部采用铝合金材料，车体重量比用钢材制造时减轻了1 4 0 k g ，整车重量减 轻了2 0 0 k g ，燃料消耗率可降低1 3 晦一。目前，全铝车身还仅限于高档轿车和跑 车，随着时间的推移，制造成本不断下降，将会有更多型号的轿车车身和零部件 应用铝合金材料。据预测，随着汽车技术的发展，到2 0 1 0 年，汽车的主要材料 将由钢材转为铝材，轿车的平均重量将会减轻3 5 h 1 。 汽车轻量化后，质量性能( 汽车质量与刚性及底面积之比) 均有不同程度的提 高。据o p e l 公司称，其铝制车身比钢结构车身质量性能提高2 3 ，扭曲刚性提 高7 4 ，抗弯性能提高6 2 。汽车减轻重量后，汽车行驶更加稳定、舒适，加速 和弹性也有很大提高，同时可使转动和震动部件的噪音明显降低。汽车轻量化后， 质量轻，故碰撞时产生的能量小，降低了对汽车的损害。在受到撞击时，由于铝 合金的性能和车身构造可以充分吸收撞击时产生的能量，因而更安全。另外，铝 材寿命比钢材要长，从而延长了汽车使用寿命。同时，铝合金的回收率很高，6 0 以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收生产l t 铝合金要比重新生产1 t 铝合金 少耗能9 5 ，可节约大量能源。用于汽车工业中加工铝合金所需的工装设备投资 要比钢、铁少得多，同时汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主，焊点少，减少了 加工工序，提高了装配效率，也减少了制造成本聃。1 训。 电阻点焊是铝合金连接的主要方法，同时，将是轻型汽车大规模、自动化生 产中的主要加工工艺方法。电阻点焊是焊件组合后，通过电极施加压力，利用电 流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，是薄板连接中最 常用的方法之一。它具有原理简单，对操作人员技能要求较低的优点；而且它无 需填加焊接材料，生产效率高，适用于自动化并易于与其他的制造工艺一起组成 高速生产流水线，在工业生产中得到了广泛的运用。与汽车生产中使用的其他金 属连接方法如铆接、胶焊等相比，电阻点焊具有以上优点，不仅目前它在汽车工 业中得到了广泛的应用，而且必将在以后的汽车焊接生产中继续占据重要的地 位。 因此，对铝合金电阻点焊的研究无论在理论角度还是从实际生产角度都是很 有意义的。 2 第一章绪论 1 1 2 铝合金点焊存在的主要问题 然而，铝合金自身的特点，导致其在点焊过程中存在以下的问题。 1 焊点质量不稳定 ( 1 ) 飞溅严重与低碳钢相比，铝合金具有很好的导电导热性能，其电阻率 仅为钢的1 3 ，而导热率却为钢的2 , - - , 4 倍。所以，为获得合格的焊点，在相同 的条件下铝合金就需要更大的焊接电流，即需要使用硬规范进行焊接。铝元素非 常活泼，在铝合金材料表面非常容易形成氧化膜a l 。0 3 ，这层氧化膜组织致密、 熔点极高、导电性能极差，这就使得接触面上的接触电阻比较大。在硬规范焊接 条件下，接触面上产生较多的热量。另一方面，铝合金材料熔点低，加热熔化时 的塑性温度区间窄，所以很容易在工件间接触面上造成喷溅、在电极一工件间造 成飞溅。喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和熔化金属，严重影响了熔核的形状 和大小，对焊点质量极为不利。 ( 2 ) 熔核尺寸波动大电极一工件接触面上的局部熔化、飞溅、电极与工件 的粘连和铝合金表面氧化膜的影响，严重破坏了电极表面的连续性。并且在连续 点焊过程中电极表面的不连续性具有较强的随机性，这使得电极一工件间和工件 一工件之间的接触状态很不稳定。另外，点焊过程又受工件表面状态、电极压力、 焊接电流等因素的影响，铝合金点焊对各种因素的变化非常敏感。因此连续点焊 中熔核尺寸波动较大。 ( 3 ) 熔核内部易产生缺陷与弧焊相比，铝合金在点焊时金属熔化量少，其 导热系数又比较大，所以熔核的冷却速度非常快。另一方面，由于铝合金是非导 磁材料，液态熔核区的流动速度非常小。熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气 孔。虽然这些缺陷对接头强度影响不大，但对接头的疲劳性能却有显著影响1 。 国内吉林大学赵熹华等人提出的熔核孕育处理方法改善了熔核的微观组织，在控 制熔核内部质量方向取得了良好效果n 引，但有待于工程实用化。 2 电极烧损严重，使用寿命短 铝合金表面有一层氧化膜，致使电极一工件间的接触电阻较大，铝合金工件 的热导率也较大，而铝合金点焊又是采用硬规范进行焊接，电极一工件间接触面 上的温度会较高。由于铝与铜之间存在着强烈的合金化倾向，因此铝合金点焊铜 电极的烧损非常严重。铜铝合金化反应生成合金层的主要成分为c u a l ：金属间化 合物，其电阻率为铜的5 倍左右n 引，由于合金层粘附在电极表面，在后续焊点的 焊接过程中，合金层的存在增大了电极一工件间的接触电阻，也增加电极一工件 问的产热量。在连续点焊过程中，电极表面不连续程度的增加也加剧了电极一工 件间局部熔化和飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应的程度。上述因素使 3 第一章绪论 得铝合金点焊时电极的烧损速度大为增加，其使用寿命非常短。 电极烧损实质上是电极表面铜铝合金化反应的问题。合金化反应的产生条件 包括成分和温度；而反应时间对合金化反应程度的影响非常大。从理论上说，只 要破坏了成分、温度和反应时问中的任一个条件，就可以克服或减弱电极烧损。 目前电极烧损方面的研究大多限于从成分条件的角度来考虑如何避免或减弱电 极烧损问题n 利；而在如何降低电极一工件间接触面温度及减少电极一工件间接触 面处于高温区的时间方面做的工作较少。 因此，铝合金点焊所存在的问题与点焊过程紧密相关的，要从根本上解决这 些问题就必须从点焊的过程机理入手，真正弄清楚问题的产生原因。然而，电阻 点焊具有非线性、时变和多因素耦合的复杂过程，熔核形成过程的不可见性和焊 接过程的瞬时性给试验研究带来了很大困难，再加上铝合金材料的特殊性，使得 人们对铝合金点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。计算机数值模拟技术的 发展为点焊研究提供了有效的理论分析手段，对点焊的研究与发展有着非常重要 的作用，这种重要性还由于点焊过程的不可见性而难以靠试验手段直接分析及难 以获得较准确的解析解等原因而更加突出。数值模拟并不拘泥于点焊试验条件的 限制，可灵活地对点焊过程中的各种影响因素进行研究，还可以帮助人们进行一 些不可能通过试验而完成的研究和分析。 1 2 电阻点焊数值模拟的发展状况 1 2 1 点焊过程有限元模拟的发展 随着有限元软件在国内业界的广泛使用，越来越多的问题开始寻求用有限元 方法解决。近些年来，有限元方法开始应用于点焊这一复杂的焊接过程，并得到 了很好的发展。 1 9 9 9 年，k s y e u n g 和p t t t h o r n t o n 对点焊电极进行了瞬态热分析，提出 了提高电极寿命的方法n 引。2 0 0 0 年，徐国成、赵熹华等人在充分考虑接触电阻、 液态熔核温度和相变潜热等因素对点焊熔核温度场影响的条件下，建立了6 5m n 弹簧钢点焊熔核温度场的有限元模型口6 j 。2 0 0 1 年，龙听、汪建华等利用轴对称 有限元程序模拟了电阻点焊的过程中电极与工件的温度场分布，模型中采用标定 法来解决接触电阻产热的问题；运用生死单元技术解决镀锌钢板焊接时镀锌层熔 化的模拟问题，提出降低电极温度的命题引。s c w a n g 和p s w e i 对电阻点焊 过程的动态电阻进行建模，并得到了较好的实验效果n 引。2 0 0 2 年，薛河采用a n s y s 数值模拟软件，对点焊结构焊点附近的应力应变状况进行了详细的分析，指出焊 4 第一章绪论 核中心的应力比较小，高应力区主要存在于热影响区内，应力发展趋势是从母材 贴合面与焊核交界线向外扩展n9 1 。同年，李宝清通过建立铝合金电阻点焊过程力、 热、电耦合分析的有限元模型，研究了铝合金电阻点焊过程的机理；并对点焊过 程进行了产热分析和能量分布分析啪1 。2 0 0 4 年，杨黎峰，赵熹华等建立了描述 铝合金电阻点焊液态熔核流动行为和传热过程的轴对称有限元模型，指出熔核的 对流传热，并计算了对流速度髓。2 0 0 5 年，叶茂和刘国庆等人采用a n s y s 有限 元分析方法建立了电热和热力耦合有限元模型，考虑随温度变化的材料特性参 数、相变以及对流边界条件等，对点焊过程中的接触问题进行适当简化，通过对 低碳钢薄板点焊过程的分析，得到点焊接头的温度场模拟焊核形成过程，求得熔 核及热影响区的形状和尺寸，并提出了用熔核设计这一概念来研究电阻点焊瞳羽， 对电阻点焊在数值模拟方面的研究做出了巨大贡献。 1 2 2 点焊有限元模拟发展趋势 随着科技的飞速发展，有限元模拟技术业快速发展，数值模拟精度和准确度 提高，计算时间也将缩短。电阻点焊有限元模拟将朝向以下几个方面发展。 1 建立完全意义上的点焊过程的力、热、电耦合数值模拟模型。目前点焊 过程的数值模拟大多为热、电耦合模型，对点焊中的接触行为进行了假设。只有 少数学者对锥台形电极点焊过程中的接触行为、热、电行为进行了耦合分析，但 仍未考虑电极和工件的变形对热、电行为的影响。 2 数值模拟中接触电阻的研究方法有待于进一步发展。在目前的点焊数值 中对接触电阻的变化规律都进行了假设，通常被假设为恒值，或假设为温度的线 性函数，或假设为材料力学性能及接触压力的函数。在今后的数值模拟中，应结 合试验对接触电阻的变化规律进行更深入的探索，并丰富试验验证方法。 3 进一步完善点焊过程数值模型。目前点焊过程数值模拟模型多为二维轴 对称模型，尚不能对实际点焊生产中存在的分流及复杂的接触行为( 如上、下电 极与工件的不对称接触和上、下电极压力不共线时的接触等) 进行模拟，因此， 对模拟模型要进一步完善。 4 目前的数值模拟结果尚不能从数量上解释点焊过程中的一些特殊行为， 如铝合金直流点焊中电极的不对称烧损等问题。应建立考虑热、电效应和预压冲 击等影响因素的点焊数值模拟模型，以从机理上解释此类问题。 5 点焊过程数值模拟结果的后处理方面有待于进一步发展。目前对点焊过 程数值模型比较有实用意义的是温度场分布和电极间电阻的变化。但这些信息没 能转化为更深层次认识点焊过程机理的信息，如点焊过程中的能量产生和分布问 题。 第一章绪论 6 开展电阻点焊的残余应力和疲劳性能方面的数值模拟。目前点焊残余应 力和疲劳性能主要通过试验方法来研究，数值模拟方法在电阻点焊上应用不多， 电阻点焊熔核设计数值模拟正在发展中。 电阻点焊有限元模拟过程技术的发展为其点焊产品设计提供一种行之有效 的方法，可以大大提高点焊产品设计速度，缩短研发周期、减少产品研发成本， 同时还有利于材料科学与计算科学、人工智能、信息与控制等多学科交叉的结合 和拓展，促进电阻点焊加工理论的进步和发展。 1 3 本课题的研究目的和主要内容 本课题得到了国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 5 1 5 9 ) 、天津市应用基础研究 计划( 0 6 y f j m j c 0 3 4 0 0 ) 和教育部科学技术研究重点项目( 1 0 6 0 4 9 ) 的资金资助。目 前，铝合金点焊是汽车轻型化制造加工中的新课题，铝自身的特点使得点焊过程 难以控制，点焊接头质量不高。为此，本文从焊接接头产品设计要求入手，以有 限元软件为工具，建立起合格熔核的概念，然后通过力、热、电耦合模拟铝合金 点焊熔核形成过程获得合格熔核，并对合格熔核的焊接接头进行疲劳寿命和残余 应力分析和试验，以便达到熔核设计要求。 本文主要包括以下研究内容。 1 基于铝合金电阻点焊理论原理，建立铝合金点焊过程的力、热、电有限 元模型。并描述模拟过程中的数学模型和预处理条件，以及熔核形成过程中的耦 合模拟处理。 2 提出铝合金电阻点焊熔核逆过程设计的研究思路及方法，建立合格熔核 和熔核逆过程设计的概念，并进行数值模拟运算，分析熔核形成过程的温度场与 形状及尺寸间的桥梁，对模拟实验数据进行初步的整理和总结，获得合格熔核的 焊接参数。 3 阐述点焊残余应力产生的原因，模拟不同规范下的铝合金点焊接头残余 应力；采用x 射线衍射法，测量铝合金点焊残余应力，分析其结果与数值模拟的 一致性。 4 建立点焊疲劳分析模型，模拟得到焊点全寿命s - n 曲线和焊点疲劳损伤 图，并且分析焊点残余应力对疲劳性能的影响。 6 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 2 1 铝合金点焊过程 铝合金点焊是在电极压力和大电流作用下，利用界面接触电阻和工件本身电 阻的产热而形成熔核。如图2 - 1 所示，点焊过程由预压、焊接、维持和休止四个 基本程序组成，其中实线代表电极压力f ，虚线代表通电电流i 。马鞍形的加压 方式及焊接电流波形对于防止铝合金焊核中的缩孔、裂纹等缺陷的产生影响很 大。 图2 1 点焊过程示意图 预压阶段( f o ，i ：o ) 目的是建立稳定的电流通道，以保证焊接过程获得重 复性好的电流密度。 焊接阶段( f = f i ，i ：i ) 即通电加热阶段。其作用是在热与力作用下形成塑性 环和熔核，并随着通电加热的进行而长大，直到获得需要的熔核尺寸。电流可基 本不变，亦可为渐升或阶跃上升。在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变 化后趋向稳定，同时伴随着液态金属的搅拌，飞溅，胡须等现象发生。 维持阶段( f o ，i ：0 ) 维持此阶段不再输入热量，熔核快速散热、冷却结晶。 结晶过程遵循凝固理论。由于熔核体积小，且夹持在水冷电极间，冷却速度甚高， 一般在几周内凝固结束。由于液体金属处于封闭的塑性环内，如无外力，冷却收 缩时产生三维拉应力，极易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时必须保持足够的 电极压力来压缩熔核体积，补偿收缩。 休止( f = o ，i = 0 ) 此阶段为恢复到起始状态所必须的工艺时间。 焊接大电流提供的焦耳热是焊接的主要能源，但对电极来说，并不是一件好 7 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 事，电极压力及过大的焦耳热会造成电极的烧损消耗，单凭空气冷却是不够的。 所以，点焊机有一个水循环冷却系统，在焊机电极探出一个中空的细铜管，冷却 水由此处流入，再由管外铜电极内流出，达到水冷却的目的，图2 - 2 是电阻点焊 基本原理结构图。 从以上描述中可以看出，点焊过程是一个涉及多因素、非线性、瞬时性的动 态问题。材料特性的非线性及边界条件的非线性，以及载荷的复杂性使建立模型 变得极为复杂。 图2 - 2电阻点焊基本原理结构 2 2 铝合金点焊过程有限元模型的建立 2 2 i 铝合金点焊有限元模拟问题的简化与假设 由于电阻点焊过程的复杂性，在有限元模拟过程中，将一些对求解准确性影 响不突出的因素进行了以下简化和假设： 1 考虑到电极及试验工件的对称性及电压和温度分布的近似对称性，经过 两次轴对称处理，取过中心截面的1 4 作为分析的模型将点焊过程有限元模拟简 化成1 4 轴对称问题； 2 假设焊接过程中电极压力为一定值，并且等效成均匀分布应力加在电极 的轴截面上； 3 将帕尔帖效应热等效成热流处理； 4 在前期模拟的基础上，忽略了汤姆逊效应的影响。 第二章铝台金点焊过程的有限元模拟 2 2 2 接触电阻的处理 模型中充分考虑了接触电阻对模型的影响。目前，就接触电阻所采用的处理 形式来说，主要有电阻、电压和电阻率三种形式。本文就接触电阻的问题采用 电阻率的形式。在进行热电分析中，人为地在工件与工件间增加一层极薄的实体 单元( 工件间接触电阻的一半) ，厚度为工件板厚的1 4 0 ：在工件与电极问，也 增加一层极薄的实体单元，厚度为工件板厚的1 2 0 。将这两个实体单元作为接 触单元进行处理通过对单元设置恰当的电学参数，来达到模拟接触电阻产热的 日的，接触电阻模型如图2 - 3 所示。 2 2 3 几何模型的网格划分 图23 接触电阻模型 存计算叶1 ，精度和资源的耗费永远需要操作人员进行权衡取舍，a n s y s 中的 网格划分也是如此。网格划分过于粗糙。可能导致结果包含严重的错误：过于细 致，将托费过多的计算时间浪费计算机挠源，而且可能导致不能运行。a n s y s 提供t - - 种网格划分的方法：自由网格划分、映射网格划分、体扫掠方法。由于 所建模掣是2 d 平面，h 图形不规则，所以选择自由网格划分的方法较为合适。 根据研究目的，在工件的热影响区( 包括两种接触电阻) 及受压影响区域进 行网格细化井在工件网格粗分区与细分区之间增加过渡区域以减少山于单元 突变带束的计算误差。同时，考虑到电极对工件的作用是主要的，在电极与工件 接触的区域对应工件的网格划分进行细化并随远离工件而逐渐粗化如图24 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 所示。 ( a ) 模型网格划分图 2 2 4 材料参数的确定 图2 4 有限元网格划分 ( b ) 网格细分区图 本研究中，采用的工件材料是5 a 0 2 铝合金( l f 2 ) ，电极材料为铜，参数的选 用主要来源于手册或文献资料。 1 材料电学性能参数 点焊过程的加热主要是焦耳热。材料的电阻率影响导电规律，从而影响点焊 形核过程的温度场乜引。 铜电极材料的电阻率按式( 2 - 1 ) 计算： 胁= 1 6 8 + 0 0 0 4 3 ( t 一2 0 ) ( 2 一1 ) 工件铝合金的电阻率按式( 2 - 2 ) 计算： 办= 4 9 3 + 0 0 1 ( r - 2 0 ) ( 2 2 ) 对电极与工件间接触电阻及工件间的接触电阻，文献 2 4 做了较深入的研 究：指出工件间接触电阻是工件与电极之间接触电阻的十倍左右，电极压力不 同，接触电阻不同幢引，同时，结合李宝清的研究乜町与实验测定结果，如图2 5 所 示接触电阻率曲线，其中实线代表工件与工件之间的接触电阻率，虚线表示工件 与电极间的接触电阻率。 l o 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 a e 褥 区 翟 图2 - 5 接触电阻率 2 材料热物理性能参数 在热电耦合中需要输入很多热物理参数，包括导热系数( k x x ) 、密度 ( d e n s i t y ) 、比热( s p e c i f i ch e a t ) 、焓( e n t h a l p y ) 、相变潜热等。 电极材料的密度p ( k g m 3 ) 选用式( 2 3 ) 计算： p = 8 9 0 0 - 0 2 6 6 7 ( r - 2 5 ) ( 2 3 ) 电极材料的比热c 。( ，k g - 。c ) 选用式( 2 4 ) 计算： q = 3 8 5 + 0 0 9 8 8 t ( 2 4 ) 其中，丁为温度，单位为o c 。工件的密度取2 6 8 0 k g m 3 位副。 3 材料力学性能参数 电阻点焊属于有大变形的热弹塑性接触问题，材料力学性能数据包括屈服强 度叹、弹性模量e x 、剪切模量g f 、线膨胀系数么咒、泊松比p 。 工件( 5 a 0 2 铝合金) 的物理性能如表2 1 表2 - 3 乜6 1 所示。 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 表2 一l 工件材料麟、u 随温度的变化关系 线膨胀系数( ) 2 2 2 e 一0 5 2 9 7 e 一0 53 3 0 e 一0 53 3 9 e 一0 53 7 6 e 一0 54 5 1 e 一0 5 表2 - 5 电极材料麟、d 随温度的变化关系 温度( ) 弹性竺芒倒 泊松比。 温度( )弹性模量以( g p a )泊松比u ( b p a ) 2 0 l o o 1 5 0 2 0 0 1 1 7 e + 1 1 1 1 0 e + 1 1 1 0 6 e + 1 1 9 9 0 e + 1 0 o 3 5 o 3 5 0 3 5 o 3 6 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 9 3 0 e + 1 0 9 o o e + i o 7 9 0 e + 1 0 7 5 0 e + 1 0 0 3 7 o 3 8 0 3 9 0 3 9 3 0 09 5 0 e + 1 00 3 7 1 2 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 2 2 5 点焊过程有限元模拟加载条件的确定 1 热载衙的确定 电阻点焊属于典型的有内热源的瞬态传热问题，在轴对称情况下，热传导微 分方程表示为式( 2 1 3 ) 2 7 。： 昙(五孥)+导娶+拿(五孥)+qv=cp吵署(2-130r o r o ro zo z ) r r 矾 其中，丁为温度，单位为。c ；t 为时间，单位为s ；旯为导热系数，单位为 w ( m 。c ) ；吼为单位体积内的产热率，单位为w m 3 ；p 为密度，单位为堙m 3 ： q 为比热，单位为j l ( k g 。c ) 。z 、p 和e 均是温度的函数。对于体电阻加热， 吼可按式( 2 1 4 ) 计算： q ，= 吼+ ( 2 1 4 ) 其中，q 。、分别是焦耳热和汤姆逊热。q 。可用式( 2 - 1 5 ) 计算： 钆：上v u v u ：土 ( 氅：+ 氅z ( 2 1 5 ) pe p e o ro z 其中，p 为电阻率，单位为q 历；u 为电压，单位为v 。 汤姆逊效应热可用式( 2 1 6 ) 计算： g w ：( 以罢+ 正娶) ( 2 1 6 ) 其中，为汤姆逊效应热系数，是温度的函数；以、以分别为径向和轴向的电 流密度，单位为彳聊：；娶、娶分别是径向温度梯度和轴向温度梯度。 这两种热源中，焦耳热是点焊过程中的主导热源。 在铝合金点焊有限元模拟中，两类对流都存在：冷却水的受迫对流和空气的 自然对流。在a n s y s 求解中，需要先确定对流的换热系数。对于本模型中的受迫 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 对流，属于流体横向绕流圆柱体类型瞳引，可根据努谢尔特( n u s s e l t ) 准则计算换 热系数口： n u = o f d 乃= ( o 3 5 + 0 5 6 r e 0 5 2 ) p r 们o ( 2 1 7 ) 其中，雷诺( r e y n o l d s ) 准则： r e ：p v d ( 2 1 8 ) 普朗特( p r a n d t l ) 准则： p r ：竺( 2 1 9 ) 其中，丸为材料的导热系数，单位为w l ( m 。c ) ；d 是圆柱体底面直径，单位为 m ；p 是流体的密度，单位为姆m 3 ：是动力粘度，单位为培i ( s m ) ；d 是运 动粘度，单位为m 2 s ；口是加速度，单位为m 3 s 。 水在温度2 0 。c 时， p = 1 0 0 0 5 2 k g m 3 ，1 1 0 一k g i ( s m ) ， p = 1 0 0 6 x l o - 6 m 2 s ，p r = 7 0 2 乜7 1 ，可求得冷却水的换热系数口= 3 8 0 0 w ( m o c ) 。 本模型中的自然对流属于竖直圆柱的对流换热模型。由参考文献陋7 1 中可查图 求得换热系数为2 0 w ( m o c ) 。 帕尔帖效应热可用两种材料的流入或流出的热流率来表示： q 。= ( 兀l 一兀2 ) ， ( 2 2 0 ) 式中，为流过接触面的电流密度，单位为a i m 2 ；兀。、兀：分别为材料1 、2 的 帕尔帖效应系数，单位为么。 2 电场载荷的确定 本模型中是直流点焊过程，根据电磁场理论汹1 ，电流给定时体内电压分布满 足l a p l a c e 方程。对于轴对称问题，体内电压分布规律可用微分方程( 2 2 1 ) 描 述： 旦正型) + 上型+ 旦( 上驾：0 ( 2 2 1 ) 瓦瓦石) + 万_ o r + _ o z 瓦i ) 2 皑一 o r p e o r p e rp e c j z 其中，厂，z 分别为圆柱坐标系中的径向和轴向坐标；u 为电压，单位为v ；戌 为材料的电阻率，单位为q 朋。 电极与工件的电阻率是温度的函数，在整个区域内，电阻率分布不均匀，电 压分布也就不均匀；电阻率随温度每时每刻都变化，那么电压每时每刻也是变化 的。以往有的学者以电压作为电场载荷对点焊过程进行模拟，显然是经不起推敲 1 4 第二章铝合金点焊过程的有限元模拟 的。 3 热弹塑性理论 根据增量塑性理论，全应变增量可表示为： d 6 = d 乞) + d 0 ) + d c r ( 2 2 2 ) 式中， d 占 、 d 巳) 、 d 6 p ) 和 d 白) 分别为全应变、弹性应变、塑性应变和热 应变增量。因此，由应力应变增量关系可表示出： d o - = 【包】( 如) 一 d c p 一 d 白) ) ( 2 2 3 ) 其中， d o - 为应力增量； 见】为弹性应力应变矩阵； d 6 t = 泸) 刀， 为线膨胀系数，在轴对称问题中，泸 = 所1 ，1 ，l ，o 】r ，根据有关文献啪1 方法推导， 最后，应力应变关系式为： 式中， 如 = ( d s 卜 d 6 r ) + d o - 0 ( 2 2 4 ) 【 = 【见 一 q 】= 见】一番斜斜r ( 2 2 5 ) ) ：曼o t 似，g ：上( 2 - 2 6 ) ) 2 面莎霄似，6 。赤 其中，s 为偏斜应力张量，单位为m p ：吒为后继屈服应力，是等效塑性应变和 温度的函数；g 为剪切弹性模量，单位为脚：1 ，是泊松比；e ，e p 分别为弹性 模量和塑性模量，单位为m p ； 为弹塑性应力应变矩阵。 2 2 6 铝合金点焊过程有限元模拟中力、热、电耦合场方法的应用 铝合金点焊过程非线性程度高，影响因素多，涉及到了力、热、电三个场的 相互作用。有限元软件a n s y s 中，直接耦合计算量大，不易掌控，本文采用序贯 耦合方法对铝合金点焊过程进行有限元模拟分柝即先选择单元类型p l a n e 6 7 热 电耦合，再将热场结果作为力场的热载荷，通过s w i t c he l e m e n tt y p e 自动转换 成p l a n e 4 2 ，进行热力耦合场计算。点焊过程热电力耦合分析的有限元边界条件 及加载条件如图2 6