（车辆工程专业论文）感应磁场作用下电阻点焊熔核形成过程研究.pdf

上海交通大学博士学位论文摘要 感应磁场作用下电阻点焊熔核形成过程研究 摘要 电阻点焊工艺是轿车车身制造过程中最主要的装配连接手段，点 焊接头质量好坏不仅决定了轿车使用的可靠性和安全性，同时对轿车 车身焊接装配偏差也具有非常重要的影响。因而从轿车车身的设计阶 段到制造阶段，点焊问题都受到了极大关注。但是电阻点焊过程非常 复杂，既有物理变化，又有化学变化，涉及到相变、传热、传质、熔 化、凝固、结晶、应力、应变、分流、接触等物理现象，同时由于点 焊熔核形成过程的不可见性及瞬时性，使得采用实验手段研究点焊熔 核形成规律遇到难以突破的障碍。但是数值模拟方法并不拘泥于点焊 实验条件的限制，通过它可以灵活的对点焊过程中各个因素进行有效 的分析。目前国内外采用数值模拟方法对点焊熔核形成过程的仿真研 究已经取得了巨大进展，但是由于点焊接头中电、磁、热、流、力等 物理场之间耦合的复杂性，迄今的研究大都基于传统的忽略了感应磁 场对熔化金属电磁搅拌作用的电、热、力耦合模型，还没有入基于强 大的有限元方法实现点焊接头中电、磁、热、流、力之间的耦合求解。 迄今，人们对电阻点焊过程熔核内熔化金属的流动规律以及液态金属 流动对接头中传热的影响规律仍不清楚。 本文以大型商业有限元软件a n s y s 为分析平台，建立了电阻点 焊熔核形成过程多物理场耦合数学模型和有限元模型，并基于 a n s y s 软件的二次开发语言a p d l 实现了点焊过程电、磁、热、流、 力五个物理场之间的复杂耦合，旨在揭示点焊熔核内液态金属在感应 磁场作用下的运动规率、以及金属流动对点焊接头中传热过程的影响 规律，同时对感应磁场作用下热膨胀电极位移的动态变化规律进行了 研究。基于以上研究匿标，本文主要开展了以下五个方面的研究工作： ( 1 ) 电阻点焊熔核形成过程及点焊熔核内多物理场耦合机制研究 基于前入的研究成果，对影响电阻点焊熔核形成及点焊质量的三 上海交通大学博一 ：学位论文摘骚 个主要因素，即点焊过程中电极工件及工件工件接触表面的电、热、 力接触状态，电阻点焊过程中的热源大小、分布、热损，以及点焊接 头中的传热等进行了系统的研究分析。引入磁流体动力学理论及其基 本方程式首次对电阻点焊接头中的电场、磁场、流场、热场及其相巨 耦合进行了解析研究，获得了点焊接头中磁场力的分布规律及其对熔 核中熔化金属的作用方式，从而大大降低了描述和模拟点焊熔核形成 过程磁场和流场的复杂程度，使得通过有限元方法模拟感应磁场作用 下点焊熔核内的流动和传热成为可能。 ( 2 ) 电阻点焊熔核形成物理过程数学描述 基于典型电阻点焊工艺自身的轴对称特征，以及感应磁场分布沿 对称面法向并导致液态金属只在对称面内流动的特点，确立了电阻点 焊熔核形成过程的参数化混合计算模型。在对磁场、流场特征进行合 理简化和假设的基础上，综合考虑电、热、力接触、磁体积力、流体 流动、弹塑性大变形等建立了描述点焊熔核形成过程的磁流体动力学 基本方程式和应力应变场基本方程式，并在对焊接电流、电极压力等 动态变化载荷进行实验研究的基础上，定义了点焊熔核形成过程中各 个物理场的边界条件。从而首次将电阻点焊过程中电、磁、热、流、 力等物理场通过一个混合模型耦合起来，为电阻点焊熔核形成过程多 物理场耦合有限元模型的建立奠定了基础。 ( 3 ) 不考虑磁场作用时点焊熔核形成过程彷囊研究 电热耦合模型是迄今用来研究电阻点焊过程最为成熟的模型，虽 然该模型没有考虑熔核内的流动，还不能完全揭示熔核形成过程的本 质，但是基于该模型的研究结果能够为本文磁场作用下熔核形成过程 多物理场耦合分析提供有益的借鉴。本文基于所建立的计算模型和数 学模型建立电热耦合有限元模型对没有考虑熔化金属流动时的电阻 点焊熔核形成过程进行初步研究，并基于所建立的参数化模型分析了 电接触和热接触对电阻点焊熔核形成过程的影响，发现接触热阻对熔 核形成过程影响j 暑常小，在进行数值分析时可以不予考虑。 ( 4 ) 感应磁场作用下点焊熔核形成过程仿真研究 综合考虑电场、磁场、热场、流场建立电阻点焊熔核形成过程多 上海交通大学博士学位论文 摘要 物理场耦合混合有限元模型，对点焊熔核形成过程中的磁场分布、感 应磁场作用下流体流动及传热行为进行了系统研究。模型采用人工粘 度方法处理固液相变界面的移动，并基于a n s y s 软件的二次开发工 具a p d l ( a n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 解决了2 d 电场、热场、 流场与3 d 磁场分析之间载荷和结果数据无法直接传递的难题，成功 地利用混合有限元模型实现了电阻点焊熔核形成过程多物理场之间 的复杂耦合求解。研究发现，点焊接头中焊接电流与感应磁场相互作 用产生的磁场力使得熔核内液态金属形成四个沿x 轴方向流向熔核 中心、沿y 轴方向流出熔核中心的非均匀、对称、封闭流动回路， 而且液态金属的流动速度比较大( 最大可达4 5 0 m m s ) ，因而对点焊 接头中的传热具有重要的影响。通过与传统的没有考虑熔核内金属流 动的电热耦合模型计算结果对照发现，感应磁场作用下熔化金属的有 规律流动不仅改变了通电阶段点焊接头中的温度分布、温度梯度以及 熔核形状与尺寸，也影响着焊后保持阶段熔化金属的冷却结晶过程。 可见，电阻点焊过程中感应磁场对最终的点焊接头质量形成具有重要 的影响。为了验证感应磁场作用下熔核内流体流动与传热模型的有效 性，本文采用金相实验对熔核尺寸进行了测量。结果表明，考虑感应 磁场的电磁搅拌作用时可以大大提高模拟精度。 ( 5 ) 电阻点焊熔核形成过程热膨胀电极位移变化规律仿真研究 点焊接头中的温度场变化历史决定了点焊接头中金属的应力应 变状态，因而也决定了能够反映点焊接头质量的热膨胀电极位移的动 态变化过程。由于感应磁场的作用，电阻点焊接头中不同时刻的温度 场发生了显著的变化，从而导致点焊过程中电极两端的热膨胀位移也 发生变化。本文综合考虑材料非线性和接触非线性建立电阻点焊过程 热、力耦合有限元模型，分别对有磁场作用和没有磁场作用两种情况 下点焊接头中的热膨胀电极位移动态变化规律进行了系统的研究。通 过对比研究发现，感应磁场作用引起的温度场的显著变化对点焊过程 中的热膨胀电极位移影响并不明显。为了验证热力模型的有效性，本 文采用高精度激光位移传感器对点焊过程中的动态电极位移进行实 时测量，结果表明模拟结果与实验测量结果具有较好的一致性。 i i i 上海交通大学堪士学位论文 摘繁 本文研究以数值模拟为主，辅以必要的实验验证，从更深层次上 揭示了电阻点焊熔核形成过程的本质规律，丰富和深化了电阻点焊理 论。为进一步深刻理解电阻点焊熔核形成机理，提高电阻点焊质量具 有重要的指导意义，尤其对于通过施加终加磁场改变接头组织状态翔 细化晶粒以提高焊接性较差金属( 如奥氏体不锈钢、锻铝等) 的焊接 质量具有重要的借鉴和指导。因此，本研究具有重要的理论价值和实 践意义。： 关键词：电阻点焊，数值分析，流体流动，传热，电磁搅拌，热膨胀 电极位移 i v 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nr e s i s t a n c es p o tw e l d n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sw i t h i n d u c e dm a g n e t i cf i e l dc o n s i d e r e d a bs t r a c t r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ( r s w ) t e c h n o l o g yi st h em o s td o m i n a t i n g j o i n i n g a n da s s e m b l ym e t h o di na u t o b o d ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s s q u a l i t yo fs p o tw e l d sn o to n l yd e t e r m i n e sr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fc a r s ， a l s oh a sas i g n i f i c a n te f f e c to na s s e m b l yv a r i a t i o n a sa r e s u l t ，s p o tw e l d q u a l i t yi s s u e sc a u s em u c ha t t e n t i o nf r o md e s i g np h a s et om a n u f a c t u r i n g p h a s e o fb i w b u tr s wp r o c e s si s v e r yc o m p l e x ，w h i c hi n v o l v e s p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e ，m o r e o v e r , f o r m a t i o na n dg r o w t hp r o c e s s o fs p o tn u g g e ti si n v i s i b l ea n di n s t a n t a n e o u s ，a l lt h e s ef e a t u r e sm a k e e x p e r i m e n t - b a s e d r e s e a r c ho n n u g g e t f o r m a t i o n p r o c e s s a l m o s t i m p o s s i b l e b u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a na v o i dl i m i t a t i o no f e x p e r i m e n ta n dc a nb eu s e dt oe f f e c t i v e l ya n a l y z et h en a t u r e so fs p o t n u g g e tg r o w t hp r o c e s s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c hb a s e do nn u m e r i c a l m e t h o dh a v ea c h i e v e dg r e a ta d v a n c e m e n t ，b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x c o u p l i n go fm u l t i p h y s i c a lf i e l d sd u r i n gr s wp r o c e s s ，a l m o s ta l lr e s e a r c h w o r k sw e r eb a s e do ne l e c t r i c - t h e r m a l - m e c h a n i c a lc o u p l e dm o d e l ，w h i c h d i dn o tc o n s i d e rt h ee f f e c to fi n d u c e dm a g n e t i cf i e l do nm e l t e dm e t a l s o f a rn oo n es u c c e s s f u l l yu t i l i z e df em e t h o dt or e a l i z et h ec o u p l i n go f e l e c t r i c ，m a g n e t i c ，t h e r m a l ，f l u i df l o wa n ds t r u c t u r a lf i e l d sd u r i n gr s w p r o c e s s a sar e s u l t ，f l u i df l o wr u l e sa n di t se f f e c to nh e a tt r a n s f e rd u r i n g s p o tw e l d i n gp o r c e s sa r es t i l lu n c l e a r t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dam u l t i p h y s i c a lc o u p l e dm a t h e m a t i c a l a n df em o d e lf o rr s w n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sb a s e do nc o m m e r c i a l f ec o d ea n s y s ，a n dr e a l i z e dt h ec o u p l i n go fe l e c t r i c ，m a g n e t i c ，t h e r m a l ， f l u i df l o wa n ds t r u c t u r a lf i e l dd u r i n gr s w p r o c e s sb a s e do na n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) t h eo b je c t i v ei s t or e s e a r c ha n d v 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t r e v e a lf l o wr u l e so fm e l t e dm e t a la n dt h ei n f l u e n c eo ff l u i df l o wo nh e a t t r a n s f e ri ns p o tw e l d ，a tt h es a m et i m e ，t or e s e a r c hd y n a m i cc h a n g er u l e o ft h e r m a le x p a n s i o nd i s p l a c e m e n tb e t w e e nt w oe l e c t r o d e su n d e ri n d u c e d m a g n e t i cf i e l d b a s e do na b o v er e s e a r c ho b j e c t i v e s ，t h ef o l l o w i n gf i v e w o r k sw e r ed o n em a i n l y ： ( 1 ) r s wn u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sa n dm u l t i p h y s i c a lf i e l dc o u p l i n g m e c h a n i s mi ns p o tw e l dw i t hm a g n e t i cf i e l dc o n s i d e r e d s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h r e em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gr s wn u g g e t f o r m a t i o na n ds p o tw e l dq u a l i t y , i n c l u d i n ge l e c t r i c t h e r m a l m e c h a n i c a l c o n t a c t sa te l e c t r o d e w o r k p i e c ea n dw o r k p i e c e w o r k p i e c es u r f a c e s h e a t s o u r c ea n dh e a tl o s s a n dd r i v i n gf o r c e st od r i v el i q u i dm e t a lf l o w r e s e a r c h e de l e c t r i c ，m a g n e t i c ，f l u i df l o wa n di t sc o u p l i n gi ns p o tw e l d w i t ha n a l y t i cm e t h o dt h r o u g hm h d t h e o r ya n di t sb a s i ce q u a t i o n s a n d o b t a i n e dm a g n e t i cf o r c ed i s t r i b u t i o nr u l e sa n di t se f f e c to nm e l t e dm e t a l t h er e s u l t sg r e a t l yr e d u c e dt h ec o m p l e x i t yt od e s c r i b ea n ds i m u l a t er s w n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s s ，a n dm a k ei tp o s s i b l et os i m u l a t ef l u i df l o wa n d h e a tt r a n s f e ri ns p o tw e l dw i t hf em e t h o d ( 2 ) m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no fr s wn u g g e tf o r m a t i o np r o c e s s b a s e do na x i s y m m e t r i cf e a t u r e so ft y p i c a lr s wp r o c e s s ，i n d u c e d m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n df l u i df l o wf e a t u r e si ns p o tw e l d f r o m a b o v ea n a l y t i ca n dt h e o r e t i cr e s e a r c h ，ap a r a m e t r i ch y b r i dc a l c u l a t i o n m o d e lf o rr s w p r o c e s sw a sb u i l t b a s e do ns i m p l i f i e dm a g n e t i ca n d f u i df e a t u r e s ，m h db a s i ce q u a t i o n sa n ds t r e s s - s t r a i nb a s i ce q u a t i o n st o d e s c r i b er s w n u g g e tg r o w t hp r o c e s sw e r ec r e a t e dw i t he l e c t r i c ，t h e r m a l a n dm e c h a n i c a lc o n t a c t s ，m a g n e t i cb o d yf o r c e ，f l u i df l o w , a n dl a r g e e l a s t i c p l a s t i c d e f o r m a t i o nc o n s i d e r e d b o u n d a r y c o n d i t i o n sf o r m u l t i p h y s i c a lc o u p l e da n a l y s i sw e r ea l s od e f i n e da f t e re x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fw e l d i n gc u r r e n ta n de l e c t r o d ef o r c ee t c b a s e do na b o v ea l l t h e s ew o r k s ，e l e c t r i c ，t h e r m a l ，f l u i df l o wa n ds t r u c t u r a lf i e l d sf o rr s w p r o c e s sw e r ec o u p l e dt h r o u g hah y b r i dm o d e lf o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c h l a i daf o u n d a t i o nf o rb u i l d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr s wn u g g e t f o r m a t i o n p r o c e s s ( 3 ) f ea n a l y s i s o fr s wn u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sd i s c o n s i d e r i n g i n d u c e dm a g n e t i cf i e l d v i 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o - t h e r m a lc o u p l e dm o d e li sc u r r e n t l yt h em o s to f t e nu s e di n r s w n u g g e tg r o w t hp r o c e s s ，a l t h o u g ht h em o d e ld o e sn o tc o n s i d e rf l u i d f l o wo f m e l t e dm e t a l ，a n dc a n n o tt o t a l l yg e tt h en a t u r eo fn u g g e tg r o w t h ， b u tt h ea n a l y s i sr e s u l tb a s e do nt h em o d e lc a ns u p p l ym a n yu s e f u l r e f e r e n c e sf o rt h ea n a l y s i sw i t hf l u i df l o wa n di n d u c e dm a g n e t i cf i e l d c o n s i d e r e d ap a r a m e t r i ce l e c t r o t h e r m a lc o u p l e df em o d e lw a sb u i l tt o r e s e a r c hr s w n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sw i t h o u tc o n s i d e r i n gf l u i df l o wi n s p o tw e l d t h ee f f e c t so fe l e c t r i cc o n t a c tr e s i s t a n c ea n dt h e r m a lc o n t a c t r e s i s t a n c eo nn u g g e tf o r m a t i o nw e r er e s e a r c h e d ，r e s p e c t i v e l y r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee f f e c to ft h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c ei s v e r ys m a l l ， t h e r e f o r e ，i no r d e rt os i m p l i f ym o d e la n dr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fm o d e l ， t h e r m a lc o n t a c tc a nb ei g n o r e d ( 4 ) r s wn u g g e tf o r m a t i o np r o c e s sa n a l y s i sw i t hf l u i d f l o wa n d i n d u c e dm a r n e t i cf i e l dc o n s i d e r e d b u i l tm u l t i p h y s i c a lc o u p l i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t he l e c t r i c t h e r m a l ，m a g n e t i ca n df l u i df l o wc o n s i d e r e dt os y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rb e h a v i o r sd u r i n gr s w p r o c e s s a r t i f i c i a l v i s c o s i t ym e t h o dw a su s e dt oh a n d l et h em o v i n gl i q u i d s o l i di n t e r f a c e w h e r ep h a s ec h a n g et a k e sp l a c e a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e w a su s e dt or e a l i z et h ec o u p l i n gb e t w e e n2 de l e c t r i c ，t h e r m a l ，f l u i df l o w a n d3 dm a g n e t i cf i e l d r e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e ri n d u c e dm a g n e t i cf i e l d t h e r ea r ef o u rf l u i df l o wc e l l si ns p o tn u g g e t a n yo n eo fw h i c hf l o w si n t o n u g g e tc e n t e ri nxd i r e c t i o na n dt h e nf l o wo u to fn u g g e tc e n t e ri ny d i r e c t i o n ，a n de v e n t u a l l yp r o d u c e sf o u ru n e v e n ，s y m m e t r i ca n dc l o s ef l o w l o o p f l u i df l o wv e l o c i t yi ns p o tw e l di sv e r yl a r g e ( a b o u t4 5 0 m m sa t 8 2 0 0 aa n d10c y c l e s ) ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nh e a tt r a n s f e r b e h a v i o r si ns p o tw e l d c o m p a r i n ga n a l y s i sr e s u l t sw i t ht h a tw i t h o u t c o n s i d e r i n gf l u i df l o w , t h ef o u o w i n gc o n c l u s i o nw e r ed r a w n ：f l u i df l o w i ns p o tw e l dn o to n l yc h a n g e st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ，n u g g e ts h a p ea n ds i z ei nw e l d i n gp h a s e ，a l s oh a sf ls i g n i f i c a n t e f f e c to n c o o l i n gc r y s t a l l i z i n gp r o c e s sd u r i n gh o l d i n gp r o c e s s a sar e s u l t ， i n d u c e dm a g n e t i cf i e l dd u r i n gr s w p r o c e s sh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo n r s w s p o tw e l dq u a l i t y i no r d e rt ov a l i d a t et h ef l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e rm o d e lu n d e ri n d u c e dm a g n e t i cf i e l d m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n o nn u g g e ts i z ew a sp e r f o r m e dt oc h e c kt h ep r e c i s i o no ft w od i f f e r e n t v h 上海交通大学博士学位论文 m o d e l s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea n a l y s i sr e s u l t sw i t hi n d u c e dm a g n e t i c f i e l dc o n s i d e r e dh a sh i g h e rs i m u l a t i o np r e c i s i o n ( 5 ) r e s e a r c ho nt h e r m a le x p a n s i o ne l e c t r o d ed i s p l a c e m e n td u r i n g r s w n u g g e tf o r m a t i o np r o c e s s t e m p e r a t u r ef i e l dv a r i a t i o nd u r i n gr s wp r o c e s sd e t e r m i n e sf i n a l s t r e s s - s t r a i ns t a t u si n s p o tw e l d ，a sar e s u l t ，a l s od e t e r m i n e st h e r m a l e x p a n s i o n _ d i s p l a c e m e n t ( t e d ) v a r i a t i o nb e t w e e nt w oe l e c t r o d e s ，w h i c h c a l lr e f l e c t ss p o tw e l dq u a l i t y a c c o r d i n gt op r e v i o u sr e s e a r c h ，i n d u c e d m a g n e t i cf i e l di ns p o tw e l dm a k e st e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gr s wp r o c e s s c h a n g es i g n i f i c a n t l y , w h i c hs h o u l dc a u s et e dt oc h a n g ea c c o r d i n g l y t h i sp a p e rb u i l tat h e r m a l m e c h a n i c a lc o u p l e df em o d e lw i t hm a t e r i a l s n o n l i n e a r i t y a n dc o n t a c t n o n l i n e a r i t y c o n s i d e r e dt o s y s t e m a t i c a l l y r e s e a r c ht e d d y n a m i cv a r i a t i o nr u l e sd u r i n gr s wn u g g e tg r o w t hp r o c e s s t h ee f f e c to fi n d u c e dm a g n e t i cf i e l do nt e dw a sr e s e a r c h e da n d c o m p a r e dw i t h t h a tw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d r e s u l t ss h o w e dt h a t t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc a u s e db yi n d u c e dm a g n e t i cf i e l di ns p o tw e l dd o e s n o ty i e l dag r e a te f f e c to nt e dd u r i n gr s w p r o c e s s i no r d e rt ov a l i d a t e t h e r m a l m e c h a n i c a lm o d e l ，l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rw i t hh i g hp r e c i s i o n w a su s e dt om e a s u r et h ed y n a m i ct e dd u r i n gr s wp r o c e s s t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ha n a l y s i sr e s u l t sb a s e do nt w o m o d e l s ：o n ec o n s i d e r e dt h ei n d u c e dm a g n e t i cf i e l d ，t h eo t h e rd i dn o t r e s u l t ss h o w e dt h ef i r s to n ei sm o r ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e da n dr e v e a l e dt h en a t u r er u l e sd u r i n g r s w p r o c e s sf r o mm o r ei n d e p t hl e v e lb a s e do nn u m e r i c a la n a l y s i sa n d s o m en e c e s s a r ye x p e r i m e n t sv a l i d a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t se n r i c h e sa n d d e e p e n st h et h e o r yo fr s w ：a n dh a ss i g n i f i c a n tg u i d a n c em e a n i n g si n f u r t h e ri m p r o v i n gr s w s p o tw e l dq u a l i t ya n du n d e r s t a n d i n gn u g g e t g r o w t hm e c h a n i s mf r o mi n d e p t hl e v e l ，e s p e c i a l l y h a s s i g n i f i c a n t m e a n i n gi ni m p r o v i n gs p o tw e l dq u a l i t yo fa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e la n d a l u m i n u ma l l o y a b o v ea 1 1 t h er e s e a r c hf r u i t si nt h i sd i s s e r t a t ：i o nh a v e v e r yi m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dp r a c t i c es i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：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 la n a l y s i s ，f l u i df l o w , h e a tt r a n s f e r , e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，t h e r m a le x p a n s i o n d i s p l a c e m e n t v i i i 上海交通大学 学位论文原创性声明 本入郑重声嘴：新呈交的学位论文，是本入在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标瞬。本入完全意识到本声明的法律结果壶本人承攫始 学位论文作者虢专弛 舀期：o l - 年岁月2 , , o e l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家奄关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，霹以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密画，在b 解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密西# ( 请在以上方框内打“) 学位黻俸者签名。参 指导刻磋名 日期：o ，年了月目 谗别2 日期：甜年 月别曰 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、意义及来源 1 1 1 研究背景 自1 8 7 7 年e l i h ut h o m s o n 发明电阻焊原理以来，电阻点焊技术便因其效率 高、成本低等优点广泛应用于大批量薄板结构的焊接装配。尤其在汽车制造工业， 电阻点焊工艺完成了9 0 以上的装配量，据统计一个典型的轿车车身大概由 3 0 0 - 4 0 0 个薄板件经4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点装配而成【l 刁】，电阻点焊接头质量的好坏， 直接决定了轿车使用的可靠性和安全性，同时对轿车车身焊接装配偏差也具有非 常重要的影响【4 - 1 3 】。因而从轿车车身的设计阶段，到车身的制造阶段，点焊问题 都受到了极大的关注。 但是，点焊质量受影响因素较多，各个焊点之间均存在质量差异，通常会产 生不合格接头。所以，从电阻点焊技术应用开始，人们就通过实验手段对点焊过 程进行研究，希望获取各个因素对点焊质量的影响规律，以提高点焊工艺的鲁棒 性。采用试验手段虽然获得了许多有用的规律，但是由于点焊工艺的封闭性，采 用试验手段很难揭示点焊熔核形成与长大物理过程的本质规律。为此，从6 0 年 代开始，随着计算机技术迅速发展，人们开始采用数值模拟方法对点焊过程进行 仿真研究，迄今已经获得了丰硕的成果，可以用来指导焊接生产。但迄今为止， 关于电阻点焊熔核形成过程本质的研究在以下几个方面仍然存在不足： ( 1 ) 电阻点焊过程中熔核内液态金属流动行为的研究。电阻点焊过程非常复 杂，涉及到导电、电磁感应、传热、流体流动以及力学变形等物理现象 0 4 ，这些因素相互耦合共同决定了点焊接头的质量。迄今为止，世界各 国的研究者已经对电阻点焊过程的导电、传热以及力学变形进行了大量 的研究。但是很少有人考虑电阻点焊熔核形成过程中熔核内液态金属的 流动行为，更没有人采用有限元方法去研究强大的焊接电流所感应的磁 场对熔核形成过程中液态金属的流动及传热行为的影响。因此，在感应 磁场作用下，熔核中熔化金属的运动规律、熔化金属的运动所导致的传 热行为的变化，以及电场、磁场、热场、流场相互耦合对点焊过程接头 中温度场的影响规律