（材料加工工程专业论文）铝合金点焊熔核强化研究.pdf

摘要 铝合金是运输工具轻量化的重要材料。铝合金点焊是一种热效率高、自动化 程度高、生产柔性化程度高的焊接方法，在汽车、航空及航天产品的制造中有广 泛用途。铝合金导电性、导热性高，热膨胀系数大，熔点低，化学性质活泼，表 面覆盖着致密氧化膜且易与电极发生铜铝合金化反应，严重影响了铝合金薄板点 焊的工艺性。为此，本文对改善铝合金点焊工艺性能提高焊点质量作了以下工作： 首先，采用数值模拟方法对铝合金点焊接头组织、熔核形态和残余应力分布 做了深入研究。熔核的结构因素：熔核的组织分、和熔核的形状和应力状态是决 定点焊熔核力学性能的内在因素。为此，本文首次采用了热、电、力、冶金耦合 的电阻点焊过程模型及铝合金的相变模型对铝合金点焊焊点组织进行了数值模 拟研究。预测出了变形铝合金中最主要的两类铝合金( 可热处理强化铝合金和不 可热处理强化铝合金) 点焊接头的组织差异。根据实际点焊产生的铝合金熔核形 状，分别建立了圆台形、圆锥台形、椭球形熔核模型，并对它们施加剪切、扭转 和扯离载荷，进行数值模拟，研究了不同载荷下各类熔核形状模型上的应力分布 状况。并且根据对点焊过程的模拟结果，分析了各类熔核形状的形成原因。使用 电阻点焊过程的数值模型研究了各种焊接工艺焊接时，熔核及周围热影响区的残 余应力分布。为通过工艺设计手段进行铝合金点焊熔核强化提供了理论基础。 其次，采用试验的方法对采用不同工艺手段时，熔核内部组织变化及焊点力 学性能变化作了深入研究。首次在可热处理铝合金6 0 8 2 的熔核组织中发现由于 点焊过程中的电磁现象产生的类似电磁铸造的组织形态：枝晶组织与由枝晶碎片 形成的非枝晶组织的混合分布。对6 0 8 2 铝合金点焊进行了试验设计及工艺试验， 研究了采用不同工艺参数进行焊接时，熔核组织的变化以及焊点力学性能的变 化，为使用物理方法进行熔核强化提供了实验和理论基础。 最后，采用大电阻介质点焊的方法，对改善熔核组织性能做了深入研究。合 金强化是对铝合金进行组织强化的行之有效的手段，也是铝合金点焊进行熔核强 化的重要方法。本文使用试验测量和数理统计分析的方法，首次采用稳定分布来 描述大电阻介质点焊时电极间的初始电阻分布。并根据稳定分布的特征提出了大 电阻介质点焊时工件间的初始电阻的计算方法。首次对t i 介质，c 介质，c 、t i 混合介质，y 介质，e r 介质，y 、c r a i y 的混合介质等几种不同大电阻介质进行 了试验研究。分析了采用各种不同大介质电阻焊接时，对熔核组织强化的效果和 机理。为使用合金强化方法进行熔核强化提供了实验和理论基础。 关键词：铝合金；电阻点焊；数值模拟；大电阻介质；熔核强化；疲劳寿命 a b s t r a ct a l u m i n u ma l l o yi sa ni m p o r t a n tm a t e r i a lf o rl i g h t w e i g h tv e h i c l eb o d y t h es p o t w e i d i n ga l u m i n u ma l l o yh a st h ef e a t u r e sh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , h i g hd e g r e e o f a u t o m a t i o na n dh i g hd e g r e eo fp r o d u c t i o nf l e x i b i l i t y , w h i c hh a saw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si np r o d u c i n ga u t o m o t i v e ，a v i a t i o n a n da e r o s p a c ep r o d u c t s a st h e a l u m i n u mh a ss u c hc h a r a c t e r s ：h i g hc o n d u c t i v i t ya n dh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , l a r g e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ，l o wm e l t i n gp o i n t ，a c t i v ec h e m i c a lp r o p e r t i e s ，c o a t e d w i t hh i g hd e n s ea n dh i g hm e l t i n gp o i n to x i d ef i l mw h i c hi sa l m o s tn o n 。c o n d u c t i v e ， e a s i l yr e a c t i o nw i t ht h ec o p p e re l e c t r o d e ，t h et e c h n o l o g yo fa l u m i n u ma l l o ys p o t w e l d i n go ft h i np l a t ei ss e r i o u s l ya f f e c t e d i no r d e rt oi m p r o v e t h ew e l d i n gt e c h n o l o g y a n de n h a n c et h eq u a l i t yo ft h es p o tw e l d i n gj o i n t ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e n s t u d i e d ： f i r s t l y , b yu s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h em i c r o s t r u c t u r e o ft h e w e l d i n gj o i n t ，t h en u g g e tf o r ma n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h er e s i d u a ls t r e s sh a v eb e e n s t u d i e dd e e p l yt h em i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o no f t h en u g g e t , t h es h a p eo ft h en u g g e t a n dt h es t r e s ss t a t ea r et h ei n n e rf a c t o r so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es p o t w e l d i n gi o i n t i nt h i sp a p e r , t h eh e a t , e l e c t r i c i t y ，f o r c e ，m e t a l l u r g i c a lc o u p l e dm o d e l o f s p wa n dt h ep h a s e c h a n g em o d e lo fa l u m i n u ma l l o ya r eu s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h en u g g e t b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ed i f f e r e n t b e t w e e l lt h en u g g e t so ft w om a i nk i n d so fa l u m i n u ma l l o y sa r ep r e d i c t e d s e v e r a l t y p e so fm o l t e nc o r ea r ec a l c u l a t e d a n da n a l y z e di n t h i sp a p e ru n d e rt h es a m e c o n d i t i o n t h es t r e s ss t a t e so fa l lt h em o d e l sa r es t u d i e d b a s e do nt h er e s u l t so f t h e s i m u l a t i o n t h ef o r m i n go ft h e s em o d e l si sa n a l y s u s i n gt h em o d e lo ft h es p w ，t h e r e s i d u a ls t r e s so ft h en u g g e ta n dt h eh e a ta f f e c t z o n ei ss t u d i e dw i t hw e l d i n g p a r a m e t e rv e r i f i e d a l lt h e s ew o r kp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o rs t r e n g t h e l lt h e w e l d i n gn u g g e tb ym e a n so fw e l d i n gp r o c e s sd e s i g n s e c o n d i y ，b yu s i n gt h ee x p e r i m e n t t e s t ，t h ec h a n g e si nt h ei n t e r n a lm i c r o s t r u c t u r e o fn u g g e ta n dc h a n g e si nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ej o i n t sh a v eb e e ns t u d i e dd e e p l y t h em i xd i s t r i b u t i o no fd e n d r i t i cs t r u c t u r ea n dt h en o n d e n d r i t i cs t r u c t u r ec a u s e db y t h ee l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n ad u r i n gt h es p w i nt h en u g g e ti sf o u n d a n dt h et e s t d e s i g na n dt h et e s t s a r ec a r r i e do u tf o rs p o tw e l d i n g6 0 8 2a l u m i n u ma l l o y t h e c h a n g e so ft h em i c r o s t r u c t u r ei nt h en u g g e ta n dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e w e l d i n gj o i n ta r es t u d i e d a l lt h e s ew o r kp r o v i d eat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i s f o rs t r e n g t h e nt h ew e l d i n gn u g g e tb ym e a n so ft h ep h y s i c a lm e t h o d s a tl a s t ，b yu s i n gt h em e t h o do fa d d i n gt h el a r g er e s i s t a n c em e d i u mi nt h ew e l d i n g p r o c e s s ，t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d i n gj o i n ti si m p r o v e d ，t h es t r e n g t hr e s u l t sa r e s t u d i e da n de x p l a i n e d ，a n dm a n ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t sc a r r i e do u t s t r e n g t h e n w i t ha l l o ye l e m e n ti sa ne f f e c t i v em e t h o df o rs t r e n g t ht h ea l u m i n u ma l l o y , a n di ti s a l s oa ni m p o r t a n tm e t h o df o rs t r e n g t ht h ew e l d i n gn u g g e t i nt h i sp a p e r ，t h es t a b l e d i s t r i b u t i o ni sf i r s t l yu s e dt od e s c r i b et h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n i t i a lr e s i s t a n c eb e t w e e n t h ee l e c t r o d e s a n db a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft h es t a b l ed i s t r i b u t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do ft h ei n i t i a lr e s i s t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d e si sd e d u c e dw h e nw e l d e dw i t h t h eh i g hr e s i s t a n c em e d i a a n dm a n ym e d i u mi n c l u d i n gt i ，c ，y ，e r , c r a i yh a v eb e e nt e s t e df o rs t u d i e dt h e s t r e n g t hr e s u l tt ot h en u g g e t a l lt h e s ew o r kp r o v i d eat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l b a s i sf o rs t r e n g t h e nt h ew e l d i n gn u g g e tb y m e a n so ft h ec h e m i c a lm e t h o d s k e yw o r d s ：a l u m i n i u ma 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 ， h i g hr e s i s t a n c em e d i u ms p o tw e l d i n g ，n u g g e tr e i n f o r c i n g ，f a t i g u el i f e 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，也不包含为获得鑫生态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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 籼一签名卿。丁7 月护 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权墨洼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) 黼签涮彳聊虢渖辛 签字日期妒了年7 月弓日签字日期矽于7 月弓日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 轻量化设计的迫切要求 交通运输对于国民经济发展以及人民生活质量的提高有着重要的推动作 用，交通部门是我国国民经济的基础产业部门之一，也是社会活动中物流和客 流的纽带。经济的增长、城市化进程的加快及机动车保有量的迅猛增加，导致 了交通运输需求和服务的迅速增加。过去3 0 年间( 1 9 7 8 - - 2 0 0 7 ) ，中国的客运周 转量从1 7 4 3 1 亿人公里增长到了2 1 5 9 2 6 亿人公里，平均每年增长8 7 5 。货运 周转量也从9 8 2 9 亿吨公里增长到了1 0 1 4 1 9 亿吨公里，增长了9 倍多【l 】。与交通 运输消费的增加相对应，交通部门的模式替代与发展也呈现非常明显的趋势， 在2 0 0 3 年到2 0 0 7 年5 年间，铁路运输客运量在客运总量中的比例从6 1 3 逐渐 下降到6 0 9 ，铁路货运总量所占货运总量比例由2 0 0 3 年的1 4 3 3 下降到2 0 0 7 年的1 3 8 1 ；公路运输迅速则上升成为主导交通方式，2 0 0 7 年公路客运总量 2 0 5 0 6 8 0 万人，占客运总量的9 2 0 5 ；航空运输的发展异常迅速，民航客运量 由2 0 0 3 年的8 7 5 9 万人增长到2 0 0 7 年的l8 5 7 6 万人，运量翻了一番。 然而交通的发展始终受到两个重要因素的制约。首当其冲的就是能源因 素，随着交通服务量的迅速扩大以及交通模式的演化，交通部门的能源消费， 尤其是石油产品消费正在迅速增加。国家统计局统计显示，从1 9 9 0 年到2 0 0 7 年，中国的交通部门的石油消费以每年1 1 6 8 的速度增长，在2 0 0 7 年达到 1 2 2 9 6 6 万吨。目前，交通部门的石油产品消费占全部石油消费量的3 3 6 2 左 右，其中汽油消耗大约2 7 6 3 1 9 万吨，占整个汽油消费量的5 0 0 1 。2 0 0 7 年， 中国的石油进口已经超过2 亿吨，进口依存度达到5 7 6 8 ，石油安全问题凸现 【l 】 o 其次，就是环境因素。交通运输行业作为能源消费增长最快的行业领域之 一，对建设节约型社会战略的实施具有重要的影响。机动化水平的快速提高的 同时也使得城市交通噪声污染、城市交通废气污染、温室气体等问题越来越突 出。根据2 0 0 4 年中国政府公布的中华人民共和国气候变化初始国家信息通 报，1 9 9 4 年我国按照二氧化碳当量估算的温室气体的总排放量( 净排放) 水 平为3 6 4 9 5 1 7 万讹，其中二氧化碳2 6 6 5 9 9 万妇，按c 0 2 当量占7 3 ；甲烷和 第一章绪论 氧化亚氮按c 0 2 当量折算分别占2 0 和7 。交通运输行业主要排放二氧化碳。 1 9 9 4 年交通运输行业共排放二氧化碳1 6 5 5 6 7 万讹，占全国二氧化碳排放量的 6 21 。如果按照3 种温室气体折合二氧化碳当量计算，交通运输行业二氧化碳 排放占全国二氧化碳当量排放水平的4 5 4 。另外，若考虑国际燃料舱( 国际航 空和国际航海) 排放的二氧化碳，估算2 0 0 4 年中国全部交通运输业二氧化碳排 放量约为1 7 6 4 1 7 万讹，占全国二氧化碳( c 0 2 ) 排放量的6 6 ，占全国二氧化 碳当量折合总排放水平的4 8 2 。 汽车尾气含有一氧化碳、氧化氮以及对人体产生不良影响的其他固体颗 粒，尾气中的苯类物质更是强致癌物质，会引发肺癌、甲状腺癌等。由于汽车 尾气主要在0 3 2 m 之间低空排放，正好覆盖人体的呼吸范围，从而刺激呼吸 道，使呼吸系统的免疫力下降，导致慢性气管炎，支气管炎及呼吸困难的发病 率升高，肺功能下降等一系列症状。尤其在高密度人群集中居住的城市，在交 通部门消费大量燃油的同时也产生大量的污染排放物，严重影响着人群的正常 生活和城市的发展。1 8 世纪末到2 0 世纪初的产业革命以来，大气污染一直是一 个引起人们注意的公害，2 0 世纪以来，已经发生多起大气污染影响人类健康的 恶性事件，最有名的有缪斯河事件、多诺拉事件、伦敦事件以及由汽车废气产 生的洛杉矶光化学污染事件，累计病例和死亡人数高达近百万人。2 0 世纪9 0 年 代初以前有我国大气污染属于煤烟型，主要污染源来自工业排放：2 0 0 0 年全国 有燃煤工业锅炉5 0 多万台，年耗煤占全国的1 3 ，这些锅炉构成了煤烟排放的 主要部分。2 0 世纪9 0 年代后期，机动车数量增长引起的尾气型污染( 如n o x ， c o ，s 0 2 等) 在很多城市逐渐取代煤烟型污染，这种状况在1 0 0 万人口以上的 大城市表现的更为明显。根据对一些重点城市空气质量的观测表明：n o x 已经 成为北京、广州、上海、武汉、杭州、合肥、大连、深圳及珠海等城市的首要 污染物。一些城市的n o x 污染指数达到4 级；1 9 9 5 年5 月，中国成都出现我国 首次光化学烟雾；6 月，上海又出现光化学烟雾。1 9 9 6 年，北京、广州的n o x 超过了0 1m g m 3 。据国家环保总局估计，2 0 0 5 年，我国5 2 2 个城市的大气监测 资料显示，只有4 2 的城市达到国家环境空气质量一级标准，5 6 1 的城市达 n - - 级标准，约有3 9 7 的城市处于中度或重度污染，且汽车尾气成为重要污 染源。目前，中国城市私人机动车正以2 0 以上的速度高速增长，城市交通处 于发展的十字路口，治理交通对城市环境造成的污染已刻不容缓1 2 喵j 。 由于未来l5 年左右是我国全面建设小康社会的关键时期，经济社会持续快 速增长必然带动运输需求的快速持续增长，由此带来交通运输业的能源消费增 长。在这样的背景下，如何促进交通运输的可持续发展，确保中国的能源安全 以及能源经济环境协调发展，受到越来越多的关注。 第一章绪论 2 0 0 7 年5 月2 3 日，国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知( 国 发 2 0 0 7 1 5 号) ，再次将“节能 “环保的重要性提到了重要的战略高度。 通知指出国民经济和社会发展“十一五”规划纲要提出了“十一五”期 间国内单位生产总值能耗降低2 0 左右、主要污染物排放总量减少1 0 的约束 性指标。这是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，是推进经济结构 调整、转变增长方式的必由之路。节能减排综合性工作方案共1 0 部分，包 括：进一步明确实现节能减排的目标任务和总体要求；控制增量，调整和优化 结构等等。关于“节能减排”的主要目标， 方案提出：到2 0 1 0 年，万元国 内生产总值能耗由2 0 0 5 年的1 2 2t 标准煤下降到l t 标准煤以下，降低2 0 左 右；单位工业增加值用水量降低3 0 “十一五期间，主要污染物排放总量减 少1 0 ，到2 0 1 0 年，s 0 2 排放量由2 0 0 5 年的2 5 4 9 万吨减少到2 2 9 5 万吨，化学 需氧量( c o d ) 由1 4 1 4 万吨减少到1 2 7 3 万吨；全国设市城市污水处理率不低于 7 0 ，工业固体废物综合利用率超过6 0 。为此，交通运输业和汽车工业在降 低能源消耗和主要污染物排放方面，被赋予重大责任和义务 9 , 1 0 1 。 在持续快速增长的机动化趋势的推动下，整个交通运输领域将成为能源消 费增长最快的终端用能领域。随着现代科技的发展，如果车辆用能模式发生重 大突破，可能会带来交通能源利用模式的变化。但在可预见的未来15 年内，以 传统化石燃料为机动车用能格局难以根本改变。在国家强有力的节能减排政策 的作用下，交通运输领域的资源环境约束将日趋严格，由此促进交通运输系统 效率的提高，抑制能源消费的增长成为保障节能减排政策在交通部门有效实施 的重要手段。 交通运输系统效率的提高除了依赖于运输结构的优化、运输管理及组织效 率的提高等因素之外，运输工具的装备技术水平的提高具有十分重要的作用。 减轻运输工具的自重是提高燃油经济性、降低能耗、提高安全性能的重要措施 之一。降低燃油消耗、减少向大气排出c 0 2 和有害气体及颗粒已成为运输工具 发展主攻的方向。有研究表明：汽车自重减轻1 0 ，燃油效率即可提高1 5 。 汽车自重每减轻1 0 0 k g ，百公里油耗可减少0 7l 左右；飞机结构如减轻一千 克，每年可节省燃料2 9 0 0 千克，每节省1 l 燃料可减少c 0 2 排放2 5g ；内燃机 车牵引时每减重1 吨，每年可节约运输成本近万元，柴油1 吨；电力机车牵引的 列车，1 吨自重每走行l k m ，耗电0 1 3 7 m j ，若以每日走行4 2 5 k m 计算，则一年 所消耗的电能为2 0 9 3 0 m j ，如果以2 0 辆车编组成的电力牵引列车，每辆车若减 轻i t 重量，一列车运用3 0 年计算，仅此一项便可节约资金2 8 万元。另外，车 辆轻量化减轻了对线路的磨耗，降低了线路的损耗量，延长使用寿命1 1 1 1 。 第一章绪论 1 1 2 运输工具轻量化的主要途径 从运输工具的设计、制造、使用和市场要求看，动力性能、安全、节能与 环保仍然是首要的问题，由此，运输工具自身轻量化、外形多样化、功能高性 能化以及制造低成本化在不断推动现代运输工具的发展。运输工具的轻量化工 程可以用多种的方式完成。首先，在轻量化工程中，必须实现交通工具自身功 能性的最佳组合，要求交通工具自身结构必须具有最佳载荷变化范围；其次是 制造轻量结构，可以通过采用新的成形工艺，如辊压成形和液压成形，或其他 特殊成形工艺，如中高温成形，来实现减重；第三是采用材料轻量化设计1 1 2 j 。 目前铝合金还是实现交通工具轻量化的首选材料。铝合金是制造民航运输 工具的主要材料，在汽车和铁路客车车身上已经逐渐开始大量采用。铝的力学 性能好，其密度只有钢铁的l 3 ；具有良好的导热性；仅次于铜；机械加工性能 比铁高4 5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工艺性 能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。随着铝合金技术的发展，铝中添加镁、 铬、硅等合金元素可获得高强度铝合金材料。车用普通钢材的强度约为2 4 0 m p a 左右；高强度钢为5 0 0 7 0 0m p a ，而车用铝合金的强度现在可以达到5 0 0 m p a 以上，因此铝合金的比强度( 强度密度) 更高，在等强度设计条件下，铝 合金轻得多，可使发动机气缸体和气缸盖减重3 0 一- 4 0 ，全铝车身比钢车身轻 4 0 以上，铝合金车轮减重达5 0 左右。而且，铝合金带来的轻量化又允许制 动器、悬架等零部件减重，即二次轻量化，后者轻量化效果大概是前者的 5 0 。美国的一项研究报告表明，整备质量为14 8 3 6k g 的轿车采用铝材料，在 保持全部性能的前提下，车身质量减重1 2 5k g ，其次是发动机零部件质量减重 5 4k ，其他总成和零部件减重效果也很明显，如悬架系统减重2 9k g ，传动系减 重1 4 5 埏，车轮减重1 1 8k ，制动系减重1 0 9k g ，燃料系统减重9k g ，转向机 构减重5k g ，排气机构减重4 蚝等，总计减重超过2 6 0k g ，达到1 7 5 【l 孓1 5 j 。 铝吸收冲击的能力是钢的2 倍。铝材受碰撞后变形模式为前部大收缩而后部 几乎不变形。由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性方面有明显的优势，汽车前 部的变形区在碰撞时会产生皱褶，可吸收大量的冲击力，从而保护了后面的驾 驶员和乘客。而且，由于车身质量减轻，可以更快捷地转向或制动，能更好地 避免发生事故。即使发生碰撞，碰撞时能也会减小，可相应地降低冲击力i l 引。 铝易于回收再生。据分析，每年有近6 0 0 0 万辆汽车投放全球市场，如果全 球汽车保有量要保持平稳增长，每年起码将有4 0 0 0 万辆汽车报废，因此回收报 废汽车则变得尤为重要。汽车工业要成为绿色产业，就要求汽车在制造、使用 及回收全部过程中尽量少污染。近年来，为了保护环境，节约资源，各国对报 4 第一章绪论 废汽车材料的回收与再生都非常重视。日本在1 9 8 9 年通过了“再生资源利用促 进法 ，各汽车公司分别成立了“废车再生研讨委员会，认真贯彻实施该法 案。法国的标致雪铁龙和雷诺公司于1 9 9 3 年与政府签订了协议，保证到2 0 0 2 年，他们生产的汽车报废时材料的再生利用率由7 5 提高到8 5 ，同时协议还 规定，今后在设计和制造汽车时，汽车的装配应考虑报废时便于拆卸。欧盟也 立法规定，在2 0 0 2 年6 月之后生产的新车将来的报废费用完全由生产厂家承 担，从2 0 0 6 年起必须保证占车重8 5 的材料可以回收，到2 0 1 5 年要达到9 5 。 在这种重视回收再生的大背景下，铝材的优势非常明显。铝制品在使用过程中 几乎不发生腐蚀或仅发生轻微的腐蚀，工业上使用的常规材料中，铝的回收价 值率是最高的。而再生铝的能耗仅相当于从铝土矿开采到电解浇铸成原铝锭所 需能源的5 ，在铝材一铝制品一使用一回收再生铝锭一再加工成铝材的循环过 程中，铝的损耗也仅5 左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。2 0 0 1 年美 国市场供应铝材的1 3 来自回收再利用；2 0 0 0 年，西方国家铝总产量2 5 0 0 万 吨，回收再生的7 0 0 万吨，占2 8 。目前，汽车用铝8 0 可以回收，估计到2 0 1 0 年，可达9 0 t 1 7 - 2 0 。 从运输工具轻量化对材料的要求来看，当铝的薄板应用到车身或机身时， 在连接部位既要满足连接强度和刚度的需要，又要能够承受运行时的疲劳载荷 等多种承载要求。目前，在运输工具上铝合金板材搭接主要采用的是铆接和卷 边等冷连接技术。这些技术具有工艺成熟，抗疲劳性能强等特点。但是过多的 使用铆接等工艺方法，会使连接工艺的工艺程序增多，结构重量增加，不利于 轻量化设计【2 1 2 2 1 。 焊接工艺是生产效率高且易实现机械化和自动化的工业方法，在板材搭接 方面，电阻点焊在汽车工业领域获得了广泛的应用，已成为汽车制造领域中的 主导加工艺。但是，铝合金点焊所存在的问题限制了点焊在铝合金汽车生产中 的应用。目前铝合金汽车车身的板材连接很少单独采用电阻点焊工艺，而大多 采用气保焊、激光焊和搅拌摩擦焊的方法。其中气保焊如交流t i g 焊、m i g 焊 以及变极性等离子焊等和激光焊属于熔化焊。铝合金在熔化焊接时容易产生的 气孔、裂纹等缺陷并且难于完全避免【2 3 1 。因此，使用熔化焊方法焊接铝合金虽 然能够解决大量的焊接结构件的连接问题，但是所得到的焊接接头的组织、性 能和质量有很大的差别，接头强度一般只有母材的5 0 8 0 1 2 4 27 | 。搅拌摩擦焊 焊接时温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力和变形比熔化焊小得多，适 用于熔化温度较低、塑性较好的有色金属如a l ，c u 的焊接，并可以得到几乎零 缺陷的焊缝，接头强度可以达到母材的9 5 以上。但是搅拌摩擦点焊薄板时工 艺窗1 ：1 比较窄，容易出现孔洞，沟槽，飞边等缺陷，且返修困难 2 8 - 3 3 】。 第一章绪论 电阻点焊属于熔化焊方法，在焊接板材时，利用电流通过时，在板材接触 部位产生的电阻热使母材熔化产生点焊熔核以达到板材的连接。与气保焊、激 光焊等熔化焊工艺相比，电阻点焊加热集中，焊后冷却快，设备成熟高效，生 产效率高。与搅拌摩擦点焊方法相比，铝合金电阻点焊焊接组织具有熔化焊焊 后组织特点，这是因为，在铝合金点焊过程中，由于铝合金导热很快，水冷铜 电极也有强烈的冷却作用，所以熔核的冷却速度非常快，在熔核部位快速形成 铸态冷却组织，在熔核边缘产生柱状晶，熔核内部产生等轴细晶区；另一方 面，如熔核金属冷却收缩速度相比，焊接机头随动性很差，不能跟随熔核的膨 胀与收缩过程，所以熔核容易形成缩孔和柱状晶体【捭3 8 】。由于组织上的差异， 铝合金电阻点焊的强度和疲劳性能都逊于铝合金搅拌摩擦点焊。铝合金点焊焊 接区域的组织性能以及形状特征是制约焊点力学性能的重要因素。因此，开展 铝合金点焊焊接区域组织的强化研究，对与铝合金在运输工具轻量化设计和制 造具有十分重要的意义。 1 2 铝合金点焊接头设计及强化研究 电阻点焊是具有非线性、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。目 前，试验方法仍是电阻点焊研究的主要方法 3 9 - 4 2 】。在一些研究领域，如工艺的 制定与优化、点焊过程及质量控制等，由于缺乏理论的指导，使得这些研究代 价过大，甚至出现了难以突破的障碍。 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以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，从而为点焊研究提供理论上的指导。开展铝合金点焊过程的数值模拟研究 对探明铝合金点焊的过程机理、解决铝合金点焊中的存在问题及铝合金点焊工 艺的推广应用具有重要意义。 1 2 1 电阻点焊过程模拟 点焊过程的数值模拟在2 0 世纪6 0 年代就已经出现，依据描述力、热、电过 程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设，建立点焊过程 6 第一章绪论 的数学模型，进而用数值模拟方法对点焊过程温度场、电流场、电势和应力、 应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。 早在1 9 6 0 年，g r a r c h e r 就认为点焊的控制技术对点焊过程的温度响应有 很大的影响。为此，他对不同板厚，不同热物理性能材料在不同频率和热输入 条件下的温度响应进行了研究，建立了一维传热模型，预测得出了快速加热时 将在电极周边下方形成环状熔核的结论【4 3 1 。1 9 6 1 年，j a g r e e n w o o d 建立了描 述点焊温度场的轴对称差分模型畔】，得到了电阻焊椭圆形熔核的特征等温线， 但该模型没有考虑接触电阻的影响。p s m y e r s 等人认为这样的简化将带来很 大的误差【4 5 1 ，并指出任何准确的点焊温度场数值模拟都要在充分了解接触电阻 行为的基础上才能成为可能。1 9 6 7 年，w r i c e 等人建立了一维差分数值模拟 模型对碳钢点焊过程进行研究，该模型中用式( 1 1 ) 来模拟接触电阻l 删： r ，= 0 0 0 1 3 5 e - o 0 0 4 ( t 瑚+ o 0 0 0 0 0 4 5( 1 1 ) 式中忌为贴合面的接触电阻( q ) ；丁为界面平均温度( ) 。由于r 难以 求得，而且该公式误差较大，所以没有被后人沿用。七十年代对点焊过程的数 值模拟主要是采用有限差分模型，考虑了电极的产热与散热以及材料热物理性 能随温度的变化，但大多数模型设有考虑接触电阻。1 9 8 4 年德国学者d h e h l 建立了点焊过程的轴对称差分模型1 4 ，它利用试验结果对球形电极条件下接触 面积随时间的变化进行了假设，并利用该模型对铝合金点焊形核过程进行了分 析。1 9 8 9 年，z h a r t 等在研究点焊传热过程中，建立了二维轴对称差分模型 【4 8 1 ，在模型中除了考虑材料物性参数随温度变化外，还假定电极工件界面电阻 为零，工件间接触电阻与接触压力成线性关系，熔化潜热为等温吸热。该模型 中静态接触电阻取法如下： p c = 1 5 ( 1 0 0 0 2 11 5 f )( 1 - 2 ) 式中p 。为截面接触电阻率( q 1 1 1 ) ，f 为电极压力( n ) 。同年，韩国学 者h s c h o 也建立了类似的轴对称差分模型【4 9 1 ，接触电阻则采用了a l t s l a f 等 人的结果【5 ，其具体表达式为： 、 斤而 屏= ，f 揣成( 瓦 ( 1 3 ) v1 1 1 , 1 0 r 式中日为材料硬度( n m m 2 ) 、t o 为室温( ) 、t 为计算时刻的温度( ) 。 该研究结果只涉及尺寸变化引起的收缩电阻而不包括表面膜电阻：并假定接触 面积和接触压力不变，计算结果表明热影响区误差相当大，作者认为这是由于 没考虑接触面的变化所导致。此后，e w k i m 等使用剖分电极及高速摄影方 法，测定了在点焊过程中熔核、热影响区及电极的温度变化过程，这为数值模 拟提供了有效的验证手段1 5 1 1 。 第一章绪论 耻( 一训( 去+ 轰) ( 1 - 4 ) 耻雠箸您如m 7 ， 纠( 等j ( 半) + 二二 ( 1 - 8 ) 第一章绪论 式中口。斫是软金属的流动应力( p a ) ，它是温度、应变和应变率的函数， c r c 。是界面上的垂直接触压力( n ) 。 2 0 0 0 年，天津大学李宝清博士在预压接触分析的基础上，采用电阻率的形 式对接触电阻进行处理，在有限元模型中，在工件与电极之间，工件相互之间 增加了一层实体单元，通过恰当地设置单元电阻参数( 接触电阻率) 来模拟接触 电阻产热。根据热弹塑性接触分析的结果设置代表接触电阻这层实体单元的 “死活状态，来模拟接触面动态变化。通过对实验测量值的拟合得到了接触 电阻率与接触压强的关系为【6 2 】： 腑( p ) = 0 7 柚鼍，d 瞥5 0 3 二(1-9) l 1 5 7 - 1 4 7 尸6 + 5 1 5 - p3 7 9 5 尸2 + 4 6 1 - p3 ，3 1 p 5 0 3 r p e w ( p ) = 0 1 2 r n ? 1 或p ? 3二( 1 - l o ) l o 0 5 3 0 4 8 1 p6 + 1 6 4 p3 2 4 4 p2 + 1 2 8 p3 ，3 1 p 5 0 3 式中p 聊( 尸) 和凤( p ) 分别为工件相互间的接触电阻率( q m ) 和电极与 工件之间的接触电阻率( q m ) ；p 的单位为m p a 。 温度与接触电阻率的关系为： 胛叫砂卜叫h ) 2 + k 2 翮( t - t o ) ( 1 - 1 1 ) 式中p ( p ) 为接触电阻随接触压强变化的拟合公式，r 为温度( ) ，乃为材 料的熔点( ) ，乃为室温( ) ，幻、彪为加权系数。 2 0 0 1 年，天津大学程方杰博士在电阻点焊表面接触行为的研究中指出，点 焊试件与电极名义接触平表面，特别是未经处理的基表面，其表面轮廓上高度 都近似成正态分布，假设表面轮廓高度算术平均偏差为尼，均方根偏差为o ， 则轮廓线上的各点高度汤的分布情况就可以由一组满足高斯分布n ( 心，仍) 的n 个数进行描述，再用三次样条对这n 个离散的点进行拟合，就可以得到完整的 表面轮廓线。将轮廓线上各点的高度用概率密度分布函数来描述。概率密度函 数为f 6 3 】：+ 甲( z ) = 一e - z 2 2 ， ( 1 1 2 ) c r 4 2 x 当电极与工件，工件之间相互接触时，表面轮廓线上的凸起的各个接触点构 成了导电斑点，接触斑点上材料的电阻率与接触斑点变形率夕，的计算模型为： i p 。 屏( 1 一占) , o o 见= 彳岛+ ( 1 - 4 ) p b( 1 一s ) 局届( 1 + s ) 屁 ( 1 - 1 3 ) i p b 局( 1 + s ) 屁 其中，p 。为接触斑点上材料的电阻率( q m ) ，p m 为氧化膜的电阻率( q m ) ，p 6 为基底金属的电阻率( q m ) ，局为接触斑点的变形率，夕。为接触 9 第一章绪论 斑点变成导电斑点时的临界变形率( m m s ) ，s 为给定的偏差量( 一般取为0 1 ) ， 彳为综合系数，其表达式为： 彳= 曼半。通过将有限元模型中接触面的 节点与根据高斯分布计算得出接触边界每个凸起部位的坐标值建立关联设定了 有限元模型中各个节点处的接触电阻率。 1 2 2 电阻点焊工艺设计与熔核力学性能研究 电阻点焊在工业中有着广泛的应用，出于安全性的考虑，对点焊接头承载 能力的研究显得非常重要。根据接头受力情况、重要程度、材料和工艺特点， 通常将点焊接头分为三个等级：一级，承受很大的静载荷、交变载荷，接头的 破坏会危及人员的人身安全；二级，承受较大的静载荷、交变载荷，接头的破 坏会导致系统的失效，但不危及人员的人身安全；三级，承受较小的静载荷或 动载荷的一般接头。三个等级的设定反映了对点焊接头的不同的使用要求，也 对焊接接头的生产提出了不同的质量要求m j 。 点焊工艺设计对于焊接接头达到承载要求起着决定性作用。铝合金熔点 低，屈服强度低。导电导热性能良好，塑性变形温度窄以及存在氧化膜等特 点，相对于低碳钢而言，铝合金电阻点焊对各种影响因素都比较敏感，熔核尺 寸的稳定性比较差。目前，生产实践中铝合金点焊工艺设计多是以通过焊接试 片，然后对试片进行破坏性检验，从而间接的对零件上的焊点进行质量评估。 点焊熔核尺寸符合承载的