（材料加工工程专业论文）铝合金点焊过程的数值模拟.pdf

铝合金点焊过程的数值模拟 摘要 铝合金具有比重小、良好的耐腐蚀性、易加工成型等优点，广泛应用于航 空航天、汽车制造等领域。电阻点焊是铝合金薄板主要连接技术之一。由于铝 合金高导热率和低电阻率的特点，因此其点焊性能较差。铝合金电阻点焊过程 机理的研究是解决铝合金点焊问题的基础和关键。 本文以2 m m 厚的l f 2 铝合金板材为研究对象，在有限元分析软件a n s y s 中建立铝合金电阻点焊过程热、电、力耦合分析的有限元模型，采用数值模拟 的方法，对铝合金点焊机理和影响因素进行研究。分析了焊接工艺参数对铝合 金点焊温度场和应力场的影响，为实现铝合金点焊过程的实时监控及工艺参数 优化奠定基础。 首先分析比较了锥形电极和球形电极条件下铝合金电阻点焊预压阶段的界 面接触行为和焊接区应力应变特征，认为使用球形电极有利于限制早期飞溅和 提高焊件表面质量。依据球形电极条件下预压接触分析的结果，对铝合金点焊 通电加热阶段和冷却阶段进行了模拟分析。在通电加热阶段工件贴合面部位的 温度率先升高，最终在工件内部形成沿贴合面对称的椭圆形熔核。加热阶段熔 核内部以压应力为主，加热结束时刻，熔核中心区域的应力值比较小。在冷却 阶段熔核瞬时完成凝固结晶，焊接区内等温线保持椭圆形收缩，温度梯度逐渐 趋于平缓。焊接区的应力逐渐由压应力转化为拉伸应力，完全冷却后，焊接区 的残余应力为双向拉伸应力，并且在贴合面边缘存在较大的应力集中。 采用相同模拟方法分析了焊接工艺参数的变化对点焊温度场及残余应力的 影响规律。为提高模拟精度，在点焊参数的变化时对分析模型中的接触面半径 进行了相应修正。分析结果表明：随着焊接电流增加，熔核直径和焊透率均增 加，而焊接区的残余应力会相应降低；通电时间对熔核尺寸的影响与焊接电流 类似但影响程度较弱，通电时间增加到一定值之后，对焊接区的残余应力不再 有影响；随着电极压力的增加，熔核直径变化不大，而焊透率显著下降，贴合 面上残余应力的分布特点对电极压力的变化比较敏感。 采用与模拟一致的工艺参数对铝合金板材分别进行点焊实验，制取接头低 倍金相照片，并测量熔核直径和焊透率。实验结果与模拟情况吻合良好，验证 了模拟方法的合理性及模拟结果的准确性。 关键词：铝合金点焊数值模拟温度场 应力场 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs p o tw e l d i n gf o r a l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o yh a sb e e nw i d e l yu s e di na e r o s p a c e ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g a n do t h e ra r e a sb yi t ss m a l lp r o p o r t i o n ，g o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e a s yt op r o c e s s a n ds oo n r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi so n eo ft h em a i nc o n n e c t i o nt e c h n o l o g yf o r a l u m i n u ma l l o yt h i ns h e e t t h es p o tw e l d i n gp e r f o r m a n c eo fa l u m i n u ma l l o yi s p o o rb e c a u s eo fi t sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dl o wr e s i s t i v i t yc h a r a c t e r i s t i c s t h ep r o c e s sm e c h a n i s mo fa l u m i n u ma l l o yr s wi st h eb a s ea n dk e yt os o l v et h e p r o b l e mo fs p o tw e l d i n g t h ep a p e rf i r s t l ys i m u l a t et h es p o tw e l d i n gp r o c e s so fl f 2a l u m i n u ma l l o y w i t h2 m mt h i c k n e s s ，a n dt h e nc r e a t et h e r m a l ，e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lc o u p l e d a n a l y s i sm o d e lt h r o u g h t h ef 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 u s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h em e c h a n i s ma n di n f l u e n c ef a c t o r so fa l u m i n u m a l l o ys p o tw e l d i n gi si n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l du n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sl a y st h ef o u n d a t i o nt o r e a l i z et h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dp r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fa l u m i n u m a l l o ys p o tw e l d i n gp r o c e s s t h ec o n t a c tb e h a v i o r sa n df e a t u r e so fw e l d e ds t r e s s a n ds t r a i nw i t h t a p e r s h a p e d a n dd o m e s h a p e de l e t r o d e su n d e rt h ec o n d i t i o n s o fa l u m i n u m r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp r e l o a d i n gp h a s ea r ec o m p a r e d ，a n dt h eu s eo fd o m e 。s h a p e d e l e c t r o d ei sa d v a n t a g e o u st ol i m i te a r l ys p l a s ha n di m p r o v es u r f a c eq u a l i t yo f w e l d m e n t a c c o r d i n gt od o m e s h a p e de l e c t r o d ec o n t a c ta n a l y z i n gr e s u l t ，t h eo h m i c h e a t i n ga n dc o o l i n gp h a s eo fa l u m i n u ms p o tw e l d i n ga r es i m u l a t e d i nt h eo h m i c h e a t i n gm o m e n t ，t h et e m p e r a t u r eo fjo i n ts u r f a c er i s e sa tf i r s t ，a n df i n a l l yf o r m e d e l l i p s en u g g e tw i t h i nt h ew o r k p i e c e t h ec o m p r e s s e ds t r e s si nn u g g e ti sm a i n ，a n dt h e s t r e s sv a l u eo fn u g g e tc e n t e ri sq u i t es m a l la tt h ee n do fh e a t i n gp h a s e i nt h ec o o l i n g p h a s e ，t h en u g g e ti n s t a n t l yc h a n g et o s o l i ds t a t e ，t h ei s o t h e r mr e m a i n st h ee l l i p s e c o n t r a c t i o n ，a n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tg r a d u a l l yf l a t t e n t h es t r e s so fw e l d i n ga r e a t r a n s f o r m sg r a d u a l l yt ot e n s i o ns t r e s s ，u l t i m a t e l y , t h er e s i d u a ls t r e s so fw e l d i n ga r e ai s b i d i r e c t i o n a lt e n s i l es t r e s s ，a n dt h e r ei sl a r g e rs t r e s sc o n c e n t r a t i n gi nt h ej o i n t s u r f a c ea tt h ee d g eo fs t r e n t ha r e a u s i n gt h es a m es i m u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c er u l eo fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sc h a n g e t o t h es p o tw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h er e s i d u a ls t r e s si sa n a l y z e d ，a n df o ri m p r o v i n g s i m u l a t i o na c c u r a c y , t h ec o n t a c tr a d i u so ft h em o d e li sm o d i f i e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g ei n t 1 1 es p o tw e l d i n gp a r a m e t e r s t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e ：w i t ht h ei n c r e a s i n go fw e l d i n g c 1l n - e n t n u g g e td i a m e t e ra n dp e n e t r a t i o nr a t e si n c r e a s e ，t h er e s i d u a ls t r e s so fw e l d i n g a r e a w i l lb er e d u c e da c c o r d i n g l y ；t h ei m p a c to nn u g g e ts i z eo f c i r c u l a rt i m ei ss i m i l a rt ow e l d i n g c u n e n tb u tw e a k e re f f e c t ，a n da f t e ri n c r e a s i n gac e r t a i ns t a g e ，t h er e s i d u a ls t r e s so f t h e w e l d i n ga r e ai sn ol o n g e ra f f e c t e d ；w i t ht h ee l e c t r o d ep r e s s u r ei n c r e a s i n g ，n u g g e td i a m e t e r c h a i l g el i t t l e ，w h i l ep e n e t r a t i o nr a t ed e c r e a s es i g n i f i c a n t l y , t h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no f j o i n ts u r f a c e i sm o r es e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fe l e c t r o d ep r e s s u r e d os p o tw e l d i n ge x p e r i m e n t st oa l u m i n u ma l l o y p l a t ei n t h es a m ec o n d i t i o no f s i m u l a t i o n p r e p a r el o wm a g n i f i c a t i o nm e t a l l o g r a p h i cp h o t o so f j o i n t ，a n dm e a s u r en u g g e t d i a h l e t e fa n dp e n e t r a t i o nr a t e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n ds i m u l a t i o n s a r ei ng o o da g r e e m e n t ， w h i c hv e r i 知t 1 1 es i m u l a t i o nm e t h o di sr e a s o n a b l ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s i sa c c u r a t e k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ，s 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 ，t e m p e r a t u r e f i e l d ， s t r e s sf i e l d 插图清单 图2 1 点焊预压阶段弹塑性接触分析几何模型1 2 图2 2 有限元网格及边界条件1 3 图2 3 预压状态下接触压力的分布曲线1 4 图2 4 接触面上的轴向应力分布一1 5 图2 5 工件中的等效塑性变形分布1 5 图3 1 热电耦合分析有限元网格及边界条件2 2 图3 2 点焊焊接循环2 6 图3 3a n s y s 计算流程图一2 7 图4 1 不同时刻焊接区温度场分布一2 9 图4 2 电极工件间接触面上温度变化2 9 图4 3 工件间贴合面上温度变化3 0 图4 4 通电加热阶段的径向应力分布3 0 图4 5 通电加热阶段的轴向应力分布3 1 图4 6 电极工件接触面的动态应力分布图3 2 图4 7 工件间贴合面的动态应力分布图3 2 图5 1 冷却阶段温度场分布3 4 图5 2 特殊位置点的焊接热循环曲线3 6 图5 3 冷却3 c y c 时刻的应力分布3 7 图5 4 冷却6 c y c 时刻的应力分布3 7 图5 5 残余应力分布图3 8 图5 - 6 工件贴合面残余应力分布图3 8 图5 7 点焊接头中的疲劳裂纹形式3 9 图5 8 电极工件接触面的轴向位移曲线3 9 图6 1 焊接电流对点焊温度场的影响4 1 图6 2 不同焊接电流下的等效残余应力分布图4 2 图6 3 贴合面上等效应力随焊接电流的变化4 2 图6 4 通电时间对点焊温度场的影响4 3 图6 5 不同焊接时间的等效残余应力分布图4 4 图6 - 6 贴合面上等效残余应力随焊接时间的变化4 4 图6 7 电极压力对点焊温度场的影响一4 5 图6 8 不同电极压力下的等效残余应力分布图：4 6 图6 - 9 贴合面上等效残余应力随电极压力的变化4 6 图7 1 熔核截面形状的对比4 8 图7 2 点焊熔核中的缩孔与缩松缺陷4 9 表格清单 表2 1 室温下材料力学性能参数1 3 表3 1 工件材料拉伸强度2 3 表3 2 材料的热物理性能2 4 表3 3 表面的综合换热系数2 4 表3 4 材料的力学性能参数2 5 表6 1 点焊焊接参数4 0 表6 2 不同焊接电流下的熔核尺寸4 1 表6 3 不同通电时间下的熔核尺寸4 3 表6 4 不同电极压力下的熔核尺寸。：4 5 表7 1 实验熔核尺寸与模拟结果的对比4 9 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目曼王些太堂 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谢意。 学位论文作者签字否，考芳签字日期冲年乒月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴互些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金壁王些左 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文： ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：劭。芳芽 导师签名： 签字日期：w f 。年譬月f 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：加年配月夕日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师李萌盛副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在整个研究 生学习和硕士论文课题的研究阶段，导师都倾注了大量的心血。导师严谨的治 学态度、渊博的学术知识、敏锐的学术洞察力、一丝不苟的科学态度以及和蔼 可亲、平易近人的长者风范，将使我受益终身。值此论文完成之际，谨向尊敬 的导师致以诚挚的感谢! 论文工作期间，还要特别感谢焊接教研室的徐道荣副教授，感谢他在研究 工作中的热情指导和提出的宝贵建议。同时，对焊接教研室的其他老师一并表 示衷心的感谢! 感谢所有关心支持和帮助过我的同学，特别对在课题研究中给予我很多帮 助的王洋、严红丹和宋荣武同学，在与他们的探讨研究中，许多思路得以实现。 感谢我的父母及全体亲友对本人求学的理解和支持! 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! 作者：孙芳芳 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 在科学技术飞速发展的当今时代，作为基础行业的焊接技术水平也在快速 提升，焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、 电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和 进步，不断有新的知识融合在焊接之中。现在焊接己成为材料加工工程中重要 的组成部分，显现了极高的技术含量和附加值，焊接已成为现代工业不可分离 的组成部分。 电阻焊是将待焊件夹紧于两电极之间并通于电流，利用其流经焊件接触面 及邻近区域时所产生的电阻热使焊件接触面熔化或达到高温塑性状态，通过凝 固结晶或塑变再结晶获得焊接接头的一种焊接方法。电阻点焊是薄壁件最理想 的连接工艺，并以其生产率高、焊接质量稳定、易实现机械化和自动化且辅助 工序少、无填充材料等优点在航天制造、汽车工业、铁路运输、电子、仪表等 领域都得到了广泛应用。 点焊是一涉及电、热、力、磁和冶金等问题的复杂过程，包括焊接时的电 磁作用、传热过程、金属熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和应变等。由 于电阻点焊过程的复杂性，因此影响点焊质量的因素很多，如：焊接材料的性 能、焊接电流、电极压力、通电时间、电极端面形状和尺寸等，且这些因素之 间有一定的相互作用。目前所存在的诸如点焊过程质量的精确控制、镀锌钢板 和铝合金的点焊问题等均与点焊过程机理密切相关。电阻点焊熔核形成过程不 可见性和焊接过程瞬时性使试验研究出现了难以突破的障碍，- 使人们对电阻点 焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。 随着计算机的发展，数值模拟方法在众多研究领域得到越来越多的应用， 对点焊的研究与发展有着非常重要的作用。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因素进行研究和分析，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，从而为电阻点焊研究提供了有 效的理论分析手段。在实际生产中，电阻点焊过程的数值模拟可以用于指导新 材料点焊规范参数的制定、优化点焊工艺，对点焊质量实时控制等项研究提供 指导。此外，数值模拟还可以应用于分析点焊接头强度和性能等方面。 近年来，轻量化己成为汽车发展的主要方向，对降低能源消耗和减少环境 污染起着至关重要的作用。铝合金材料是实现汽车轻量化的理想材料，铝合金 的比重是碳钢的1 3 ，采用铝合金材料制造汽车车身，在保证具有与钢材同样 的强度和刚度前提下，车身重量可减少5 0 ，整车重量可减少10 ，同时可以 减少相同数量燃油消耗和环境污染。铝合金材料还被称为“绿色材料”，可反复 回收利用，回收重熔铝合金所需能量仅是生产新铝合金所需能量的5 ，而再 生铝合金材料能够保持原有材料的性能。同时，铝合金具有良好的防腐性能， 其表面只需稍加处理就可获得满意防腐性能。在航空航天领域，为减轻飞行器 的重量，大量的薄板结构采用了铝合金材料。 由于铝合金高导热率和低电阻率的特点，不仅需要大功率的点焊设备和硬 规范，且焊接性能较差，生产中常出现铝合金点焊的熔核形状不规则，尺寸大 小不一，熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔，由于冷却速度较快，熔核 的结晶组织主要是从熔合线向内生长的柱状晶。 电阻点焊是薄板结构最理想的连接工艺，但铝合金点焊所存在问题使得不 少钣金结构目前的连接工艺主要还是铆接。与点焊相比，铆接接头具有刚性差、 重量大等缺点。若解决了铝合金电阻点焊问题，大量采用点焊工艺，飞行器的 重量将会进一步降低，动力学性能也会得到进一步的提高。 可以说，铝合金电阻点焊技术己经成为铝合金在汽车、航空航天等领域推 广应用的一个主要制约因素。随着科技发展，铝合金材料将会在更多的领域得 到广泛的应用。因此，对铝合金电阻点焊的机理与工艺性能研究已成为焊接研 究领域中的热点。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 电阻点焊数值模拟的研究进展 由于点焊过程时间短，熔核区域小而且封闭，对整个焊接接头区域温度场、 电场、力场、磁场等的瞬态响应情况很难精确了解，而通过建立数学模型来分 析点焊温度场和应力场，可以方便人们更好的了解点焊的机理和控制点焊过程。 特别是随着计算机的快速发展，数值模拟技术也普遍得到了应用。在点焊过程 的数值模拟中应用最多的是有限差分法和有限元法，将焊接过程中涉及的电、 热、力、磁、冶金等物理化学变化综合考虑，建立各种耦合模型，用以研究点 焊过程机理。自2 0 世纪6 0 年代起，点焊的模型研究就在不断的展开和进步。 模型由一维、二维直到三维，由单场分析到多物理场耦合分析，并逐步实现温 度场与应力场的间接耦合分析，从而将热、电、力三场联系起来，模拟方法也 越来越趋于成熟和精确。由于这些场相互作用复杂性，如何让模拟结果更加接 近实际情况，仍然是模拟工作的难点。 1 2 1 点焊领域的研究内容和方法 电阻点焊接头是在热机械联合作用下形成的，涉及多方面因素。研究初期， 由于条件限制，以试验的方法为主，探讨和分析内部机理，在热源、影响因素、 熔核形成原因及过程等各方面都有深入的研究。随着科学技术和研究方法的不 断进步，研究内容也更加丰富，材料的种类也更多，逐渐涉及温度场、应力场、 2 电流场等方面，并取得丰硕成果。随着科学技术和工程计算的发展，对电阻点 焊过程分析研究的内容及方法也更加丰富更加精确。目前对点焊过程的研究主 要包括如下几种方法： ( 1 ) 实验法通过工艺实验获得优化焊接工艺参数，许多学者通过大量的实 验获得了一系列数据，如通过对点焊熔核的金相显微组织、接头力学性能的分 析，讨论了焊接电流、焊接时间、电极压力、电极端面的形状等点焊参数的选 择方法【2 j 。在实际生产中，国内外广泛采用焊后进行破坏性抽样检验的方法来 评定点焊的质量。 ( 2 ) 人工神经网络预测法人工神经网络在焊接中的应用开始于上世纪九 十年代p j ，是近十年来对社会科学、心理学、哲学及人工智能的研究中发展起 来的，以神经科学为基础，利用工程技术手段，反映人脑结构及功能的一种数 学模型1 4 】【5 1 。主要是将实验得到的大量点焊规范参数与相应点焊接头质量实验 数据提供给神经网络进行学习，通过其非线性映射泛化能力自动抽取所学习知 识的特征，描述点焊规范参数空间与焊点质量空间的映射关系。近期的铝合金 冲击波点焊熔核直径预测神经网络模型己经具有很高的工程应用价值【6 】，为电 阻点焊熔核质量检测提供了一种新的手段。 ( 3 ) 数值模拟分析法计算机的数值模拟技术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起着非常重要的作用。利用有限元基本 理论，通过数值计算的方法来模拟电阻点焊形成过程，获得对该过程的定量认 识( 如焊接温度场、焊接应力场和焊接变形) 并预测熔核尺寸与质量。在计算机 上模拟点焊过程具有方便、低成本的优点，在国外已经广为使用。 1 2 2 电阻点焊数值模拟的发展概况 早在l9 6 0 年，g r a r c h e r 建立了点焊过程温度场的一维传热模型，仅对不 同热物理性能参数对温度场的影响进行了研究，他将物理参数均视为常数，并 忽略了界面接触电阻的作用，使得模型得出的结论与实际有较大的差异【_ 7 1 。1 9 6 1 年，j a g r e e n w o o d 将有限差分法( f d m ) 引入到模型中，建立了二维轴对称 的传热模型，考虑了温度对材料参数的影响1 8 】。19 6 4 年，k p b e n t l e y 和 j a g r e e n w o o d 对工件之间的接触电阻对温度场的影响进行了试验研究，发现 接触电阻以及材料的物性参数对温度场分布有较大的影响1 9 1 。1 9 6 7 年， w a r r e n r i c e 和e j f u n k 分别建立了一维模型，模型考虑了随温度变化的材料 比热，热导率和电导率等，忽略了热量向周边的传递。r i c e 的模型首次将接触 电阻引入模型中，对点焊的模拟工作具有重要的意义【l0 1 。1 9 7 7 年，美国通用公 司学者a f h o u c h e n s 建立了既考虑材料物理性能参数随温度变化，又包括相变 潜热影响的热、电耦合的轴对称模型，是点焊模拟上的一次重大突破，但是他 忽略了接触电阻的影响【l 。l9 8 4 年，德国学者h a n i e d 首次采用有限元方法， 建立了电、热、力三场耦合的二维轴对称模型，并加入了电极作为模型的一部 分，模拟了点焊过程加压、焊接、保压三个阶段，并得出电位分布、温度分布、 熔核形状以及应力分布等结果，该模型的不足之处是没有考虑接触电阻的变化 和焊核的长大过程【l2 1 。1 9 8 9 年，南韩的h s c h o 教授建立了点焊的二维轴对称 电、热耦合模型，模型对界面电阻进行了精确的处理，将界面电阻与材料的硬 度结合起来，得到熔核生长过程各部分压降和接触电阻的变化规律【l3 1 。1 9 9 2 年，c l t s a i 和d i c k i n s o n 等人建立了有限元模型，对不锈钢点焊过程的热、 电、力行为进行耦合分析，在整个焊接循环中，把力学行为与瞬态热响应相耦 合【l4 1 。m u r a k a w a 和j z h a n g 等人也使用有限元法对点焊的瞬态过程作了一系 列研究，考察了电流大小、通电时间、电极压力、电极形状和初始间隙等焊接 参数对点焊熔核形成的影响。该研究采用了一种类似弹簧的单元来模拟接触问 题，不过其模型忽略了接触电阻【1 5 】【l9 1 。 在我国，点焊研究起步较晚，主要开始于二十世纪八十年代，当时赵熹华 等人对点焊的机理做出了详尽的阐述【2 ，为当今理论发展奠定了坚实的基础； 于彬提出利用相似理论对点焊过程进行控制，并进行了完整推导和验证担。 九十年代，有关点焊的研究涉及更多方面。1 9 9 1 年，哈尔滨工业大学曹彪 建立了低碳钢点焊过程的有限元模型，考虑点焊过程中接触面的变化和接触压 力对接触电阻的影响，并将温度和动态过程融入整个模拟之中1 2 引。19 9 5 年，曹 彪等学者用有限元方法模拟了低碳钢点焊过程的热膨胀变形，给出了正常焊接、 工件受约束和极限条件下的热膨胀变形的理论计算结果，分析了热膨胀对电极 的作用和各种机械约束对热膨胀行为的影响【2 引。结果表明焊接区热膨胀对电极 有很大的推动作用，最大的位移量在电极的轴线方向。这为实际测量电极位移 信号提供了保证。l9 9 9 年，学者王春生、赵熹华以异质材料低碳钢与纯镍电阻 点焊为例建立了电阻点焊熔核形成过程的电热耦合有限差分三维模型。提出了 异质金属点焊过程导电、传热耦合作用的模拟方法、接触电阻分析方法和析热 机制处理方法瞄4 。 进入知识和科技大爆炸的2 l 世纪，伴随着先进研究技术的发展，点焊研究 成果更加丰硕。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、相变潜热等因素对点焊温度场影响的条件下，建立了6 5 m n 弹簧钢点焊 熔核温度场的有限元模型，利用该模型可以系统地研究弹簧钢的点焊热过程， 为正确选择点焊工艺参数提供了理论依据1 2 引。2 0 0 1 年龙昕等人研究了点焊时焊 接规范对电极温度的影响以及镀锌钢板点焊时焊接参数的选择，利用轴对称有 限元程序模拟了电阻点焊过程中电极与工件的温度场分布【2 引。徐进等人对球形 电极条件下低碳钢电阻点焊的预压过程进行模拟，研究了电极压力、电极球面 半径和工件板厚对预压后的接触区应力分布的影响规律1 2 。2 0 0 3 年常宝华等 采用有限元数值计算的方法研究了电极力对焊接过程接触面大小、电流密度分 4 布和温度分布的影响，研究了电极力对焊接过程中参数的影响情况【2 引。2 0 0 4 年侯志刚等人对薄板结构点焊预压阶段进行了弹塑性有限元分析，得到了在锥 形和球形两种电极作用下工件一工件界面和电极一工件界面的接触压力分布及 工件变形情况【29 。同年，王春生、陈勇模拟了三层不锈钢板电阻点焊的温度场， 分析了接触电阻及材料热物性参数的变化对结果的影响，确立合理的边界条件， 并明确三层板点焊熔核形成过程p 。2 0 0 5 年林莉莉等人采用二维有限元模型模 拟点焊瞬态热分析，得到整个焊接过程温度场变化历程，通过分析得到熔核的 形状和尺寸【3 。同年侯志刚等人基于a n s y s 有限元系统，建立二维轴对称热 弹塑性有限元模型，对点焊过程中的力学特征进行分析【3 引，提出电阻点焊过程 中的力学特征对焊点性能和焊接结构的质量有重要影响。分析中将预先得到的 点焊瞬态温度场作为节点温度载荷施加于模型上，同时考虑随温度变化的材料 性能及其塑性行为。通过分析得到结合面和电极一工件界面上的接触压力、点 焊接头中的应力、应变、变形以及电极位移等力学特征的分布及变化情况。 整体看来，点焊有限元模拟的发展经历了巨大的变革和进展，在不断完善 过程中也存在着很多亟待解决的问题。今后，多场耦合、参数准确性以及各种 因素作用在模拟中的处理方法将成为研究的重点，而结果与现实的吻合程度将 成为衡量的标准。随着理论和技术的不断进步，越来越合理和实用的模拟手段 将逐步应用，有限元模拟和实际生产的结合也将更加紧密。 1 3 铝合金点焊数值模拟的研究进展 1 3 1 铝合金点焊的工艺特点 铝合金的电导率和热导率高，点焊时必须采用很大的焊接电流才能以足够 的电阻热去形成熔核，电极与试样之间存在很大的接触电阻，同时由于采用硬 规范进行焊接，对焊接参数的变化比较敏感，容易造成焊点质量不稳定等问题。 铝合金点焊焊点质量不稳定主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 喷溅与飞溅严重 与低碳钢相比，铝合金具有很好的导电、导热性能， 其电阻率仅为钢的三分之一，而导热率却为钢的2 4 倍。所以，为获得合格的 焊点，在相同条件下铝合金就需要更大的焊接电流，且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。这层氧化膜组 织致密、熔点极高、导电性能极差，这就使得接触面上接触电阻比较大。在硬 规范焊接条件下，接触面上会产生较多的热量。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贴合面造成喷溅、在电极 工件间接触面上造成飞溅【33 1 。喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和熔化金属， 不仅会污染工件、恶化操作环境，而且会影响熔核尺寸、形状的稳定性，还易 在熔核中留下因熔核质量的减少而形成的缩孔，对焊点质量极为不利。 ( 2 ) 焊点表面质量差铝合金工件较大的热导率及接触面上较多析热量使 得电极一工件接触面上易产生局部熔化并发生较为剧烈的共晶反应，严重时出 现电极与工件的粘连，破坏焊点表面质量。电极与工件的粘连及飞溅将损坏电 极表面的连续性，进而使后续焊点焊接时电极与工件间的接触电阻增大，使电 极工件间的接触由起始宏观上连续接触变为不连续接触。在硬规范条件下，这 种宏观上的不连续接触更加剧了飞溅、局部熔化及粘连的产生，对焊点表面质 量极为不利。 ( 3 ) 熔核尺寸波动大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，将使得电极工件间及工件工件间的接触状态不稳定。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 素变化非常敏感，熔核直径波动较大。 ( 4 ) 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较少， 但其导热系数又比较大，所以熔核凝固冷却速度非常快。另一方面，由于铝合 金是非导磁材料，液态熔核中的流动速度非常小，熔核在凝固时极易形成缩孔 和缩松。虽然这些缺陷对接头强度影响不大，但对接头疲劳性能却有明显影响 3 4 1 o 从以上分析中可以看出，铝合金点焊所存在的问题与点焊过程机理紧密相 关。要从根本上解决这些问题就必须从点焊的过程机理研究入手，弄清楚熔核 的形成机理及点焊缺陷的产生原因。 1 3 2 铝合金点焊数值模拟的发展概况 近年来，随着铝合金应用的增多，有关铝合金点焊研究成果也逐渐增加， 研究方法以试验为主导。对于铝合金点焊过程的数值模拟研究，国内外起步较 晚，研究成果较少，尚需进行深入而广泛的研究工作。建立接近铝合金点焊过 程实际状况的数学模型并进行铝合金点焊过程全方位的数值模拟研究是铝合金 点焊技术研究的重要内容。 19 9 5 年，d j b r o w n e 等人研究了铝合金电阻点焊数值模拟，利用有限元方 法在球面电极条件下对电、热、力进行耦合计算，研究了输入电流、接触电阻、 电极力、冷却水与电极端部距离等因素对熔核形成的影响【35 j 【3 引。1 9 9 9 年，l x u 和j a k h a n 采用轴对称有限元模型对铝合金的点焊熔核形成过程进行了模拟。 结果显示，两工件接触面处产生的热量控制着熔核形成1 37 。同年，a a s a r e f i n k a b i r 等对铝合金的点焊建立了三维模型，此模型考虑到了相变和相关熔池中 的对流，对流位于熔池中心沿重力面上。虽然建立了两个突出的对流单元，因 为太短的焊接时间和小的流动速度，相变的形态没有被显著影响【3 引。2 0 0 0 年， x s u n ，p d o n g 用耦合的有限元程序对铝合金的电阻点焊进行了分析。模型考虑 了焊件的变形和接触面积的变化，采用接触对的概念模拟界面处接触问题p 引。 2 0 0 2 年，天津大学李宝清博士采用数值模拟方法对铝合金点焊的过程机理进行 6 了研究分析，分析了铝合金点焊过程中的力、热、电行为；揭示了铝合金点焊 过程中各区域的产热规律和能量分布规律，为铝合金点焊的温度场、应力场以 及质量控制提供了基础1 4 训。 但由于电阻点焊过程的复杂性，目前点焊过程的数值模拟仍需进一步完善。 尤其是对于铝合金点焊的数值模拟来说，还存在以下问题： ( 1 ) 铝合金点焊普遍使用球形电极，电极与工件接触面直径受焊接工艺规 范等多种因素的影响，且在焊接过程中随温度变化而变化，目前研究中多数未 考虑到接触面直径变化的影响。 ( 2 ) 目前铝合金点焊过程的数值模拟多集中在温度场分布与熔核形成过程 的研究上，而对于焊接区的应力分布与变化过程以及焊接残余应力方面研究甚 少。 ( 3 ) 对点焊应力场的分析，少数学者模拟出的焊接区的应力值显著高于材 料的屈服强度，这与常理不符。 ( 4 ) 在数值模拟中接触电阻的处理方法有待于进一步完善。在目前的铝合 金点焊中，接触电阻通常被假设为恒值或为温度的线性函数，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 化规律进行深入的探索，并丰富试验验证方法。另外，由于电阻焊在通电初期 整个接触面上是许多个微点相接触，建立与实际状态更为接近的微点接触电阻 模型也是今后电阻焊数值模拟中有待解决的问题。 综上所述，低碳钢点焊的数值模拟研究发展较快，而铝合金点焊过程的数 值模拟的研究在国内外还比较少。因此，建立高水平和高精度的铝合金点焊过 程的数学模型、进行包括接头应力、应变在内的点焊过程全方位的数值模拟研 究将是今后铝合金点焊研究的重要方向。 1 4 本论文的研究目的及内容 铝合金电阻点焊过程机理的研究是解决铝合金电阻点焊问题的基础和关 键。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，确定了课题研究目的、方法和内容。 建立铝合金电阻点焊过程热、电、力耦合分析的有限元模型，采用数值模 拟的方法，对铝合金点焊熔核形成机理和影响因素进行研究。分析了焊接工艺 参数对铝合金点焊温度场和应力场的影响，为点焊工艺参数优化提供依据。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 点焊预压接触分析 本文基于a n s y s 有限元分析软件，以弹塑性力学为基础并结合铝合金电 阻点焊的特点，建立铝合金电阻点焊预压接触分析的有限元模型，分别研究锥 形电极和球形电极条件下预压阶段的接触行为，为点焊过程的热电分析提供较 7 为准确的初始条件。 ( 2 ) 点焊通电加热过程的数值模拟 建立热分析和应力分析的有限元模型，对铝合金点焊通电加热过程进行模 拟分析，得到加热过程中焊接区温度和应力的分布规律，获得熔核及热影响区 的形状和尺寸，并对点焊应力场的分布特点进行分析。 ( 3 ) 点焊冷却过程的数值模拟 对冷却过程中的温度场和应力场进行模拟，分析其变化规律，对焊点附近 的应力应变状况及影响因素进行分析研究，为点焊结构的受力分析和安全使用 打下理论基础。 ( 4 ) 工艺参数对点焊温度场和应力场的影响 分析比较电流大小、通电时间、电极压力等焊接参数对点焊温度场、应力 场及熔核尺寸的影响，探讨各工艺参数对点焊接头质量的影响规律。 ( 5 ) 实验验证 采用与模拟一致的工艺参数对2 m m 厚l f 2 铝合金板材进行点焊实验，制取 接头低倍金相照片，测量熔核直径和焊透率。将测量值与模拟结果进行比较分 析，验证有限元模型的合理性。 第二章点焊预压接触分析 预