点焊瞬态热过程的有限元分析

1、Vol.26No.1第26卷第1期固体力学学报2005年3月March2005ACTAMECHANICASOLIDASINICA点焊瞬态热过程的有限元分析侯志刚1,2王元勋1李春植2陈传尧1(1华中科技大学力学系,武汉,430074)(2,烟台)摘要基于ANSYS,.分析中考虑、,以避免.,得到了整个焊接过程的热历程以及焊件各部位的温度分布,并且可以,同时本模型也可用于其它材料的点焊过程分析.关键词点焊,瞬态,电热,耦合,有限元0引言mm.电极外径11mm,内径5mm.电极采用锥形端电阻点焊因其高速度、高效率、易于实现自动化等优点,广泛应用于金属薄板结构的制造当中.但是点焊又是一个非常复杂的过

2、程,其中包含了电、热、力、冶金等诸多过程及其耦合效应,而且过程都是瞬时和非线性的,因而单纯通过理论或实验方法很难对其进行全面深入的研究1.近年来,数值方法及计算机技术的发展,为解决这一问题提供了强有力的手段,尤其是有限元方法,可以全面考虑随温度变化的材料属性、接触、相变以及多场耦合效应等因素的影响2,3,采用迭代算法来解决电、热、力的耦合问题4,5.首先由热力分析得到应力场和接触状态,然后通过热电耦合分析得到温度场,再将温度场输入到热力分析中更新应力场和接触状态.迭代更新的时间间隔很短,不断循环直到解出整个焊接过程的温度场和应力场.但是,这种迭代方法非常耗时,很难用于大型和复杂结构的分析.本文

3、尝试在尽量保持计算精度的情况下,对点焊瞬态热过程的分析进行适当简化,以期为复杂结构的分析建立基础.分析中考虑了随温度变化的材料属性、相变潜热和电热耦合等因素,并对接触问题进行了简化,使应力场与温度场解耦,从而避免耗时的迭代算法.1有限元分析1.1建模和网格划分部,端面半径3mm,角度=30°.图1点焊过程的有限元模型和热边界条件采用ANSYS提供的分网工具对模型划分了网格,如图2所示.电极和薄板实体部分采用PLANE67电热耦合单元,接触区采用TARGE169和CONTA171单元.模型中共有三个接触区,其中接触区1、2表示电极与工件的界面,接触区3表示工件之间的结合面.为了兼顾计算

4、精度和计算效率,对接触区附近的网格进行了细化,其他部位的网格则相对粗糙.1.2边界条件和输入参数在点焊过程的分析中,涉及的物理现象比较复杂,因而边界条件和输入参数对于能否获得合理的点焊是典型的轴对称问题,所建立的模型如图1所示.工件为低碳钢薄板,厚度为1.5mm,半径152003209201收到第1稿,2004210228收到修改稿.固体力学学报2005年第26卷98电极内表面冷却水的对流换热系数为4.187×104W/(m2K),水温10.电极外表面及工件表面的空气自然对流换热系数取25W/(m2K),空气温度21.对于轴对称模型,其对称中心线是绝热边界.模型的初始温度设为室温21

5、.(2)输入电流,通电时s().,在0.2s之,0,直到0.6s结束.(3)材料性能在点焊过程中,材料经受了大范围的温度变化,因此其性能按随温度变化来处理.表1列出了电极和计算结果有重要影响.为保证分析的可靠性,本文所低碳钢在某些温度的性能,输入ANSYS后,由程序自采用的各种数据均引自相关的手册和文献68.动进行插值和外推.(1)热边界条件表1低碳钢和电极的材料性能温度导热系数)W/(m电阻率10-8m×接触电导×108/(m2)温度比热)J/(kg温度焓×1010J/m3219320431642753864932087608719823059.98109330

6、0.1120464.7563.2555.3349.9444.8639.7734.9130.5028.4127.6628.56390.3380.6370.1355.1345.4334.914.22.644.572118.634.699326.744.8320437.65.055.11316342764.86.996.06538315.5310.38.989.4881.8101.1111.5115.8117.9120.9图2低碳钢电极低碳钢电极结合面8.3119.1422.0626.0331.696497327602386477.37990.3912040.7714821.0

7、315211.277741004799118912041189502.422001.90443.8452.2510.8561.0611.3661.5762.01004397.8401.9418.7431.2439.6452.2464.7210930.032040.063160.114270.165380.226490.28低碳钢电极低碳钢#低碳钢:固液相变区14821521潜热:2.72×105J/kg密度:7800kg/m3电极密度:8900kg/m3(4)接触电阻ANSYS对焓的定义如下一般来说,接触电阻与电极压力、温度以及材料H=C(T)dT的屈服强度有关.对于特定的焊接条件,

8、由于电极压()力是恒定的,而材料的屈服强度主要受温度影响,所式中为材料的密度,CT为材料的比热,是温度以可将接触电阻简化为温度的函数48,具体数值由的函数.根据上式计算低碳钢的焓值,如表1所示.实验确定.采用这一简化方式,可以将接触问题与温2分析讨论度场解耦,从而避免耗时的迭代运算.本文采用文献通过计算得到焊点附近的温度分布和热历程,并8给出的数据,计算了结合面的接触电阻,根据且可以分析焊核的形成过程.图3显示了结合面中ANSYS输入的要求,换算为接触电导,也列入表1中.心、电极2工件界面中心及边缘处的温度随时间变化(5)相变潜热的曲线.图4显示了焊核以及热影响区(HAZ)的形材料在熔化和凝固

9、时所吸收和释放的潜热会影状.响温度的分布,这种影响可以通过焓的变化来反映.第1期侯志刚等:点焊瞬态热过程的有限元分析99图图4焊核与热影响区(HAZ)形状图5点焊过程中的温度分布图5为焊接过程中四个典型时刻的温度分布.图心迅速升温,由图3可见,在第一个电流周期内,其温5(a)显示了焊接初始时刻的情况,可见结合面附近温度就超过500.度较高,而其他部位仍保持初始温度.随后结合面中整个焊接过程中,最高温度都发生在结合面中心固体力学学报2005年第26卷100处.在第六个电流周期的后半段,最高温度达到1500.结合面附近的材料首先熔化,焊核开始形成,然后向周围扩展.图5(b)显示了该时刻的温度分布,

10、此时焊核很小,形状是一个很扁的椭圆.随着温度的升高,焊核不断扩展.在最后一个通电周期,焊核中心达到最高温度2127,如图5(c)所示,此时焊核完全形成.焊核的尺寸可以通过图6测得.该图显示了焊核形成时刻沿结合面的温度分布,其横坐标为焊核半径(即图4中的x.曲线上找到1500的点是焊核的半径.(即图4中的y轴).根而推测误差可能是由不同的处理方法造成的,同时也据对称性可得焊核尺寸约为6.8mm×0.9mm.0.2s说明本文简化模型仍需要进一步改进.时电流停止,结构开始冷却.焊核中心温度下降很快,4结论由于相变潜热的影响,在1500左右保持较长时通过计算,得到了点焊接头的温度变化历程以及

11、间,到0.6s时,温度降至1021,图5(d)显示了此各时刻的温度分布.根据温度场的结果,分析了焊核时的温度分布.及热影响区的形成过程,并测定其尺寸.采用本文方法与有关文献进行的对比计算表明,本文提出的点焊热过程有限元分析模型是有效的.图7与文献8对比计算的结果参考文献1NiedHA.Thefiniteelementmodelingoftheresistancespotweldingprocess.WeldingJournal,1984,63(4):1231322BrowneDJ,ChandlerHW,EvansJT,etal.Computersimulationofresistancespo

12、tweldinginaluminum:partI.WeldingJournal,1995,74(10):339344图6焊核半径的测量与结合面中心相比,电极2工件界面中心的温度3张洪武,顾元宪,钟万勰.传热与接触两类问题耦合作用较低,图3显示其最高温度约为1080.但是电极2的有限元分析.固体力学学报,2000,21(3):217224工件界面边缘处的温度则相对较高,最高温度达到4KhanJA,XuL,ChaoY,etal.Numericalsimulationof1346,这主要是因为电流的集肤效应,使得电极表resistancespotweldingprocess.NumericalHea

13、tTransfer,Part面的电流密度较大,因而接触边缘发热较多.电极边A,2000,37:425446缘也是应力最大的区域,高温与高应力结合,是造成5RichardD,FafardM,LacroixM,etal.Carbontocastironelectricalcontactresistanceconstitutivemodelforfiniteelement电极周边磨损的主要原因.analysis.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,132:3计算模型的验证119131为了验证分析的有效性,采用本文的方法,根据朱玉义.焊工实用技术手册

14、.江苏:江苏科学技术出版社,文献8中的参数进行了对比计算.参照其图5(本文61999未给出)的形式,绘出了本计算的结果,如图7所示.对比两图可见,各点处的温度历程曲线形状非常相8TsaiCL,DaiWL,DWDickinson,etal.Analysisand似,点1、5、6处的最高温度吻合很好(误差<5%),但developmentofareal2timecontrolmethodologyinresistancespot点2、3、4处的最高温度误差较大,最大误差约19%.welding.WeldingJournal,1991,70(12):339351由于文献8未给出高温下材料参数的

15、处理方法,因7杨世铭,陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社,1998第1期侯志刚等:点焊瞬态热过程的有限元分析101FEMANALYSISFORTHETRANSIENTTHERMALPROCESSOFRESISTANCESPOTWELDINGHouZhigang1,2WangYuanxun1LiChunzhi2ChenChuanyao1(1DepartmentofMechanics,HuazhongUniversityofScienceand,Wuhan(2SchoolofMechtronics&AutomobileEngineering,sity,)AbstractAthermoelectricthermalbehaviorofresistancespotweldingprocess,moderatelysimplifiedtoavoidthetime2consumingiteratealgorithm,whilematerialproperties,phasechangeandconvectionalboundaryconditionsaretakenintoaccountmodel.Thethermalhistoryofthewholeprocessandthete