霍成鵬，董曉丹，馬廣輝

（1.華晨汽車工程研究院內(nèi)飾工程室，遼寧 沈陽 110141；2. 華晨寶馬汽車股份有限公司，遼寧 沈陽 110143；3. 沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

薄板電阻焊焊核尺寸模擬研究

霍成鵬1，董曉丹2，馬廣輝3

（1.華晨汽車工程研究院內(nèi)飾工程室，遼寧 沈陽 110141；2. 華晨寶馬汽車股份有限公司，遼寧 沈陽 110143；3. 沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

本文在總結(jié)前人的工作基礎(chǔ)上系統(tǒng)地論述了焊接過程的有限元分析理論，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)焊接過程產(chǎn)生的溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬研究，提出了基于ANSYS軟件為平臺(tái)的焊接溫度場(chǎng)的模擬分析方法，并針對(duì)薄板電阻焊焊核尺寸問題進(jìn)行了實(shí)例溫度場(chǎng)模擬，通過正交試驗(yàn)得出時(shí)間0.02s、電流2500A、電阻為15Ω為最佳工藝參數(shù)。從而提高生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本。

焊接；模擬；ANSYS

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-63-03

前言

電阻焊工藝運(yùn)用非常廣泛，保證焊接質(zhì)量已成為電阻焊研究的主要目標(biāo)。但由于點(diǎn)焊過程是多種因素交互作用的復(fù)雜過程，點(diǎn)焊的熱輸入和焊點(diǎn)熔核的形成與很多工藝參數(shù)相關(guān)，包括焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力、電極端面尺寸以及工件表面的狀態(tài)等等。而點(diǎn)焊過程的瞬時(shí)性和熔核形成過程的不可見性，給研究工作帶來了很大的困難。點(diǎn)焊未焊透一直被認(rèn)為是最危險(xiǎn)的缺陷，導(dǎo)致一些重要的受力構(gòu)件不能采用電阻焊裝配。要想獲得優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)焊接頭，必須對(duì)點(diǎn)焊熔核尺寸進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)與控制。利用模擬仿真、固態(tài)相變條件下彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分量的理論分析及模擬等[1]，國(guó)外還對(duì)于角焊縫、坡口焊縫、多層焊縫等熱源分布形式進(jìn)一步研究[2]。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)待焊材料中不同的電阻、電流、通電時(shí)間對(duì)焊接質(zhì)量影響程度。必要時(shí)加上二次開發(fā)，即可得到需要的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)焊接溫度場(chǎng)虛擬分析[3]。

1、材料的選擇

本文針對(duì)生產(chǎn)中常用的25#薄板鋼。通過數(shù)值模擬熔核尺寸與點(diǎn)焊主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系，利用所建立有限元模型對(duì)熔核尺寸進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊熔核尺寸進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與控制奠定了一定的基礎(chǔ)，二是在熔核形成的過程中，區(qū)別于傳統(tǒng)的通過多次調(diào)整點(diǎn)焊工藝參數(shù)來獲得合格熔核的方法，而是采用通過合格熔核反向推導(dǎo)出多組點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)，從中選出符合實(shí)際生產(chǎn)條件的點(diǎn)焊焊接循環(huán)參數(shù)。

表1.1 25#鋼的熱物理參數(shù)

如圖1所示，在焊接過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)工件最后的質(zhì)量起決定性作用，在工藝參數(shù)的選擇上非常的重要。良好的工藝參數(shù)選擇可以指導(dǎo)生產(chǎn)，并且提高效率。

2、影響電阻焊因數(shù)

2.1 電阻焊通電時(shí)間

在電阻焊過程中通電時(shí)間、電阻和電流會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量有著重大的影響，在焊接過程中，焊接通電時(shí)間對(duì)接頭區(qū)域溫度的影響，隨著焊接通電時(shí)間的增加，并且在熔化溫度以上停留的時(shí)間也越來越長(zhǎng)，熔核區(qū)域同一位置溫度值越高，得到的熔池直徑約大。相反得到的熔核直徑相對(duì)較小，這是由于在電極壓力和電流強(qiáng)度相同時(shí)，接觸面狀況與電流密度基本相同，通電時(shí)間的長(zhǎng)短就決定了產(chǎn)生熱量的多少，從而決定了溫度的高低分布。

2.2 電阻焊接觸電阻

接觸電阻包括兩薄板的電阻以及電極頭的電阻、薄板與電極頭的電阻、薄板與薄板之間的電阻。接觸電阻是焊接初期產(chǎn)熱的主要來源之一，與工件的表面狀況及材料屬性有關(guān)，并隨著加熱的進(jìn)行而不斷變化，真實(shí)情況十分復(fù)雜。

我們采用的是薄板焊接，在本文中我們只考慮電極壓力對(duì)接觸電阻的影響，隨著電極壓力增大，電極與焊件以及焊件與焊件之間的接觸面積會(huì)增大，從而造成接觸區(qū)域的電阻值減小，于是在一定的時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱量就會(huì)減少，進(jìn)而造成溫度值的下降，總體上接觸電阻是隨之減少的。

2.3 電阻焊焊接電流

焊接電流是重要的薄板電阻焊參數(shù)，調(diào)節(jié)焊接電流對(duì)焊核性能有著顯著的影響：焊接電流過小，使熱源強(qiáng)度不足而不能形成熔核或熔核尺寸過小，焊點(diǎn)拉剪載荷較低且很不穩(wěn)定；焊接電流過大，使加熱過于強(qiáng)烈，引起金屬過熱、噴濺、焊點(diǎn)表面壓痕過深等缺陷，也使接頭性能下降。本文選用焊接電流從2kA到3kA三個(gè)焊接規(guī)范的溫度場(chǎng)分布，并以每種規(guī)范下焊點(diǎn)熔核中心點(diǎn)為例，比較在不同電流強(qiáng)度時(shí)，同一點(diǎn)的溫度分布差異，熔核中心的溫度隨時(shí)間變化的曲線形狀大致相同，但是隨著焊接電流強(qiáng)度的增加，同一位置的最高加熱溫度值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這是由于在電極壓力和通電時(shí)間不變的前提下，接觸面狀況相當(dāng)，隨著通過接觸面的電流強(qiáng)度的增加，同一位置處電流密度變大，電阻產(chǎn)生的熱量增加，從而造成溫度升高。

3、邊界條件及參數(shù)的確定

3.1 邊界條件

針對(duì)焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和熱過程，可以僅考慮熔濁內(nèi)部液態(tài)金屬對(duì)流傳熱對(duì)熔池形狀的影響結(jié)果，而對(duì)其中液態(tài)金屬具體如何流動(dòng)以及表面張力梯度、如何變化等問題不做細(xì)致分析[4]。另外考慮到厚板三維模型網(wǎng)格劃分后其單元數(shù)量龐大。使得計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)；材料物理參數(shù)的嚴(yán)重非線性導(dǎo)致求解過程收斂困難；焊接過程影響了數(shù)值模擬的精度等諸多因素，需對(duì)分析模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理(例如減小模型尺寸)，并作如下的假設(shè)：

（1）焊件的初始溫度為室溫(23℃)；（2）忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對(duì)流等現(xiàn)象；（3）焊接以恒定速度V進(jìn)行，電弧的能量密度服從高斯分布；

（4）不考慮焊件與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的熱傳導(dǎo)，假設(shè)焊件的所有外邊界僅與空氣發(fā)生對(duì)流換熱，將輻射換熱的影響耦合到對(duì)流換熱中，而不作單獨(dú)考慮；

（5）忽略焊條與母材材料的不一致性，對(duì)應(yīng)統(tǒng)一的隨溫度變化的熱物性參數(shù)。

3.2 數(shù)模參數(shù)

表3.1 焊接參數(shù)設(shè)置

表3.2 參數(shù)組合

在電阻點(diǎn)焊形核過程的數(shù)值模擬中，通過對(duì)數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了能夠表征熔核尺寸的數(shù)據(jù)，建立了聯(lián)系溫度場(chǎng)和熔核尺寸的橋梁。并且把模擬設(shè)計(jì)出來的熔核與合格熔核進(jìn)行對(duì)比，確定了能夠生成合格熔核的工藝參數(shù)。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

如圖2所示，圖A至圖C點(diǎn)焊接頭區(qū)域同一位置處的溫度值是逐漸減小的，但減小的比例相對(duì)較小。這是由于在焊接通電時(shí)間和電流強(qiáng)度相同的情況下，焊件-焊件接觸面上的接觸電阻峰值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊件-電極接觸面上的接觸電阻峰值。這是因?yàn)榻佑|電阻是一種附加電阻，它形成的原因，是由于接觸表面微觀上凹凸不平及不良導(dǎo)體（表面氧化膜、油、銹以及吸附氣體層等）的存在所致。當(dāng)焊接電流通過接觸面時(shí)，接觸點(diǎn)附近及不良導(dǎo)體膜部位的電流線發(fā)生彎曲變長(zhǎng)，并向接觸點(diǎn)密集而使實(shí)際導(dǎo)電截面減小。這種電流線的擁擠、變長(zhǎng)即形成了附加電阻解釋了我們前面提到的在點(diǎn)焊過程中，通電開始時(shí)熱量主要集中在焊件-焊件接觸面上，并在這一位置處溫度最高，熔核也最早形成于此處。點(diǎn)焊時(shí)接觸電阻過大或過小都會(huì)使焊點(diǎn)承載能力降低和分散性變大。當(dāng)接觸電阻過大時(shí)，時(shí)間、電流如果保持不變，焊接熱量數(shù)隨著接觸電阻的增加而增加的。出于焊接金屬區(qū)塑性變形范圍較小及變形程度不足，造成塑性環(huán)的形成與擴(kuò)展速度小于熔核的長(zhǎng)大速度，從而產(chǎn)生嚴(yán)重噴濺；接觸電阻過小將使焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度減小，析出熱量減少且向電極方向散熱增加，因此熔核尺寸下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)未焊透。

當(dāng)采用大的焊接電流時(shí)，一方面熔核區(qū)域最高加熱溫度可以達(dá)到較高的值，另外在熔化溫度以上的停留時(shí)間也更長(zhǎng)，這就使得形成的液態(tài)金屬體積更大，因此在通電結(jié)束后，可以得到更大的熔核直徑。而如果采用較小的焊接電流時(shí)，由于熔核區(qū)域的最高加熱溫度較低，而且在熔化溫度以上停留的時(shí)間也比較短，形成的液態(tài)金屬體積較小，在通電結(jié)束后往往只能得到較小的熔核直徑，甚至無法形成熔核。在模擬中我們可以清楚的看到，熔核中心的溫度隨時(shí)間變化大致相同，但是隨著焊接電流強(qiáng)度的增加，同一位置的最高加熱溫度值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，隨著通過接觸面的電流強(qiáng)度的增加，同一位置處電流密度變大，電阻產(chǎn)生的熱量增加，從而造成溫度升高。

電阻點(diǎn)焊時(shí)，析熱和散熱相互作用，決定了點(diǎn)焊過程中某一時(shí)刻下焊件內(nèi)各點(diǎn)的溫度，也是最終決定熔核形狀、尺寸及位置的本質(zhì)因素，其中析熱主要由工件總電阻引起，包括工件內(nèi)部電阻和接觸電阻兩部分，而散熱主要由電極和工件兩方面承擔(dān)。另外，點(diǎn)焊過程的瞬時(shí)性使得焊件對(duì)各方面影響因素的變化更為敏感，任何一個(gè)微小的改變都足以影響焊接質(zhì)量[5]。因此，點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的合理控制就成為優(yōu)化點(diǎn)焊質(zhì)量的有效方法，而數(shù)值分析方法則為研究這一過程提供了更便利和深入的條件，利用它可以綜合考慮多方面的因素，如接觸電阻的變化、隨溫度變化的材料屬性等，從而得到最有利的結(jié)果，方便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

4、結(jié)論

（1）焊接通電時(shí)間越長(zhǎng)，最終熔核區(qū)域所能達(dá)到的最高加熱溫度就越高，從而使得該區(qū)域熔化金屬的體積更大，在冷卻結(jié)束后，即可獲得更大的熔核直徑。相反其得到的熔核直徑相對(duì)較小，甚至無法形成熔核。

（2）接觸電阻的增加，焊接熱量數(shù)值隨著增加，造成塑性環(huán)的形成與擴(kuò)展速度小于熔核的長(zhǎng)大速度；接觸電阻過小將使焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度減小，析出熱量減少且向電極方向散熱增加，熔核尺寸下降，會(huì)出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象。

（3）焊接電流過大，使加熱過于強(qiáng)烈，引起金屬過熱、噴濺、焊點(diǎn)表面壓痕過深等缺陷，也使接頭性能下降。

[1] J.Goldak.Thermal stress analysis welding，R.Hetnarski(ed.).Thermal stresses I，North.olland[C] Amsterdam, Chaptr5, 1986:299-389.

[2] New-Wave of Welding and Research For the 21st Century .Pro. of the First Osaka University and TWI Joint Seminar[C] Osaka Japan : 2001.231-242.

[3] 黎江. 三維焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力演化虛擬分析技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)2003，3.

[4] 劉建花. 電阻點(diǎn)焊熔核形成過程的數(shù)值模擬[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)碩士論文，2006.

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Weld Nugget Size Sheet Simulation of Resistance Welding

Huo Chengpeng1, Dong Xiaodan2, Ma Guanghui3
（1. Brilliance Automotive Engineering Research Institute，Liaoning Shenyang 110141; 2. BMW Brilliance Automotive Ltd., Liaoning Shenyang 110143; 3. Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110870）

This paper summarizes previous work systematically discussed on the basis of the finite element analysis of welding process theory，and numerical calculation methods，the process of welding temperature field generated by real-time dynamic simulation is proposed based on ANSYS software platform welding temperature field simulation method，and pin sheet resistance welding nugget size issues instance temperature field simulation，Acquired the best process parameters: time at 0.02s,current at 2500A, resistance at 15Ω during the orthogonal experiment, To improve production efficiency and reduce production costs.

Welding; Simulation; ANSYS

U466

A

1671-7988(2015)01-63-03

霍成鵬，就職于華晨汽車工程研究院內(nèi)飾工程室。