成昌晶，計(jì)遙遙，胡磊，郭燁

1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000

2.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽馬鞍山 243000

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1 序言

熱成形鋼具有超高強(qiáng)度，可以有效減輕車身重量，節(jié)約能耗；同時(shí)也具有很好的成形準(zhǔn)確度，避免高強(qiáng)鋼回彈的影響，已越來越多地被國內(nèi)外主機(jī)廠所接受和應(yīng)用，并成為汽車輕量化的重要手段之一 [1]。

在連續(xù)式冷軋帶鋼生產(chǎn)線上，窄搭接電阻縫焊接頭只有具備一定的強(qiáng)度，才可以牽引后續(xù)的帶 鋼[2]?？p焊時(shí)，各焊接參數(shù)相互制約、共同影響著接頭強(qiáng)度。本文研究了窄搭接電阻縫焊關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過焊接模擬軟件Sysweld對(duì)22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊關(guān)鍵焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 有限元計(jì)算模型

焊接方法為窄搭接電阻縫焊，其基本原理如圖1所示。焊接時(shí)工件在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤狀電極（滾盤）間通過，形成一條焊點(diǎn)前后搭接的連續(xù)焊縫。它以圓盤形電極代替點(diǎn)焊的圓柱形電極，與工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 窄搭接電阻縫焊基本原理

焊縫附近網(wǎng)格劃分如圖2所示。在 Visual-Mesh 建好網(wǎng)格模型，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)以ASC形式輸出，加載到 Sysweld軟件“Welding Advisor”模塊中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型共7810個(gè)單元，焊縫處單元尺寸為1mm×1mm。

圖2 焊縫附近網(wǎng)格劃分

試驗(yàn)材料為1.8mm厚22MnB5熱成形鋼，材料的熱、電、力學(xué)物理性能參數(shù)如圖3所示。

圖3 22MnB5鋼的熱、電、力學(xué)物理性能參數(shù)

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

熔核尺寸是影響窄搭接電阻縫焊接頭強(qiáng)度的最主要因素，典型的窄搭接電阻縫焊接頭如圖4所示。

圖4 窄搭接電阻縫焊接頭示意

為了保證窄搭接電阻縫焊接頭的抗拉強(qiáng)度，首先必須保證熔核尺寸到達(dá)一定范圍。此外，當(dāng)接頭存在錯(cuò)邊時(shí)，焊接接頭負(fù)載特別是接頭通過輥輪時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，為了保證接頭負(fù)載強(qiáng)度，必須控制錯(cuò)邊量不大于某一極限值。在窄搭接電阻縫焊過程中如果形成噴濺，不僅嚴(yán)重降低接頭強(qiáng)度，還會(huì)污染環(huán)境且不安全，因此必須嚴(yán)格避免噴濺的形成[3]。是否會(huì)形成噴濺可用塑性環(huán)直徑D與熔核直徑d之間的關(guān)系來判定，定義為

那么c的大小反映了噴濺發(fā)生的傾向。對(duì)于電阻縫焊接頭，為了保證接頭強(qiáng)度，需滿足關(guān)系式（2），即

為了保證不形成噴濺，需滿足關(guān)系式（3），即

當(dāng)焊接設(shè)備（電極尺寸）確定后，焊接參數(shù)的選取主要考慮焊接電流I、焊接速度v、電極壓力F以及搭接量S等四大要素。為了對(duì)窄搭接電阻縫焊關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合上述建立的有限元模型，計(jì)算得到不同焊接參數(shù)下d與c的數(shù)據(jù)?；谟?jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，建立焊接參數(shù)與d、c之間的數(shù)學(xué)模型。

多元線性回歸是分析一個(gè)因變量與多個(gè)自變量之間關(guān)系的常用統(tǒng)計(jì)分析方法，因此采用多元線性回歸方法建立主要影響參數(shù)與背面熔寬之間的數(shù)學(xué)模型。多元線性回歸模型一般的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

根據(jù)最小二乘法原理，可得到回歸參數(shù)的估計(jì)矢量β為

根據(jù)已建立的有限元模型計(jì)算，得到不同焊接參數(shù)下d、c的數(shù)據(jù)，共同作為多元線性回歸分析的樣本數(shù)據(jù)。將樣本數(shù)據(jù)代入，由此可確定多元回歸系數(shù)，建立出自變量焊接電流I、焊接速度v、電極壓力F以及搭接量S及因變量d和c的多元回歸模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

4 結(jié)果與分析

使用預(yù)先建立的窄搭接縫焊有限元模型，計(jì)算焊接電流從10kA增加到40kA，步長10kA；焊接速度從4m/min增加到8m/min，步長1.0m/min，電極壓力從3kN增加到7kN，步長1kN；搭接量從1.5mm增加3.5mm，步長1.0mm時(shí)的焊接結(jié)果。根據(jù)上述公式，可得到

為了形成足夠尺寸的熔核，保證接頭強(qiáng)度，電極壓力F需要滿足關(guān)系式（10），即

為了避免噴濺，電極壓力F需要滿足關(guān)系式（11），即

考慮焊接速度的影響，在搭接量為2mm時(shí)， 22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊工藝窗口范圍如圖5所示。

由圖5可看出，當(dāng)焊接速度為10m/min時(shí)，電極壓力至少需要2100daN（1daN=1×10-5kN），焊接電流要達(dá)到22.5kA，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺；當(dāng)焊接速度為11m/min時(shí)，電極壓力至少需要2400daN，并且焊接電流要達(dá)到23.5kA，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺；當(dāng)焊接速度為12m/min時(shí)，電極壓力至少需要2700daN，并且焊接電流要達(dá)到25kA，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺。在不同焊接速度下，22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊工藝窗口范圍如圖6～圖8所示。

圖5 焊接工藝窗口范圍

圖6 焊接速度v=9m/min時(shí)22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊工藝窗口

圖7 焊接速度v=10m/min時(shí)22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊工藝窗口

圖8 焊接速度v=11m/min時(shí)22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊工藝窗口

當(dāng)焊接速度為9m/min時(shí)，焊接電流必須為21kA，電極壓力在2000daN以上，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺，而如果電極壓力為2000～2100daN時(shí)，則焊接電流工藝窗口為20.5～22kA。當(dāng)焊接速度為10m/min時(shí)，焊接電流必須為22.5kA，電極壓力在2100daN以上，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺，而如果電極壓力為2100～2200daN時(shí)，則焊接電流工藝窗口為22～23.5kA。當(dāng)焊接速度為11m/min時(shí)，焊接電流必須為23.5kA，電極壓力在2400daN以上，才能保證既形成足夠尺寸的熔核又避免噴濺，而如果電極壓力為2400～2500daN時(shí)，則焊接電流工藝窗口為23～24.5kA。

經(jīng)仿真優(yōu)化后推薦的22MnB5熱成形鋼焊接參數(shù)見表1。

表1 仿真優(yōu)化后推薦的22MnB5熱成形鋼焊接參數(shù)

5 工程驗(yàn)證

采用MSW-C100D-16-2R1PL型窄間隙搭接焊機(jī)，分別使用優(yōu)化前和優(yōu)化后的焊接工藝對(duì)1.8mm厚的22MnB5熱成形鋼進(jìn)行焊接，優(yōu)化前后焊接參數(shù)對(duì)比見表2。焊縫杯突試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出，工藝優(yōu)化前杯突試驗(yàn)沿焊縫開裂，結(jié)果不合格；工藝優(yōu)化后杯突裂紋垂直于焊縫，未沿搭接面開裂，結(jié)果合格。由此證明，數(shù)值模擬結(jié)果具有代表意義和指導(dǎo)作用。

表2 優(yōu)化前后焊接參數(shù)對(duì)比

圖9 杯突試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

基于窄搭接電阻縫焊有限元計(jì)算模型，分析了窄搭接電阻縫焊接頭負(fù)載能力的主要影響因素，提出了以d、c為指標(biāo)，對(duì)焊接電流I、焊接速度v、電極壓力F以及搭接量S等窄搭接電阻縫焊關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出的主要結(jié)論如下。

1）對(duì)于1.8mm厚的22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊，得出d、c與焊接電流I、焊接速度v、電極壓力F以及搭接量S的關(guān)系式。

2）對(duì)1.8mm厚的22MnB5熱成形鋼窄搭接電阻縫焊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的工藝窗口為：焊接速度9m/min、電極壓力2000～2100daN、焊接電流20.5～22kA；焊接速度10m/min、電極壓力2100～ 2200daN、焊接電流22～23.5kA；焊接速度11m/min、電極壓力2400～2500daN、焊接電流23～24.5kA。

3）采用優(yōu)化后焊接工藝得到的焊縫性能明顯提升，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)果相吻合，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。