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非等厚异种钢板点焊工艺模拟

节能环保已成为社会生产生活的主题之一。电阻点焊因高效、节能、易于实现机械化、自动化等特点,至今仍然是车身的主要焊接工艺。随着新产品的出现,电阻点焊接头形式为了适应新产品的需要,而不再局限于同种等厚材料。非等厚异种材料接头也广泛应用。由于板厚存在差异,且材料的导电、导热能力不同,形成的熔核不与贴合面对称,发生偏移,使得薄板的焊透率不足,影响焊点的有效承载能力。对该类接头的点焊工艺进行研究,寻求点焊工艺参数与焊点质量的关系,有一定的实际意义。

复合材料车身的出现,是车辆轻量化的有效途径。以厚为1.4mmQ235 钢板与0.8mm的DP590轻量化钢板组成的接头为研究对象,运用ANSYS软件, 采用有限元分析的方法,获得工艺参数与点焊质量的关系,得到减小熔核偏移,保证接头的承载能力的途径。

  

1    熔核形貌的几何描述

描述熔核形貌的几何参数有:熔核直径、熔透率、熔核高度、熔核偏移等几种。为表述熔核形貌变化,用熔核直径对熔核成形进行表述。即熔核尺寸越大,接头的承载能力越强,反之越弱[1]。焊接电流、通电时间是决定熔核尺寸与熔核偏移的主要因素,电极压力等属于相对次要的因素[2]。接头结构见图1。D为熔核直径、H与h为熔深。

   

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2    有限元模型的建立

点焊是轴对称有限元模型。单元类型选择热电耦合单元PLANE67,该单元具有电压与温度两个自由度,可以顺利实现点焊热电耦合分析。网格划分遵循的原则是:在接触区域,温度场与电场变化复杂且迅速,网格要细分,为了提高计算效率,其它区域网格需粗划。边界条件的处理与等厚板的点焊接头类似,相关材料参数可以查阅文献获得[3-4]。有限元模型与边界条件分别如图2(a)、(b)所示。点焊边界热作用形式是对流换热与辐射换热。边界③是电极与冷却水的作用, 考虑为强制对流换热,对流换热系数为3800W/(M2·℃)。边界④是电极与空气作用的表面,存在对流、辐射作用,其热交换效果用综合换热系数αw来表示。上下边界①、②耦合电压, 确保电流能够导通。

  

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3    模拟结果与讨论

本文的计算条件是:F=3500N,通电时间t=0.25s,焊接电流分别为6kA、6.6kA、7.5kA,其温度场的模拟结果如图3(a)、(b)、(c)所示。


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可以看出,随着载荷电流的增大, 熔核区温度逐渐升高,半径依次增大。不同板厚,热传导系数、电导率也不一样,即热传导能力不同。根据焦耳定律Q=I2Rt,材料接触电阻不同,产热量就不等。所以熔核沿着贴合面呈不对称分布形态。根据Fe-Fe3C平衡相图,钢铁类材料温度高于1450℃,即可视为熔核区,如图中红色区域所示。温度高于750℃的区域为热影响区。以上几组参数计算出的热量都能满足工艺要求,但是为了保证熔核不剥离,点焊有个最小的临界直径。根据经验, 非等厚板对接时,工艺参数的定制以薄板为参考。根据实验公式Dmin=5δ[3] (δ是板厚)计算,本文保证熔核不断裂的最小的熔核直径为4.47mm。从图4(a)、(b)、(c)可以看出,三种参数下获得的熔核直径分别为D =4.24mm、D=4.8mm、D=5.4mm。比较得出,除I=6kA不能满足要求,其它两组参数都可行。从图3中看出, 7.5kA 的载荷电流熔核形态要好于6.6kA,为证明焊接电流、通电时间与熔核偏移量的关系,本文进一步做了模拟计算。

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4    验证减小熔核偏移方法

比较I=6.6kA,t=0.25s、I=10kA,t=0.2s的熔核偏移量,以贴合面与熔核中心线的距离为依据。如图5所示。

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    从图5中可以明显的看出,(b)组熔核中心线距离工件贴合面要近于(a)组,即(b)组的熔核偏移量明显的小于(a)组。

  

5    结束语

5.1   通电时间不变时,熔核直径随着载荷电流的增加而增大,只要电极温度达不到熔点即可。

5.2   针对熔核偏移问题,本文获得以下结论:采用硬规范,即采用大载荷电流,短的通电时间,可以减小熔核偏移。这个结论与书中记载相同,说明本文模拟的合理性。

5.3  本文所述的接头的点焊工艺参数:可以考虑t=0.25s、I=6.6kA,与t=0.25s、I=7.5kA这两组,但考虑到熔核偏移的问题,建议采用I=10kA、t=0.2s这组,因为这组参数计算得到的熔核直径与薄板电极温度都满足要求,且熔核偏移量很小。



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