趙 陽，熊慶華，馬 闖

(上海信聚信息技術(shù)有限公司，上海 200217)

0 前言

電阻焊是一種高效、高質(zhì)、易于實現(xiàn)自動化的焊接工藝，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等對焊接質(zhì)量要求很高的工業(yè)領(lǐng)域。然而，電阻焊質(zhì)量受到很多因素影響，例如動力學(xué)（動態(tài)機(jī)械性能）、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)（彈塑性變形）、流體力學(xué)（熔解、熔體流動等）、熱力學(xué)（熱傳導(dǎo)、相變）、電動力學(xué)（接觸電阻、電流分布、焦耳熱、洛倫茲力）、熱電效應(yīng)（珀爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)）等，而這些因素往往是交互作用，交互影響[1]。因此，要確保焊接質(zhì)量不僅需要很好地掌握材料的焊接性能，而且還需要對焊接過程參數(shù)進(jìn)行大量的優(yōu)化工作。進(jìn)行大量的焊接試驗和破壞性測試會消耗大量的工作時間和資源，大幅度增加生產(chǎn)成本。

采用電阻焊數(shù)值模擬來研究電阻焊過程和預(yù)測焊接結(jié)果，能夠顯著的節(jié)省時間和降低成本[2-7]。作為專業(yè)的電阻焊仿真優(yōu)化軟件，SORPAS已經(jīng)被歐美、日、韓的汽車和零配件等生產(chǎn)公司所采用，如：通用、福特、大眾、本田、豐田、丹佛斯、麥格納、江森自控、塔塔、住友等。SORPAS使用有限元原理建立數(shù)值模型，模擬電阻焊過程，更能直接預(yù)測推薦最佳的焊接參數(shù)，甚至預(yù)測焊后的焊點微觀組織、殘余應(yīng)力應(yīng)變和評估裂紋風(fēng)險。

2009年SORPAS軟件被引進(jìn)到國內(nèi)，在此回顧SORPAS在國內(nèi)的應(yīng)用，并展望未來在汽車工業(yè)的應(yīng)用前景。

1 什么是SORPAS？

SORPAS是專業(yè)的電阻焊模擬仿真優(yōu)化軟件，集有限元分析和電阻焊工程原理、經(jīng)驗于一體。目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，用于支持評估各種組合的可焊性，設(shè)計焊件和電極，同時還能優(yōu)化電阻焊過程參數(shù)。

SORPAS通過四個分開但完全耦合的模型將電阻焊過程中所有因素都考慮在內(nèi)，這四個模型分別是：電模型（分析電流、電壓分布，熱生成等）、熱模型（分析傳熱、溫度分布等）、金相模型（分析隨溫度而變的屬性，相變等）和力學(xué)模型（分析變形、應(yīng)力應(yīng)變分布等）[8]。

SORPAS仿真優(yōu)化具有三個不同層次的功能：過程模擬（可預(yù)測給定參數(shù)的焊接結(jié)果）、過程優(yōu)化（可預(yù)測焊接窗口）和焊接計劃（可預(yù)測最佳焊接工藝參數(shù)）[9]。

2 國內(nèi)電阻焊現(xiàn)狀

作為高效經(jīng)濟(jì)的連接工藝，電阻點焊主要用于汽車和零配件生產(chǎn)公司。隨著節(jié)能減排，降低環(huán)境污染的要求越來越高，汽車輕量化是不可避免的發(fā)展趨勢。越來越多的新型高強度材料應(yīng)用到汽車車身結(jié)構(gòu)中，以達(dá)到降低車身質(zhì)量、提高車身強度的目的，如DP鋼、TRIP鋼、TWIP鋼、AHSS鋼和UHSS鋼。使用這些復(fù)雜高強度材料給車身焊接工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如焊接偏析焊接硬化脆性，易于導(dǎo)致焊接缺陷。為了避免產(chǎn)生這些問題，建立最佳的點焊工藝規(guī)范十分必要，尤其是針對新型材料組合、有涂層的新型材料等[10]。

另一方面，開發(fā)具有良好焊接性能的新型材料也是迫在眉睫。汽車制造商們往往希望適用的材料能夠具有更好的焊接性能，有更大的焊接窗口，這對于材料制造者而言是一個不小的挑戰(zhàn)，是一項既耗時又費錢的巨大工程。

3 SORPAS應(yīng)用一：新型材料的應(yīng)用

3.1 DP590雙相鋼[11-12]

高強度、高可塑性的雙相鋼是一種理想的汽車用鋼。然而與普通低碳鋼相比，由于雙相鋼中加入其他元素，如Si、Mn等，易發(fā)生偏析和淬火脆性，增加了焊接難度。為避免產(chǎn)生焊接缺陷，有必要弄清楚雙相鋼的焊接特性。

王敏等人通過SORPAS軟件建立了軸對稱有限元模型用于分析DP590雙相鋼的電阻點焊性能。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，DP590的相關(guān)熱物理性能被詳細(xì)測定并導(dǎo)入SORPAS軟件中，包括熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、電阻、密度、熱容和泊松比等。

使用SORPAS模擬分析各種點焊參數(shù)組合下緩冷和回火過程，并將得到的最佳參數(shù)應(yīng)用到實際中。圖1顯示了不同脈沖規(guī)范下得到的DP590焊接切片圖，可以看出，通過增加緩冷脈沖或回火脈沖能夠明顯改善DP590焊點的韌性。

圖1 不同規(guī)范下得到的DP590焊接切片

3.2 DP590GA熱浸鋅雙相鋼[13]

①The SORPASUser Manual Book.

熱浸鋅雙相鋼是另一種理想的汽車用鋼，它具有高強度、高耐蝕性和高成型性。很明顯，由于其復(fù)雜的微觀組織和表面鋅層，導(dǎo)致焊接規(guī)范發(fā)生很大的變化。利用SORPAS研究DPGA鋼的焊接過程，可以更好地解決因涂層導(dǎo)致的焊接問題。

與DP590焊接仿真過程一樣，通過SORPAS建立軸對稱有限元模型，并將詳細(xì)的熱物理參數(shù)導(dǎo)入軟件中。為避免產(chǎn)生焊接缺陷，減少鋅在焊核中的殘留，在焊接之前引入一個預(yù)熱脈沖十分必要。使用SORPAS模擬分析一系列預(yù)熱脈沖規(guī)范，并將最佳的焊接參數(shù)應(yīng)用到實際中。通過拉伸測試和EDS分析，這種具有預(yù)熱脈沖的焊接規(guī)范能夠明顯提高焊點強度，增大熔核尺寸并減少鋅在熔核中的含量。

SORPAS分析并揭示了預(yù)熱脈沖在DP590GA點焊過程中的作用。圖2為不同焊接規(guī)范下熔核中心溫度的變化規(guī)律?？梢钥吹剑p脈沖焊接規(guī)范下出現(xiàn)了兩個溫度峰值，第一個峰值接近600℃，由預(yù)熱脈沖產(chǎn)生，主要用于將鋅從熔核中擠出（鋅的熔點只有419℃）。而對于單脈沖規(guī)范而言，是很難將鋅從熔融狀態(tài)下的鋼中分離出來的。

SORPAS也同樣用于分析表面鋅層對焊接的影響。通過SORPAS模擬和真實點焊測試來對比研究了DP590GA和DP590在焊接過程中接觸電阻的變化規(guī)律，如圖3所示。兩種途徑的研究結(jié)果都表明DP590GA具有更低的接觸電阻，也就是說表面鋅層導(dǎo)致接觸電阻降低，意味著要采用硬規(guī)范來焊接有涂層的雙相鋼更為合適。

圖2 不同焊接規(guī)范下熔核中心溫度變化規(guī)律

圖3 DP590GA和DP590接觸電阻變化規(guī)律

3.3 DP590——鋁合金6061異類金屬焊接[14]

隨著汽車輕量化要求不斷提高，輕質(zhì)鋁合金也越來越廣泛的應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)中。因此不得不面臨高強度鋼和鋁這樣異類金屬的焊接挑戰(zhàn)。

SORPAS模擬分析DP590和6061鋁合金的點焊過程。雙熔核和熔核偏移現(xiàn)象在模擬過程中出現(xiàn)，如圖4所示。在點焊過程中，熔融的鋁合金在鋁鋼界面上鋪開，其本質(zhì)是屬于熔釬焊接頭。

圖4 鋼-鋁點焊過程

4 工藝設(shè)計

除上述焊接性能研究之外，SORPAS也應(yīng)用于支持工藝設(shè)計。越來越多的又薄又強的新合金應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，焊接工程師必須考慮如何設(shè)計安排各種組件，并將它們有效的連接到一塊。采用SORPAS支持工藝設(shè)計，既能提高效率又能大幅度降低成本。

4.1 降低飛濺

以某工廠49004工況焊點為例，介紹如何使用SORPAS在確保焊接質(zhì)量的同時降低焊接飛濺。49004工況位于汽車A柱（見圖5），由三層板構(gòu)成，包括DP450（1.2 mm），有10μm鍍鋅層的E335D（1.2 mm）和10μm鍍鋅層ES（0.7mm）。原始焊接工藝參數(shù)為：電流I=11kA(AC)，時間T=16cyc，壓力F=3.8kN。

在這套工藝參數(shù)下，焊接產(chǎn)生了嚴(yán)重的飛濺，并且電極帽耗損嚴(yán)重。使用SORPAS過程模擬功能驗證了這一真實過程，如圖6所示。焊接飛濺發(fā)生于焊接開始后的268.5 ms，并且電極帽部分產(chǎn)生了熔化（見圖7）。

圖5 49004工況焊點

考慮到制造商的工作現(xiàn)狀，采用SORPAS焊接計劃功能，用三種不同直徑的電極帽模擬分析焊接過程，給出了最佳的焊接工藝參數(shù)：F=3.8kN，T=16cyc。焊接電流隨電極帽磨損而改變，如圖8所示。

根據(jù)SORPAS推薦的最佳焊接工藝參數(shù)，在現(xiàn)場進(jìn)行試驗，基本消除了焊接飛濺，同時熔核直徑和焊點強度也達(dá)到使用要求，如圖9所示。

5.2 減少試驗解決焊接難題

圖6 模擬報告

圖7 熔化的電帽部分

圖8 焊接電流隨電極帽磨損而改變

舉例：某工況位于前門總成，如圖10所示，包括兩層板2.0mm H340LAD含鍍鋅層和0.8mm DC530D含鍍鋅層，焊接電極一端采用6 mm銅板。焊接難點是無法形成焊核。

圖9 采用優(yōu)化點焊規(guī)范的焊點形貌

圖10 無法形成焊核的工況位置示意

通過SORPAS模擬分析發(fā)現(xiàn)，在該工況環(huán)境下無論怎么改變焊接參數(shù)都無法得到熔核，即該工況不能進(jìn)行點焊。分析問題發(fā)現(xiàn)出在工況本身，并非參數(shù)問題。6mm銅板很快將熱量傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致熔核難以形成?，F(xiàn)采用2mm銅板+4mm鋼板的形式來代替6mm銅板，可以得到有效的熔核，如圖11模擬所示。

圖11 改變工況后得到有效熔核的模擬所示

5 指導(dǎo)材料研究和生產(chǎn)

現(xiàn)代競爭越來越激烈，材料研究和生產(chǎn)者們也希望獲得高焊接性能的材料便于占領(lǐng)市場。具有更寬焊接窗口的材料也得到汽車廠的青睞。要如何才能提高焊接性能，得到更寬的焊接窗口呢？

以DX56D為例，使用SORPAS逐個因素分析其焊接區(qū)間，表面涂層厚度、板厚度和板強度都會影響其焊接窗口，如圖12～圖15所示。

圖12 DX56D焊接區(qū)間

在國內(nèi)，SORPAS已被用于支持材料焊接性能研究，工藝設(shè)計和指導(dǎo)材料生產(chǎn)等。隨著SORPAS應(yīng)用效果的逐漸顯現(xiàn)，相信其應(yīng)用會越來越廣泛。

圖13 改變DX56D表面涂層厚度的焊接區(qū)間

圖14 改變DX56D板厚度的焊接區(qū)間

圖15 改變DX56D 板材強度的焊接區(qū)間

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