徐光晨

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

電阻焊屬于壓力焊，是通過(guò)兩個(gè)電極對(duì)兩塊金屬板料進(jìn)行預(yù)壓和通電，由于材料的電阻熱將接頭融化，最后凝固成焊核而形成冶金結(jié)合的一種焊接工藝。[1]。凸焊是電阻焊的一種，凸焊的特點(diǎn)在于其中一側(cè)的金屬板會(huì)加工一個(gè)或幾個(gè)凸焊筋，凸焊過(guò)程中電流通過(guò)凸焊筋時(shí)密度增大，優(yōu)先將凸焊筋壓潰后形成焊核。這個(gè)過(guò)程包括了熱量的傳導(dǎo)、金屬的融化與凝固、電—熱耦合以及材料的相變等復(fù)雜過(guò)程[2]。如果僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，既不能準(zhǔn)確地對(duì)工藝變化進(jìn)行控制，又會(huì)消耗企業(yè)大量的時(shí)間與資源。因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)凸焊的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而節(jié)約成本，成為在焊接領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的一種方法。

鋁合金由于諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，由于鋁合金的線膨脹系數(shù)很大，且表面氧化鋁的熔點(diǎn)很高，因此，鋁合金的焊接存在一定難度[3-4]。目前，凸焊仿真的研究較少，上海交通大學(xué)的羅愛(ài)輝等[5]人對(duì)整個(gè)凸焊工藝過(guò)程進(jìn)行了完整的分析，得到了凸焊凸點(diǎn)壓潰過(guò)程、凸焊焊核成形過(guò)程以及焊后溫度場(chǎng)分布等一系列結(jié)果。武漢工程大學(xué)的盧霞等[6]人分析了真空電阻凸焊的熱電耦合過(guò)程，得到了焊接過(guò)程的熱歷程以及焊件各部位的溫度分布，得出凸焊筋距離對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。上海交通大學(xué)的萬(wàn)子軒等[7]人定性及定量地分析了兩種材料在電阻凸焊過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的參數(shù)變化規(guī)律以及最終凸焊接頭的熔核直徑。華中科技大學(xué)的王成剛等[8]人通過(guò)對(duì)不同預(yù)壓力和不同角度凸焊筋頂角的有限元接觸分析，得出不同預(yù)壓力和凸焊筋頂角的凸焊筋塑性變形和接觸壓力分布狀況等結(jié)果。

本文針對(duì)6063鋁合金薄板的凸焊問(wèn)題，使用simufact-welding軟件，建立凸焊有限元模型，考慮模型的散熱過(guò)程、材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)以及鋁合金融化—凝固過(guò)程的熱力耦合等因素，得到凸焊成形過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)分布，為實(shí)際加工過(guò)程提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)字模型

在三維建模軟件中建立了凸焊幾何模型，電極為圓柱形C型電極，端面直徑13 mm，上下薄板長(zhǎng)寬為50 mm，厚度為1.5 mm，其中下薄板預(yù)制一個(gè)近半球形凸焊筋，尺寸如圖1所示。

1.2 有限元模型

在Hypermesh軟件中對(duì)鋁合金薄板凸焊進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，為了提高收斂性，采用四面體網(wǎng)格。為了提高計(jì)算的精度，在變形量大的凸焊筋上采用密度大的網(wǎng)格，薄板采用密度小的網(wǎng)格，在兩者的連接區(qū)域采用過(guò)渡網(wǎng)格劃分。凸焊筋網(wǎng)格尺寸范圍為0.1～0.2 mm，上下薄板網(wǎng)格尺寸范圍為0.3～0.5 m(如圖2)。

圖2 鋁合金凸焊有限元模型

1.3 溫度場(chǎng)基本方程

在進(jìn)行電阻凸焊的電—熱耦合分析時(shí)，在給定電流參數(shù)的前提下，內(nèi)部的電壓可以用Laplace方程來(lái)描述，其微分方程如下：

(1)

式中：r，z為圓柱坐標(biāo)系中點(diǎn)的徑向和軸向坐標(biāo)；U為電壓；ρ0為材料的電阻率。

鋁合金的凸焊本質(zhì)上屬于電阻焊，其焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)被定義為非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，傳熱機(jī)制包括電極與薄板之間的熱傳導(dǎo)，薄板之間的熱傳導(dǎo)，薄板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)以及薄板與空氣之間的熱對(duì)流。根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律可以得到如式(2)的傳熱方程[9]：

(2)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；t為時(shí)間；Q為潛熱；ρ為材料的密度；Cp為比熱容。

1.4 材料熱物性參數(shù)與相變潛熱

薄板使用的材料為6063鋁合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

由于實(shí)際成形過(guò)程中，材料的性能變化一般都是非線性的，這個(gè)變化與溫度有關(guān)，因此需要在material模塊中輸入與溫度相關(guān)的材料參數(shù)。6063鋁合金基于溫度變化的熱物性參數(shù)由JMatPro軟件計(jì)算得到(如圖3)。

圖3 6063部分熱物性參數(shù)

2 焊接工藝

凸焊的工藝過(guò)程如圖4所示，凸焊過(guò)程總計(jì)0.6 s，全程保持5 kN的焊接壓力，預(yù)壓階段為0～0.2 s，通電階段為0.2～0.5 s，最大電流為35 kA，0.5～0.6 s繼續(xù)保持焊接壓力不變，最后移開(kāi)電極完成凸焊過(guò)程。

圖4 凸焊工藝參數(shù)

3 模擬結(jié)果與討論

圖5為焊接電流35 kA時(shí)各個(gè)典型時(shí)刻的溫度場(chǎng)對(duì)比，圖5(a)是剛剛結(jié)束預(yù)壓環(huán)節(jié)，此時(shí)凸焊筋高度從1 mm被壓縮至0.65 mm，0.2 s開(kāi)始進(jìn)入通電階段。圖5(b)和5(c)分別為0.293 s和0.386 s時(shí)的溫度場(chǎng)，兩個(gè)時(shí)刻的凸焊筋高度分別為0.59 mm和0.31 mm，隨著溫度升高，凸焊筋進(jìn)一步被壓縮，0.479 s時(shí)(如圖5(d))凸焊筋被壓潰，焊核達(dá)到最高溫度943 ℃。圖5(e)和5(f)分別是斷開(kāi)電流后的保持階段，溫度逐漸降低。從溫度場(chǎng)可以看出，整個(gè)焊接過(guò)程中焊核大小為溫度場(chǎng)的白色區(qū)域，最高溫度位于以凸焊筋為中心的區(qū)域，冷卻后，此處形成焊核，周?chē)鸀闊嵊绊憛^(qū)。此過(guò)程符合實(shí)際凸焊的加熱與凝固過(guò)程，形成的焊核尺寸適中。

圖5 焊接電流35 kA不同時(shí)刻凸焊筋溫度場(chǎng)

圖6為凸焊筋頂點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度變化曲線，在接近0.5 s時(shí)，也就是電極開(kāi)始通電階段，跟蹤點(diǎn)的溫度持續(xù)升高，最終在斷電前達(dá)到最高溫度1 049 ℃。斷電后，跟蹤點(diǎn)位于焊核中心，其散熱方式主要依靠鋁合金內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，由于鋁合金導(dǎo)熱率高，因此跟蹤點(diǎn)溫度迅速下降，在約0.6 s后溫度下降至100 ℃附近并開(kāi)始緩慢降溫，最終在2 s時(shí)溫度下降至50 ℃附近。由于電流采用35 kA的大電流，因此跟蹤點(diǎn)溫度迅速超過(guò)6 063的熔點(diǎn)。結(jié)合圖5不難發(fā)現(xiàn)，大約在0.386 s時(shí)焊核內(nèi)部出現(xiàn)溫度超過(guò)600 ℃的區(qū)域，0.479 s焊核尺寸達(dá)到最大值，也與本圖中頂點(diǎn)溫度最高點(diǎn)的時(shí)間相吻合。

圖6 凸焊筋頂點(diǎn)溫度變化曲線

為了觀察整個(gè)凸焊筋以及其附近區(qū)域的溫度變化，在如圖7所示的位置放置了一系列的跟蹤點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)擬合后的曲線即為這些跟蹤點(diǎn)在整個(gè)凸焊過(guò)程中最高溫度的曲線。以凸焊筋中心點(diǎn)為中心，兩側(cè)各延伸3.4 mm進(jìn)行觀察。在某些位置的最高溫度會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)，可能由于這些位置在模擬過(guò)程中變形或位移較大造成，但整體趨勢(shì)與實(shí)際吻合，最高溫度在凸焊筋頂點(diǎn)位置，達(dá)到1 049 ℃。整個(gè)曲線的最高溫度區(qū)間集中在凸焊筋與上薄板的優(yōu)先接觸區(qū)域，從該區(qū)域向兩側(cè)的最高溫度持續(xù)降低，在曲線末端的最高溫度約100 ℃。

圖7 凸焊筋附近區(qū)域最高溫度曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的焊核的金相照片(如圖8(a))與仿真得到的焊核(如圖8(b))進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真焊核中的白色區(qū)域?yàn)橥耆诨瘏^(qū)域，其尺寸與實(shí)驗(yàn)得到的焊核尺寸接近，因此，我們認(rèn)為該仿真方法能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際凸焊過(guò)程。

(a)與仿真焊核對(duì)比 (b)金相照片對(duì)比圖8 35 kA時(shí)實(shí)際焊核

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真焊核與實(shí)際焊核的尺寸對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該仿真方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際焊接過(guò)程。在焊接壓力5 kN、焊接電流35 kA的參數(shù)下，觀察凸焊筋及其附近區(qū)域的溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)凸焊過(guò)程中，溫度最高的區(qū)域集中在凸焊筋上部即優(yōu)先與上薄板接觸的區(qū)域，溫度最高達(dá)到了1 049 ℃，在凸焊筋頂點(diǎn)位置。對(duì)比焊核尺寸后認(rèn)為該溫度曲線與實(shí)際溫度曲線較為吻合，但由于該模型沒(méi)有將鋁合金的相變參數(shù)加入到仿真過(guò)程中，因此這將是后續(xù)研究需要解決的問(wèn)題。