电阻点焊过程数值模拟与仿真分析技术
电阻点焊质量控制技术的方法与研究现状
电阻点焊质量控制技术的方法与研究航空制造工程学院080142 05 韦谨宗0 前言电阻点焊是一种高效的焊接方法,具有能量集中、变形小、辅助工序少、无须填加焊接材料、生产效率高、操作简便和易于实现自动化等特点,广泛应用于航空、航天、汽车制造等行业生产中,但是由于点焊过程以电流通过焊接区产生的电阻热为热源,是一个高度非线性、多变量藕合作用并伴随着大量随机不确定因素的过程,焊点接头质量受各种不可测因素的影响;并且焊点熔核处于封闭状态,使形核过程无论是在焊接期间还是在焊后都无法直接观测到,质量信息的提取比较困难;焊点形核凝固时间短暂,同时要求特定、精确的温度场分布,环境的瞬时改变可能造成严重后果,出现裂纹、缩孔、疏松、偏析、深度压痕、喷溅乃至虚焊、漏焊、弱焊、烧穿等缺陷,造成焊点质量不稳定和难以控制,严重限制和影响了点焊技术在重要结构上的广泛使用[1].。
传统生产中,焊接质量是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证的。
由于焊点接头质量受大量随机因素的影响,仅通过稳定工艺参数不可能全面保证焊点质接缺陷、实现焊接质量在线监控,因此发展一种在线、非破坏性、低成本、诊断可靠性高的质量评判系统对于现实生产及点焊方法的广泛使用是非常有意义的。
现代信号分析处理、人工智能、模式识别、数据挖掘等信息处理方法凭借其明确的问题定义、严格的数学基础、坚实的理论框架和广泛的应用价值,为处理点焊过程监测特征参量与焊点质量评价指标之间复杂的多元非线性相关关系提供了丰富的方法。
1电阻点焊质量监测技术的方法点焊过程通常由预压、焊接、锻压三个阶段构成[2],是一个电场、热场、力场等各种场祸合作用的过程,因此产生焊接缺陷的原因必然隐含于各种场监测参量的动态变化之中。
点焊过程的工艺参数主要有焊接电流、焊接时间、预紧力、顶锻力等。
接头形式和焊接规范一定时,焊点质量主要取决于电极、工件表面、接触面的微观状态、动态变化,它们影响点焊过程中能量的输入与分配、局部热积累速度和热量的分布。
焊接数据模拟方法
第4 0卷 第 7期
2 1 0 0年 7月
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王 中辉 。 王 玉
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电阻点焊过程数值模拟与仿真分析技术
电阻点焊过程数值模拟与仿真分析技术本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、面向对象技术、可视化技术。
在前置处理中通过交互式的图形输入界面使用户能够方便、快捷的建立求解模型,用户以图形界面方式输入点焊工件、电极的形状参数、材料性能参数、焊接规范等,自由选择网格剖分的疏密程度,实现网格的自动剖分;所建立的模型数据不仅能进行存储,而且和有限元模拟计算有良好的嵌接;在后置处理中能够将有限元分析计算结果以图形方式直观地显示。
0引言电阻点焊技术作为一种高效的薄板结构连接方法广泛应用于国民经济的各行各业,特别是汽车制造业。
具不确切统计,一辆小轿车的壳体制造就需5000-10000 个焊点。
然而,点焊完成的时间很短,大约在0.2s左右完成。
因此,依靠试验的方法研究其过程行为具有很大的难度。
随着计算机技术的发展,数值模拟方法已成为分析电阻点焊过程机理的重要手段。
国内外许多学者相继建立各自的数值模型,并普遍采用有限元分析方法对点焊过程进行了模拟计算,取得了很大的进展[1-10]。
但这类工作的不足之处是研制软件的前后处理部分,需要收集整理并输入大量的原始数据,这些数据繁琐且容易出错,也因为缺乏功能完善的后处理器,也给推广使用带来了很大困难。
科学计算可视化涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域,是当前计算机应用新技术的热点之一[10] O随着科学技术的进步,工程领域的开发研究工作越来越向定量化、精细化的方向发展,工程人员需要更详细的了解结构内部各场量的分布情况。
科学计算可视化技术凭借现代计算技术的图形能力把计算过程中产生的数据转变为直观的、易于理解的、以图形或图像形式表示的静态或动态画面,从而帮助人们有效的理解计算数据,从繁琐的数据后处理中解放出来。
本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件系统Visual SSRSW中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、熔核形成和长大等、面向对象技术、可视化技术等。
三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析
第34卷第24期中国机械工程V o l .34㊀N o .242023年12月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p.2996G3003三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析李坤航1,2㊀张思琦1㊀吴㊀玮1㊀胡明卓1㊀孙娅铃1㊀熊㊀鑫1㊀黄㊀宏31.重庆理工大学材料科学与工程学院,重庆,4000542.重庆长安汽车股份有限公司,重庆,4000233.重庆铁马工业集团有限公司,重庆,400050摘要:针对厚度1.0mm 的D C 01㊁厚度1.2mm 和1.5mm 的D P 590样片组,建立了电阻点焊的有限元模型,采用热场㊁电场㊁力场多场耦合分析了点焊过程能量分布和应力应变.试验结果表明:焊核尺寸的数值模拟计算结果与试验结果吻合良好,电流密度峰值随时间减小,其分布区域与两层板不同,与中板相比,在上板和下板分布的区域明显更大,电势变化说明点焊初期主要通过接触电阻产热,后期变成体电阻,温度在异种不等厚板材上分布不均匀,优先在中板下部和D P 590/D P 590接触面上形核,熔核形成后中部受到压应力,母材区受到熔核拉应力,应变最大值存在于D P 590/D P 590处.关键词:异种钢;电阻点焊;形核过程;数值模拟;多场耦合中图分类号:T G 443D O I :10.3969/j.i s s n .1004 132X.2023.24.011开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):M u l t i Gf i e l dC o u p l i n g S i m u l a t i o na n dA n a l y s i s f o rR e s i s t a n c e S p o tW e l d i n go fT h r e e Gl a y e rD i s s i m i l a rU n e qu a l Gt h i c k n e s s S t e e l s L IK u n h a n g 1,2㊀Z H A N GS i q i 1㊀WU W e i 1㊀HU M i n g z h u o 1㊀S U N Y a l i n g1X I O N G X i n 1㊀HU A N G H o n g31.M a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,C h o n g q i n g,4000542.C h o n g q i n g C h a n g a nA u t o m o b i l eC o .,L t d .,C h o n g q i n g ,4000233.C h o n g q i n g T i e m a I n d u s t r i a lG r o u p C o .,L t d .,C h o n g q i n g,400050A b s t r a c t :Af i n i t ee l e m e n t m o d e lw a se s t a b l i s h e df o rr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ofD C 01w i t ha t h i c k n e s s o f 1.0mm ,D P 590w i t ht h i c k n e s s e so f 1.2mm a n d1.5mm.T h ee n e r g y d i s t r i b u t i o na n d s t r e s s Gs t r a i nd u r i n g t h e s p o tw e l d i n g p r o c e s s e sw e r e a n a l y z e du s i n g t h em u l t i Gf i e l d c o u p l i n g of t h e r m a l f i e l d ,e l e c t r i c f i e l d ,a n d f o r c e f i e l d .T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a t t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e i ng o o da g r e ew i t h t h e t e s t o n e s .T h e p e a k c u r r e n t d e n s i t y de c r e a s e sw i t h t i m e ,a n d t h e d i s t r i b u t i o n a r e a i s d if f e r e n t f r o mt h a t o f t h e t w o Gl a y e r p l a t e s ,w i t h a s ig n i f i c a n t l y l a r g e r a r e a o f d i s t r i b u t i o n i n th e u pGp e r a n d l o w e r p l a t e s c o m p a r e dw i t ht h em i d d l e p l a t e .T h e p o t e n t i a l c h a n ge s i n d i c a t e t h a t i n i t i a l h e a t g e n e r a t i o n i n s p o tw e l d i n g i sm a i n l y t h r o u ghc o n t a c t r e s i s t a n c e ,w h i c h l a t e r t r a n s f o r m s i n t ob u l kr e Gs i s t a n c e .T h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no nd i s s i m i l a ru n e qu a l Gt h i c k n e s s p l a t e s i su n e v e n ,w i t hn u c l e a Gt i o n p r e f e r e n t i a l l y oc c u r s o n t h e l o w e r p a r t o f t h em id d le p l a t e a n do n t h eD P 590/D P 590c o n t a c t s u r Gf a c e s .A f t e r t h e f o r m a t i o no f t h en ug g e t ,th emi d d l e p a r t i s u n d e r c o m pr e s s i v e s t r e s s ,w h i l e t h eb a s e m a t e r i a l z o n ei su n d e rt e n s i l es t r e s sa tt h en u g ge tz o n e .T h e m a x i m u m s t r a i nv a l u ee x i s t sa tt h e D P 590/D P 590l o c a t i o n .K e y wo r d s :d i s s i m i l a r s t e e l ;r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ;n u c l e a t i o n p r o c e s s ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;m u l t i Gf i e l d c o u p l i n g收稿日期:20230509基金项目:国家自然科学基金(61974013);重庆理工大学研究生创新项目(gz l c x 20222007)0㊀引言随着节能要求的突出和环保规定的严苛,轻量化已成为汽车的主要发展方向,车身骨架的轻量化设计是整车轻量化的关键[1].与传统低碳钢相比,双相(d u a l Gp h a s e ,D P )钢具有较高的强度㊁低良率㊁高加工硬化率以及高应变能量吸收等特性[2],在汽车制造中得到了广泛的应用[3],车身设计中大量采用了高强钢与高强钢㊁高强钢与普通低碳钢组合的冲焊结构,特别是在一些重要部位还采用了等厚或不等厚的同种或异种钢板多层点焊组合.多层板电阻点焊虽然具有两层板点焊相似的熔核形成机理,但由于多层板板件接触界面数量的增加,内部电阻与接触电阻会增大,使电流场分布发生改变,而且多层板间的组合方式不同会影6992响散热条件,使得熔核生长过程不同,容易出现熔核偏移㊁熔核直径过小㊁虚焊等缺陷.点焊是一种多物理场耦合且封闭不可见的金属成形过程,焊接时间短,工艺热电行为具有复杂性,很难用试验方法测量电流分流及试件温度分布[4],而数值模拟可以对焊接过程温度场㊁电场㊁应力场进行研究,因此不少文献采用数值模拟方法对电阻点焊过程温度场㊁电流密度甚至多场耦合进行了分析,直观地揭示了点焊内部形核过程.Z H A N G等[5]用S O R P A S软件对厚度1.4mm的D P800双相钢温度场进行了模拟,指出在通电初期工件温度上升速度高于电极温度上升速度,在焊接结束时焊件达到2120ħ,由于冷却水的原因,工件温度高于电极温度,在有飞溅情况下模拟结果尺寸大于实际尺寸.陶维承[6]㊁Z H A N G等[7]在点焊过程的模拟分析中指出,电极形状和结构的变化会引起电流密度的分布发生相应改变,优化电极形态可使电流密度分布更加均匀,从而改善最大电流密度和温度,促进焊接性能的提高.C H E N[8]针对厚度1.8mm的D P590以及厚度1.2mm的6061GT6异种不等厚板进行点焊建模分析,指出焊接过程中在铝侧和双相钢侧形成了双熔核.孙晓屿等[9]使用S O R P A S软件对1.6mm和2.0mm不等厚D P780同种材料建立了点焊轴对称模型,模拟了预热电流及焊接电流下的熔核成形,发现第一次脉冲电流下熔核增长速度大于第二次脉冲电流下熔核增长速度,分析认为第一次脉冲电流结束后产生了大量的液态熔融金属,而第二次脉冲电流下液态熔融金属使散热速度增大,导致熔核增长速率减小.在多层板点焊的研究中,刘丽[10]对低碳钢与高强钢的三层点焊温度场进行了模拟分析,发现熔核最高温度在贴合表面中央,熔核内部不同位置温度达到熔点后的晗效应引起熔核中心升温缓慢.N I N S HU等[11]在三层高强钢电阻点焊数值模拟分析中指出,电流密度在接触区域集中形成尖角,熔核直径随着焊接电流循环次数的增加而增大,熔核厚度变化所受影响较小.黄焕林[12]采用A N S Y S软件对三层等厚同种钢板点焊过程中的电流密度与内部电势进行数值模拟,发现内部近焊接区轴线位置的电流密度分布均匀,而靠近接触面边缘电流密度陡升,边沿以外电流密度快速下降,模拟发现内部电势场基本对称,在通电初期时,电压降集中在接触面附近,随时间增加工件内部电压降增大且分布均匀,研究发现,同种材料等厚三层板的电流密度和内部电势与二层板规律相似.通过有限元模拟方法能较好地判断材料点焊连接规律,现有研究对两层材料点焊报道较多,而对多层板特别是多层异种不等厚板点焊过程的模拟研究还比较少,多层板点焊中界面增多会带来内部电阻的变化以及散热分流等问题,比两层板研究更为麻烦,仅仅依靠单一的温度场或单一的电流密度以及应力应变分析不能完全揭示界面产热规律及熔核形核过程,因此本研究基于A B A Q U S软件,以D C01/D P590三层板点焊为分析对象,建立了热电力三场直接耦合的电阻点焊有限元计算模型,通过对电流密度和温度的瞬态行为以及不同时刻下的力场变化进行分析,详细揭示了多场之间的相互作用和对形核的影响.1㊀试验方法与设备试验材料由厚度1.0mm的冷轧无镀锌D C01低碳钢以及厚度1.2mm和1.5mm的冷轧无镀锌D P590高强钢组成,长100mm,宽25mm,其化学成分见表1,焊接过程中各板位置如图1所示.点焊前母材用无水乙醇去油清洗并烘干,在D T B ZG80中频逆变直流点凸焊机上完成焊接,上下电极均用端面直径为10mm的C u C r Z r 锥形电极.焊接工艺参数为:电流9k A,焊接时间200m s,电极压力5k N.焊后垂直于界面沿焊点直径横切接头获取金相试样,经表面打磨抛光后用体积分数为3%的硝酸酒精腐蚀,采用D M I5000M光学显微镜对组织进行观察.表1㊀试验材料化学成分(质量分数)T a b.1㊀C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f t e s t i n g m a t e r i a l(m a s s f r a c t i o n)%母材w(C)w(S i)w(M n)w(P)w(S)w(N b) D C010.0600.170.00900.01000D P5900.080.21.680.01120.00260.0037图1㊀板材的位置F i g.1㊀P o s i t i o no f t h e p l a t e2㊀有限元模型选取A B A Q U S中的热电力耦合模块对电7992三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析 李坤航㊀张思琦㊀吴㊀玮等阻点焊过程进行模拟.由于焊接模拟中沿x Gz 平面㊁y Gz 平面具有对称性,本研究采用1/4的模型进行有限元模拟分析,所建立的三层异种不等厚钢电阻点焊模型如图2所示,包括3个工件和2个电极,网格为六面体八节点单元(Q 3D 8R ),工件与电极接触处的网格大小为0.2,远离中心区的网格大小为1.模型中的边界条件为:空气温度20ħ,表面传热系数25W /(m2K ).电极空腔内的冷却水温度为20ħ,传热系数为3800W /(m2K ).被焊工件被上电极头沿z 轴方向挤压,焊接电流通过附加在上电极上表面传输至下电极.假设温度恒定,z ㊁r 分别为轴向坐标和径向坐标,则圆柱坐标系中瞬态热传导的控制方程[11]可以表示为㊀∂∂r (k ∂T ∂r )+k r ∂T ∂r +∂∂z (k ∂T ∂r )+q v =C p ρ∂T∂t(1)式中,q v 为产热量;t 为时间;T 为温度;k 为热导率;ρ为密度;C p 为质量热容.图2㊀点焊模型及边界条件F i g .2㊀S p o tw e l d i n g m o d e l a n db o u n d a r y co n d i t i o n s 稳态电传导方程[12]可通过下式得到:∂∂r (1ρe ∂U ∂r )+1ρe ∂U ∂r +∂∂r (1ρe ∂U∂z )=0(2)式中,ρe 为材料的电阻率;U 为电势.采用下式分析结构应力:∇σ(i ,j )+b (i ,j )=0(3)式中,σ为应力;b 为体积力;i ㊁j 为坐标向量.在点焊过程中,通过预压确定工件与工件之间以及工件与电极之间的初始接触条件.由于材料在不同温度下的属性会影响模拟结果的准确性,因此在电流压力共同作用下时,需要考虑材料热电力性能的参数值随温度的变化情况.异种金属材料的接触电阻R c o n t a c t 用Wa n h e i m GB a y 模型[13]可以表示为R c o n t a c t =3(σs _s o f t σn )(ρe 1+ρe22+γρco n t a m i n a n t s )(4)式中,σs _s o f t 为材料的流动应力;σn 为接触压力;ρe 1㊁ρe 2分别为两种不同材料的电阻率;γ为修正因子;ρc o n t a m i n a n t s 为接触界面附着的油㊁水㊁氧化物和污物污染状况对接触电阻的影响.当接触距离大于0.01时,在接触属性上面设置为接触界面无接触属性.D C 01与D P 590的材料参数由«有限元分析常用材料参数手册»获得.3㊀模拟结果及分析3.1㊀模型验证实际焊接参数需要通过换算输入到有限元模型中,上电极端面面积为113.825mm 2,因此模拟时点焊过程中的试验参数为:焊接电流密度79A /mm 2,压力40M P a,其中预压时间和保压通电时间均为0.2s ,保压冷却时间为1s .图3为点焊接头熔核形貌与温度模拟结果对比图,焊接模拟图中浅绿色部分为母材(b a s e m e t a l ,B M ),灰色部分为熔核区(f u s i o n z o n e ,F Z ),红色到黄色部分为热影响区(h e a t a f f e c t e d z o n e ,H A Z ),熔核形貌及H A Z 实际测量值与模拟计算值见表2,其中三层板熔核偏移量的计算参考文献[14].表2中除熔核高度误差最大为6.18%外,其余误差都在5%左右,造成该误差的主要因素来源于材料属性中的热传导效率㊁接触电阻率与实际试验材料相关参数存在一定误差,同时也受实际试验中的环境因素和设备精度影响.总体来看实际得到的焊缝区域大小和形状以及熔核尺寸与模拟结果显示出了良好的一致性.图3㊀模拟结果与实验结果对比F i g .3㊀C o m pa r i s o no f s i m u l a t i o n r e s u l t sw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s 表2㊀接头实测值与模拟计算值T a b .2㊀T h em e a s u r e da n d s i m u l a t e d v a l u e s o f jo i n t 熔核长(mm )熔核高(mm )熔核偏移(mm )HA Z 宽(mm )模拟值7.1753.8100.4430.657实测值7.6213.5880.4210.631误差(%)5.086.184.964.12㊀㊀图4所示为接头不同区域的金相组织.图5为焊缝不同区域相应位置节点所提取的温度变化过程曲线.D C 01母材组织由等轴状铁素体和分布在铁素体晶界上的碳化物组成.D P 590母材主要是铁素体和块状马氏体组成.由图3和图5可见,灰色部分熔核区的峰值温度1835ħ已经超过钢的熔点,根据D C 01和8992 中国机械工程第34卷第24期2023年12月下半月㊀(a)熔核区(区域A )(b )D P 590侧粗晶区和细晶区(区域B)㊀(c )D P 590侧临界区(d )D C 01侧热影响区㊀㊀㊀㊀(区域C )㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(区域D)㊀(e )D C 01母材(区域E )(f )D P 590母材(区域F )(g)接头金相全图图4㊀接头金相组织图F i g .4㊀M e t a l l o g r a p h i cm i c r o s t r u c t u r e s o f s p o t w e l d i n g jo i nt 图5㊀焊缝不同区域温度随时间变化曲线F i g .5㊀T e m pe r a t u r e GT i m e p r of i l e f o r v a r i o u sw e l d z o n e s D P 590的θA c 1(钢加热向奥氏体转变的开始温度)和θA c 3(铁素体全部转变为奥氏体的终止温度)温度区间,熔核区已发生完全奥氏体化,按照C C T 转变曲线焊后空冷会发生奥氏体组织向马氏体的转变,由于金属处于高温时间相对较长,焊后熔核组织晶粒粗大.图4a 显示熔核区组织为粗大的板条状马氏体,晶粒以枝晶形态沿着与散热梯度相反的方向生长,熔合区内的液态金属成分均匀化,结合面消失.靠近熔核附近的粗晶区最高温度接近1100ħ,超过钢的θA c 3温度但未达到熔点,在加热时发生完全奥氏体化,高温下晶粒迅速长大粗化,快速冷却时发生相变重结晶.如图4b 所示,D P 590侧粗晶区形成板条马氏体和少量铁素体,D C 01侧粗晶区由于含碳量低,从高温冷却下来形成了晶粒较大㊁形态不规则的铁素体(图4d ).图3中温度在800~1000ħ的黄色区域为细晶区,奥氏体均质化程度不高,有部分发生重结晶.由图4b 可以看出,D P 590侧细晶区组织为细小的块状马氏体和铁素体.临界区组织靠近母材,峰值温度为747ħ,略高于θA c 1,会发生回火转变,组织比母材细小,图4c 显示D P 590侧临界区为等轴未发生相变的铁素体和块状马氏体.在D C 01侧无明显的细晶区,粗晶区直接过渡为临界区,粗晶与细晶混合,组织为铁素体和碳化物.3.2㊀电场变化电场分布关系到界面产热以及温度场分布,对熔核形核有直观影响.图6和图7所示分别为不同点焊时刻下电流密度和电势分布情况.电流密度分布与接触面积和接触面上接触电阻的分布相关,图6显示电流流过上电极,并在电极力作用下流向接触面的接触区域,受电极尖端边缘与板集中接触的影响,电流密度在D C 01以及下板D P 590与电极接触边沿有一个较高的峰值,随着焊接时间的增加,工件与电极㊁工件与工件之间的接触面积增大,电流密度峰值整体逐渐减小.图6a 显示通电初期(t =250m s)的电流密度最高,主要分布在工件与电极㊁工件与工件接触处.由电势分布图(图7)可以看出,此阶段工件自身电势差值只有30m V 左右,而工件与电极头㊁工件与工件之间的电势差较大,其中D C 01/D P 590之间(红色与绿色)电势差为581m V ,D P 590/D P 590间(绿色与蓝色)的电势差为552m V ,按照电流密度与电阻率㊁电势的关系可知,此时工件与电极间电阻率约为3.6ˑ10-7Ω mm 2,D C 01/D P 590和D P 590/D P 590板件间电阻率分别为2.6ˑ10-6Ω mm 2和1.3ˑ10-6Ω mm 2,其结果与图8电阻变化曲线低温段值相符,表明通电初期电极与工件㊁工件与工件接触面间存在较大的接触电阻.随着焊接过程的进行,材料受热软化使板之间的接触面增大,贴合更加紧密,电流流过区域增大,电流密度峰值减小,反映在图7c ㊁图7d 中板材自身的电势差值增大到380m V 左右,而板间接触面之间的电势差约在300m V 左右,9992 三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析李坤航㊀张思琦㊀吴㊀玮等较t =250m s时明显减小,说明接触电阻减小,体电阻产热增加.图6中t =350m s 和400m s 时电流密度接近,由文献[15]对工件内部提取得到的电流曲线可知,到了点焊中后期通过工件的电流逐渐增大,相应的单位面积内通过的电流会增多,因此可观察到t =400m s 时工件内部电流密度数值从198A /mm 2左右变成205A /mm 2左右.到图7d 所示的点焊后期,中上板电势差200m V 左右,而中下板电势差快速下降到360m V 左右,下部更多热量的聚集将会导致出现熔核偏移.(a )t =250m s㊀㊀(b )t =300m s(c )t =350m s㊀㊀(d )t =400m s图6㊀点焊接头接触面电流密度分布曲线F i g .6㊀S p o tw e l d i n g j o i n t c o n t a c t s u r f a c e c u r r e n t d e n s i t y di s t r i b u t i o n c u r v e (a )t =250m s㊀㊀(b )t =300m s(c )t =350m s㊀㊀(d )t =400m s图7㊀点焊接头电势分布图F i g .7㊀S p o tw e l d i n g jo i n t p o t e n t i a l d i s t r i b u t i o n c h a rt ㊀㊀㊀㊀(a )D C 01侧㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )D P 590侧㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(c)体电阻图8㊀接触电阻和体电阻F i g.8㊀B u l k r e s i s t o r a n d c o n t a c t r e s i s t a n c e0003 中国机械工程第34卷第24期2023年12月下半月㊀㊀三层板点焊不同于两层板,板间边沿的接触情况要差些,特别是异种不等厚板点焊,板间变形概率会增大,因此焊接过程中受中板与上下板贴合程度影响,流过中板两端的电流减少,与在中板处相比,电流密度在上板和下板分布的区域明显更大.3.3㊀温度场及能量变化图9为异种不等厚钢板不同焊接时间下的温度场分布云图.根据前面的电场分布和图8电阻随温度变化曲线,点焊初期接触电阻高于体电阻,所以前期产热主要来自于各界面之间的接触电阻,板材体电阻占整个产热的小部分.在图8中工件与电极之间的接触电阻比工件间的接触电阻小,且受上下电极的循环冷却水影响,由图9a可以看出,开始阶段工件与电极间升温不明显,产热主要集中在工件接触界面,因初期界面间接触电阻以及材料导热性和导电性具有差异,D C01/ D P590界面处的温度覆盖范围更广.随着焊接时间的增加,热量由两界面处向中间板覆盖,由于D P590的电阻率和热导率较大,单位时间内更多的产热使得中间板D P590的下半部分最高温度接近1300ħ,同时使D P590/D P590界面处温度比D C01/D P590界面高出约200ħ.当温度进一步升高时接触电阻逐渐减小,工件体电阻开始增大,接触电阻生热和体电阻生热之间的差距逐渐缩小,点焊的产热过程由接触电阻开始过渡到体电阻,因此从图9b中可观察到,界面和中间工件内部与初期相比都有高温区存在,高温区金属未达到D P590的熔点而处于塑性黏着状态,受热的金属沿着纵向和横向膨胀,由于电极中冷却水作用,高温区在水平方向的扩展范围明显大于竖直方向的扩展范围.至t=350m s时接头中下部灰色部分温度超过了熔点,熔核首先在熔化的D P590处开始形成,然后向D P590下板靠近结合面处生长,并逐渐向周围扩展,此时D C01/D P590结合面由于上板较薄而散热快,且D C01高温下体电阻小,界面未发生熔化,因此t=350m s时只在板内中下部形成了一个类似于半椭圆的熔核.到中后期随着D P590/D C01界面温度升高以及D C01侧的熔化,熔核开始向D C01侧生长,整个熔核水平方向上的生长速度明显高于厚度方向上的生长速度,熔核截面由半椭圆向长椭圆形转变,此阶段D P590下板熔化的金属更多,最终受工件吸热和散热影响,形成了一个下端较上端更宽㊁轴向方向存在偏移的熔核.(a)t=250m s(b)t=300m s(c)t=350m s(d)t=400m s图9㊀点焊接头温度场F i g.9㊀S p o tw e l d i n g j o i n t t e m p e r a t u r e f i e l d 3.4㊀接头应力应变图10为整个接头在不同时刻下的应力变化分布图.图中等效压应力为正负值时分别表示压应力和拉应力.t=250m s时接头未形核,可以观察到在两电极与工件接触的边缘附近,以及D P590/D P590板间有集中的压应力作用.t=300m s时焊接区域因温度升高材料变软,接触面积增大,中心区域的压应力从283M P a降低至233M P a,内部高温液态金属向外膨胀使得周围有少部分受到熔核区的拉应力作用.当t=350m s时伴随着内部更多金属的熔化,中心部位的压应力快速减小,周围受到的拉应力逐渐增大.到点焊后期内部温度进一步升高,熔核快速生长发生巨大膨胀,中心区域在周围温度较低的母材制约下受到约129M P a的压应力作用,热影响区和母材区受到熔核区向外的拉应力.1003三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析 李坤航㊀张思琦㊀吴㊀玮等(a)t=250m s(b)t=300m s(c)t=350m s(d)t=400m s图10㊀点焊接头内部应力分布F i g.10㊀S t r e s s d i s t r i b u t i o n i n s i d e t h e s p o tw e l d i n g j o i n t不同时刻下的应变情况如图11所示,在t=250m s时两侧接触面应力状态不同,D P590/ D P590侧变形大.由温度场和应力场分析可知,焊接初期D P590/D P590之间较大的应力使接触面间凹凸不平被压溃,同时板间温度随接触电阻的快速增大而升高,材料性能随温度发生变化,因此更易产生塑性变形.随着焊接时间的增加,中板中间位置的应变增大,D P590/D P590板间塑性应变更加严重,直到焊接通电结束,电极与工件接触边缘㊁D C01/D P590接触面间都发生了应变,整个焊接过程中应变最大的地方是温度最高区域.4㊀结论(1)模拟预测的熔核与试验得到的熔核在形态和尺寸上一致,模拟结果与实际相比较为吻合.(2)初期电流密度在电极与工件之间接触边(a)t=250m s(b)t=300m s(c)t=350m s(d)t=400m s图11㊀点焊接头内部应变分布F i g.11㊀S t r a i nd i s t r i b u t i o n i n s i d e t h e s p o tw e l d i n g j o i n t 缘处最大,随着电极与工件接触面积增大,峰值电流密度逐渐减小,点焊中后期工件内部由于通过的电流增大,使电流密度增大,但由于多层板特性,下板和上板分布区域大于中板分布区域. (3)电势分布显示初期电势差最高位置主要是工件接触面,随后工件内部电势差逐渐增大,接触面电势差减小.(4)温度场在异种不等厚板材上呈不均匀分布,初期峰值温度在D P590/D P590接触面,热量主要靠中板传导,首先使中板中下部熔化形核,随后熔核向D P590/D P590接触面和上板生长,整个焊接过程中熔核在水平方向上的生长速度大于竖直方向上的生长速度,高温在厚板的较多分布使熔核向厚板发生偏移.(5)焊接过程初期接头受压应力,随着熔核的形成,内部受到的压应力减小,母材和热影响区受到的拉应力增大,应变最早在D P590/D P590接触面产生,且随时间增加而增大,并逐渐扩展到中板㊁D C01/D P590接触面和电极与工件接触边缘,2003 中国机械工程第34卷第24期2023年12月下半月整个焊接过程中应变的最大值一直出现在温度最高处.参考文献:[1]㊀郑德兵,柳一凡,吴纯明,等.第3代高强钢Q P980冲压稳定性研究[J].模具工业,2015,41(2):16G18.Z H E N GD e b i n g,L I U Y i f a n,WU C h u n m i n g,e ta l.S t a m p i n g S t a b i l i t y S t u d y o fQ P980,a n dG e n e r a t i o nH i g hGs t r e n g t hS t e e l[J].M o l dI n d u s t r y,2015,41(2):16G18.[2]㊀MO V A H E DP,K O L A H G A RS,MA R A S H I S,e ta l.T h e E e f f e c t o fI n t e r c r i t i c a l H e a t T t r e a t m e n tT e m p e r a t u r eo nt h e T e n s i l e P r o p e r t i e sa n d W o r kH a r d e n i n g B e h a v i o r o f F e r r i t eGM a r t e n s i t e D u a lP h a s eS t e e l S h e e t s[J].M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g iGn e e r i n g:A,2009,518(1/2):1G6.[3]㊀K HA N M I,K U N T Z M L,Z HO U Y.E f f e c t so f W e l d M i c r o s t r u c t u r e o nS t a t i c a n d I m p a c tP e r f o r mGa n c e o fR e s i s t a n c eS p o t W e l d e dJ o i n t s i n A d v a n c e dH i g hS t r e n g t hS t e e l s[J].S c i e n c e&T e c h n o l o g y o fW e l d i n g&J o i n i n g,2008,13(3):294G304.[4]㊀D U H u i m i n,B I J i n g,Z HA N G Y u,e t a l.T h eR o l e o f t h eP a r t i a l M e l t i n g Z o n e i nt h e N u g g e tG r o w t hP r o c e s so fU n e q u a lGt h i c k n e s sD i s s i m i l a rA l u m i n u mA l l o y2219/5A06R e s i s t a n c e S p o t W e l d i n g[J].J o u r n a l o fM a n u f a c t u r i n g P r o c e s s e s,2019,45:304G311.[5]㊀Z HA N G M,W E ID.N u m e r i c a l S i m u l a t i o no nT e mGp e r a t u r eF i l e d d u r i n g R e s i s t a n c eS p o t W e l d i n g o fD P800D u p l e xS t e e l[J].H o tW o r k i n g T e c h n o l o g y,2016.45(5):243G246.[6]㊀陶维承.不锈钢环状熔核电阻点焊工艺方法研究[D].长春:吉林大学.T A O W e i c h e n g.R e s e a r c ho nR e s i s t a n c e S p o tW e l dGi n g P r o c e s s M e t h o do fS t a i n l e s sS t e e lT o r o i d a lF uGs i o nN u c l e u s[D].C h a n g c h u n:J i l i nU n i v e r s i t y.[7]㊀Z HA N G W e i h u a,S U N D a q i a n,HA N L i j u n,e t a l.O p t i m i s e d D e s i g n o f E l e c t r o d e M o r p h o l o g y f o rN o v e lD i s s i m i l a rR e s i s t a n c eS p o t W e l d i n g o f A l uGm i n i u m A l l o y a n d G a l v a n i s e d H i g hS t r e n g t hS t e e l[J].M a t e r i a l s&D e s i g n,2015,85:461G470.[8]㊀C H E N Y.N u m e r i c a l S i m u l a t i o no nR e s i s t a n c eS p o t W e l d i n g P r o c e s so f A l u m i n u m A l l o y a n d D u p l e xS t e e lD i s s i m i l a rM a t e r i a l sU s e d f o rV e h i c l e[J].H o tW o r k i n g T e c h n o l o g y,2015,44(19):228G231.[9]㊀孙晓屿,黄雷,王武荣,等.D P780双相钢电阻点焊的数值模拟及试验验证[J].焊接学报,2016,37(4):85G88.S U N X i a o y u,HU A N GL e i,WA N G W u r o n g,e t a l.N u m e r i c a l S i m u l a t i o n a n dE x p e r i m e n t a lV e r i f i c a t i o no fR e s i s t a n c eS p o tW e l d i n g w i t hD P780D u a lGp h a s eS t e e l[J].T r a n s a c t i o n s o f t h eC h i n aW e l d i n g I n s t i t uGt i o n,2016,37(4):85G88.[10]㊀刘丽.基于试验设计与建模的车身点焊优化方法研究[D].长春:吉林大学,2019.L I UL i.S t u d y o n t h eO p t i m i z a t i o nM e t h o d o f B o d yS p o t W e l d i n g B a s e do n E x p e r i m e n t a lD e s i g na n dM o d e l i n g[D].C h a n g c h u n:J i l i nU n i v e r s i t y,2019.[11]㊀N I N S HU M A,H I D E K A Z U M.N u m e r i c a la n dE x p e r i m e n t a lS t u d y o n N u g g e tF o r m a t i o ni n R eGs i s t a n c e S p o t W e l d i n g f o r H i g h S t r e n g t h S t e e lS h e e t s i n A u t o m o b i l eB o d i e s[J].T r a n s a c t i o n so fJ WR I,2009,38(2):19G24.[12]㊀黄焕林.三层板点焊工艺参数优化的研究与应用[D].上海:上海交通大学,2009.HU A N G H u a n l i n.R e s e a r c h a n d A p p l i c a t i o n o nt h e O p t i m i z a t i o no fS p o t W e l d i n g P a r a m e t e r so fT h r e eGl a y e r P l a t e[D].S h a n g h a i:S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y,2009.[13]㊀M I R Z A E I F,G HO R B A N I H,K O L A HA N F.N u m e r i c a l M o d e l i n g a n d O p t i m i z a t i o n o f J o i n tS t r e n g t h i nR e s i s t a n c eS p o tW e l d i n g o fG a l v a n i z e dS t e e l S h e e t s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2017,92:3489G3501.[14]㊀李桂中,丁建,秦玉蝉,等.低碳钢多层板点焊动态过程测试与分析[J].焊接学报,2013,34(2):89G92.L IG u i z h o n g,D I N GJ i a n,Q I NY u c h a n,e t a l.T e s ta n dA n a l y s i s o fD y n a m i cP r o c e s s f o r S p o tW e l d i n go fM u l t i l a y e rL o wC a r b o nS t e e l S h e e t s[J].T r a n sGa c t i o n s o f t h eC h i n aW e l d i n g I n s t i t u t i o n,2013,34(2):89G92.[15]㊀白杨.非等厚铝合金电阻点焊形核过程研究[D].天津:天津大学,2012.B A IY a n g.R e s e a r c ho nt h eN u c l e a t i o nP r o c e s so fR e s i s t a n c eS p o t W e l d i n g o fN o nE q u a lT h i c k n e s sA l u m i n u m A l l o y[D].T i a n j i n:T i a n j i n U n i v e r s i t y,2012.(编辑㊀胡佳慧)作者简介:李坤航,男,1998年生,硕士研究生.研究方向为电阻点焊过程虚拟仿真研究.EGm a i l:745471312@q q.c o m.吴㊀玮(通信作者),女,1970年生,教授.研究方向为特种焊接及无损检测研究.EGm a i l:w e i w u@c q u t.e d u.c n.3003三层异种不等厚钢电阻点焊多场耦合模拟与分析 李坤航㊀张思琦㊀吴㊀玮等。
焊接过程中的数值模拟计算
=
一
) 十] 考- + 抛 g 善 (++] + 雾 鲁
作用的规律 ,包括 :
1. )热流 边界 条件 如前面所述 ,由于 在试 验 时 ,保 持焊 枪 不 动 而 工件 移 动 ,
OT 2
O2 T
+ +
动量方程 :
X方向:
图 3数值模拟 结果与实验验证比较
20 9一
维普资讯
的部位有 关 ,因为周 围气体 流 动特 性不
一
程本质的基础 上 ,建立 了熔池热场 与流场 的三维瞬态模型 , 模型充分 考虑 到热传导 、 对流、蒸发、辐射 和熔化散热等 众多物理
— —
的分量 ,
计算 的精 度 ,节省 计算 时 间 ,在 电弧加 热的区域 ,网格划分细 密,而其它 区域则 采用自由网格划分方式 , 总节点数为2 ,0 70 0 个 ,中间区域 的节 点数为 9 0 0 。 ,0 个
焊 接刚开始时 ,温度场是 不稳定 的 ,
密度;
粘度;
( sp o esn 。 Po t r c s i g)
焊接 过 程 由于速 度快 , 时 间短 .熔 池 成开 迅 j
速 .所 以对罅 池形 患的研 究就 显得 非常 复杂 本文主要 是在芹析 T I &焊熔池 中流体 流动 殪传 鹅过程 末质的 基础 上 , 立熔 池的 鼓学楗 型 . 建 特 别 对温度 埽 模型进 行 了有限 元化 处理 ,井
L 整个系统 离散 为有限个元素 t . 2 利 用能量最低 原理 ( ni1 . Mi 1 um 3 P tn ilE eg e r oe t n r y Th o y)与泛函数值 a
[工学]第4章焊接数值模拟技术
第4章技术陈波4.1 引言.数值模拟在当代科技发展中的地位1随着计算机技术和计算方法的发展,复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解,数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。
数值模拟技术受到重视的原因⏹由于系统越来越高性能化或复杂化,单纯的试验已难以使严峻的状况重现出来。
⏹有些问题只能使用数学模型方能明了其状况。
⏹计算机的性能已经大大提高和普及。
2. 模型和数学模型1)物理模型2)数学模型3)描述模型模型是对客观世界的特征和变化规律的一种定量的抽象。
1)物理模型静态模型:如比例模型动态模型:类比模型3)描述模型用语言(自然语言,程序语言)描述的系统模型。
如:专家系统3. 数值方法用数值解法求解微分方程组。
1)差分法2)有限元法3)数值积分法4)蒙特卡洛法1)差分法用差商代替微商,把微分方程变为差分方程来求解。
2)有限元法⏹有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素,即单元,就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
⏹将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。
从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
有限元分析的基本步骤第一步,建立积分方程。
根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理,建立于微分方程出编制问题等价的积分表达式。
这是有限元法的出发点。
第二步,区域单元剖分。
根据求解区域的形状及世界问题的物理特点,将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。
有限元分析的基本步骤第三步,确定单元基函数。
根据单元中节点数目及对近似精度的要求,选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。
第四步,单元分析。
将各个单元中的求解函数用单元及函数的线性组合表达式进行逼近;再将近似函数代人积分方程,并对单元区域进行积分,可获得含有待定系数(即单元中各节点的参数值)的代数方程组,成为单元有限方程组。
高强度汽车钢板DP980电阻点焊数值仿真与工艺研究
高强度汽车钢板DP980电阻点焊数值仿真与工艺研究作者:何国强韩路胡磊李陈子强徐银银来源:《时代汽车》2024年第14期摘要:研究高强度汽车钢板DP980双相钢电阻点焊质量的影响因素,为实际生产提供参考,以厚度为1mm的DP980钢板为对象,利用有限元软件建立了电阻点焊过程的轴对称有限元模型。
通过模拟点焊熔核的形成过程,研究点焊过程中温度场和应力场的分布特征,并确定点焊熔核直径和抗剪强度指标。
实验结果表明:点焊接头的剪切强度受到熔核尺寸的影响,熔核直径与点焊接头的剪切性能呈非线性关系;数值仿真结果显示熔核直径最大值和残余应力最大值随焊接电流的增大呈增加趋势;通过对点焊接头拉伸、剪切载荷作用下的应力状态建立数学模型分析,DP980点焊接头界面断裂模式到熔核拔出模式的临界熔核直径为4.695mm。
关键词:DP980 焊接电流熔核直径熔核拔出1 引言节能环保是现代汽车工业迫切需要解决的问题,为了平衡车辆安全与节能环保,在保证碰撞安全的前提下,减轻车身重量是被广泛接受的有效途径之一[1]。
此外,采用先进的高强度钢板代替传统的低碳钢板,对于减轻车身重量和提高汽车结构强度具有更重要的意义[2]。
在各种先进的高强钢板中,双相钢具有更好的综合性能而广泛应用于轻量化车身制造[3]。
然而,与普通钢相比,双相钢含有更多的Si、Mn等合金元素,这可能导致成分偏析、硬化、脆化等焊接缺陷。
因此,对点焊工艺的选择提出了更高的要求[4]。
此外,低成本、高效率的传统电阻点焊仍然是双相钢的主要连接工艺[5]。
本文以DP980双相钢为研究对象,采用热-组织-应力双向耦合模型对电阻点焊过程进行了模拟,反映焊接过程中点焊接头的熔核尺寸、温度场以及残余应力分布。
通过对DP980双相钢在一定焊接工艺下的熔核直径抗剪强度的计算、模拟和实验,为轻量化汽车发展中DP980电阻点焊工艺提供指导。
2 电阻点焊数值模拟2.1 材料与模型1mm厚DP980钢板的化学成分和力学性能如表1和表2所示。
焊接数值模拟
电阻点焊过程数值模拟技术研究进展及应用摘要:数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。
详细介绍了电阻点焊过程数值模拟技术的研究现状和进展及其工业应用。
并指出了电阻点焊过程数值模拟及应用的发展方向。
1 引言电阻点焊以其生产效率高、焊接质量易保证、易实现自动化等优点而在汽车、航空及航天等工业领域获得了广泛的应用【1】。
然而电阻点焊又是一个高度非线性的电、热、力等变量作用的耦合过程,其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等,且电阻点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给试验研究带来了很大困难,使人们对电阻点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。
计算机技术和数值模拟技术的发展为电阻点焊研究提供了有效的理论分析手段,国内外的学者一直在尝试利用数值模拟的方法来研究点焊过程,已相继建立了许多数值模型,并取得了很多突破。
2 点焊过程数值模拟分析方法的演化过程【2】数值模拟技术应用于电阻点焊源自20 世纪60 年代,研究者们依据描述力、热、电过程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设,建立了点焊过程的数学模型,进而用数值模拟的方法对点焊过程温度场、电流场、电势和应力、应变场进行求解,用以研究点焊过程机理。
其分析方法从有限差分发展到有限元,模型从一维发展到三维,从单场分析发展到多物理场耦合分析,考虑的因素越来越多并且越来越接近实际。
学者Chang 【3】对此有过详细的总结。
总的来说,点焊数值模拟分析方法的演化大致可以分为以下4个阶段。
(1)有限差分法【3】。
有限差分法在早期对碳钢电阻点焊电热分析中应用得非常多。
其优点是计算简单,收敛性好,但是有限差分法无法求解力学问题。
因此,焊接过程中的力效应和热电效应的相互作用无法通过有限差分法来表征和求解。
(2)有限单元法【3】。
1984 年,学者Nied 【4】首次采用有限单元法来模拟电阻点焊过程中的预压阶段和通电阶段,他指出忽视预压阶段接触半径的变化是产生后续误差的根源,并通过计算获得了预压阶段电极和工件(E /W)及工件之间(W/W)的实际接触面积,并以此计算结果来进行热、电耦合分析。
【doc】焊接过程数值模拟热源模式的比较
焊接过程数值模拟热源模式的比较WeldingTechnologyV o1.35No.1Feb.2006?试验与研究?9文章编号:1002-025X(2006)01-0009-03焊接过程数值模拟热源模式的比较陈家权,肖顺湖,吴刚,杨新彦(广西大学机械工程学院,广西南宁530004)擅要:焊接热源模式是焊接数值模拟研究的一个重要内容.文中简要介绍了焊接过程数值模拟热源的各种加栽模式:高斯分布函数,双椭球分布函数,生死单元方法.针对具体算例,采用3种不同的热源加栽模式进行三雏焊接温度场的数值计算,并比较不同方法计算焊接温度场结果的差异.结果表明,生死单元方法是一种简单的热源加栽模式,其计算效率优于其他2种加栽方法.关t词:焊接;高斯热源;双椭球热源;生死单元;有限元中圈分类号:1'(02:TP15文献标识码:A在焊接结构设计和工艺分析中,一般是通过大量焊接工艺试验来评定工艺因素的变化对焊接残余应力和变形乃至使用寿命的影响.近年来,随着数值计算理论和有限元方法的发展以及计算机的普及和性能的提高,焊接过程的数值模拟得以实现.通过数值模拟计算,动态仿真焊接过程,预测不同焊接工艺条件下的残余应力和变形,进而实现对焊接工艺的优化设计.焊接热源模型是实现焊接过程数值模拟的基本条件.焊接热源具有电弧局部集中,瞬时和快速移动的特点,易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均匀温度场,这种不均匀温度场会导致在焊接过程中和焊后出现较大的焊接应力和变形.因此,在数值模拟计算焊接过程的温度场时,热源模型的研究至关重要,它关系到焊接温度场和应力变形的计算精度,特别是在靠近热源的地方影响更大.对此,人们提出了一系列的热源计算模式,其中应用较广的是高斯分布热源模型,双椭球热源模型和基于生死单元的焊接热源加载模型.本文采用具有高斯表面热源模型,双椭球热源模型,生死单元热源模型加载焊接热源,进行温度场的有限元计算,并时3种热源模型的计算结果作进一步比较,确定符合焊接过收稿日期:2005一o6—15;修回日期:2005—12一O5基金项目:广西自然科学基金项目(桂科自013505)程效值模拟计算的热源模型.l焊接热源基本模型1.1高斯热源模型Eagar和TsaiⅢ将焊接加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述,即焊接热源的热流密度可表示为如下高斯分布函数:g(r)=q~exp(一),(1)gm=素Q,(2)Q=,(3)式中:g为加热斑点中心最大热流密度,J/(m?S);R为电弧有效加热半径,mm:r为热源某点至电弧加热斑点中心的距离,mm:Q为热源瞬时给焊件的热能,w;为焊接热效率;(,为电弧电压,V;,为焊接电流,A.1.2双椭球型热源模型由于高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用,为了克服这个缺点,AGoldakv?出了双椭球形热源模型.这种模型将焊接熔池的前半部分作为一个1/4椭球,后半部分作为另一个1/4椭球.设前半部分椭球能量分数,后半部分椭球能量分数,2.前半部分椭球内热源分布函数:较小,即OHz处的幅频值随熔核尺寸的变化最为敏感.参考文献:【1】中国机械工程学会焊接学会电阻焊(Ⅲ)专业委员会.电阻焊理论与实践【M】.北京:机械工业出版社,1994.【2】曾鸿志.电阻点焊过程及质量控制方法的研究【J】.焊接技术,2000, 29(5):1—3.【3】应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理【M】.北京:中国铁道出版社,1983.【4】陈汉友.Matlab在数字信号处理中的应用忉.计算机与现代化,20O4, (1):103—1O5.作者简介:马铁军(1972一),男,新疆米泉人,讲师,在职博士,1995年毕业于西北工业大学焊接专业,主要从事压焊工艺与设备及压焊质量检测方面的研究.lO?试验与研究?焊接技术第35卷第1期20O6年2月gcr,=唧{-3[(詈(舌(),c4,后半部分椭球内热源分布函数:r,=唧{一3[(詈)2+(舌)+2(),c5,式(4)和式(5)中的a,6,C,Cr可取不同的值,它们相互独立.在焊接不同材质时,可将双椭球分成4个1/8的椭球瓣.每个可对应不同的a,6,Cf,cr值.1.3生死单元热源加载高斯,双椭球2种热源模型将焊接热流直接施加在整个焊件有限元模型上,不能模拟焊缝金属熔化和填充,无法模拟实际焊接过程,而生死单元能够克服这个缺点.生死单元技术搠就是采用生死单元模拟焊缝填充的方法来模拟焊接热输入过程.通过试验测量,将全部焊接热Q均匀分布在焊缝上,假设所有焊缝单元在计算前是不激活的.在开始计算前,将焊缝中所有单元"杀死".在计算过程中,按顺序将被"杀死"的单元"激活",模拟焊缝金属的填充.同时,给激活的单元施加生热率(日GEⅣ),热载荷的作用时间等于实际焊接时间. HGEN--Q/(A=~xvxdt),(6)式中:HGEN为每个载荷步施加的生热率,w/m;A为焊缝的横截面积,m;为焊接速度,m/s;dI为每个载荷步的时间步长,8.2焊接叠度场的有限元计算2.1物理模型焊接温度场模拟计算所采用的焊板尺寸为200mmxT.00mmx6mm,如图1所示.试样材料为s355K2G3碳锰钢(BS426o Grade50D,相当于国内16Mn钢),材料的比热容和热导率随温度变化曲线如图2所示.材料的密度近似为常数.lZP7800I~Jm3.焊板由2块200mmxl00minx6lnln钢板焊接而成,为保证焊透,在钢板待焊边上加T60o坡口.焊接采用Co2+混合气体保护焊,焊接参数为:焊接电流180A,电弧电压20V,焊接速度4.8mm/s,焊接热输入O.75kJ/ram,焊接效率',=0.825,焊缝的几何模型与实际焊缝尺寸一致.在本次数值计算中,假定焊板表面与空气的换热系数为15w/(m2?℃).啊1爆接试样尺寸凝萁羹置厦/啊2材辩比热軎和热导搴2.2有限元模型由于采用3D几何模型,所以划分有限元模型时采用8节点热单元SoHd70.为保证焊缝及其附近高温区域得到较精确的温度分布,采用了较小的尺寸单元,焊板有限元模型如图3所示,其中包括13100个单元,19392个节点.E3霹板有限元曩型2.3焊接热源模型的处理2.3.1高斯分布函数的热源模型高斯热源按表面移动热流处理,在ANSYS中按热流率加载,用函数加载功能将高斯热流加载在焊件表面,每一步计算前,先删除上一步热流,再重构高斯函数,对于高斯热源,R= 5.5mm,通过计算,得出:q*---9.4xl05ce-~'.2.3.2双椭球形热源模型双椭球形热源按内热源处理,在ANSYS中按生热率(日GEⅣ)加载,用函数加载功能将双椭球形热流加载在焊件上,在每一步开始计算前,先删除上一步生热率.然后重构双椭球函数,双椭球形热源的几何参数:f:o.6,=1.4,5mm,b=5mm,cf=3.75mm,c.5mlrl.前半部分椭球内热源分布函数为:fr22211)=8.8xl叫I()+()+(0--~375川,(7)后半部分椭球内热源分布函数为:fr2221tg(r)叫一3.x)+()+()J0(8)2.3.3生死单元焊接热源加载在开始计算前,将焊缝中所有单元"杀死",相当于焊前的装配状态.在计算过程中,按顺序将被"杀死"的单元"激活",模拟焊缝金属的填充,同时给激活的单元施加生热率(HGEN),其中生热率(HGEN)的作用时间为每步的焊接WeldingTechnologyV o1.35No.1Feb.2006?试验与研究?11时间,每一步计算完成之后,删除该步的生热率,重新进入下一步加载计算,得到HGEN--6.6xl09.2.4计算结果与分析分别采用3种不同的焊接热载荷的施加方式,进行了焊接温度场的数值模拟计算.3种热源的焊接熔池某个时刻剖面温度场云图结果如图4所示.从图中可以看出,在焊接热参数输入一致的情况下,高斯热源和双椭球形热源计算出的焊件底部温度均低于金属的熔点(1435℃)四,未能达到真正焊透的效果,而采用生死单元技术施加热载荷,焊件表面至焊件底部的温度都能达到金属的熔点,确保整个工件能被焊透,从而能够较好地模拟深熔型焊缝的温度场.图5为焊板上参考点的温度循环曲线,其中,点A及点剧匈位于焊缝位置,.3种热源模式计算的各点温度循环特征相似, 随着热源的接近和离去,参考点的温度迅速上升和下降,3种热源比较相似,但各点的最高温度有所差异,以生死单元方法为最高,高斯热源次之,双椭球形热源最低.通过比较不同热源模型加载条件的计算时间,发现在计算机配置不变的情况下,生死单元法的计算时间最短,为85rain,高斯热源次之,为125min,双椭球形热源为180min,因此采用生死单元法的计算效率明显高于其他2种热源的计算效率. WOD札5ouffrlOXS丁E}-5SU譬?lTI如E-.41666"7TIE/qP(^V6'RSYS-OS知阿2OSID:tl268——E:::::::::::r二::.=:.::=:.:—●20338657.5976.3l454(a)高斯热源0l6032048064O时间/s(a)高斯热源—一l26820297r7485l(b)双椭球形热源圈4焊接熔池形状比较016032048064O时间/s(b)双椭球热源豳S参考点计算焊接温度变化历程3结论采用ANSYS有限元软件对不同焊接热源加载模式的温度场进行计算,并对计算结果加以比较.结果表明:①用高斯分布的表面热源分布函数计算,引入材料的非线性,可模拟焊接温度场,但未考虑电弧挺度对熔池的影响.②由于双椭球热源模型是一种体热源,热流密度函数复杂,参量较多,因此计算结果比高斯热源准确,但计算时需不断重构焊接移动热源的分布函数,导致计算量增加.③应用生死单元方法加载,能够有效地模拟焊缝的形成过程和焊接热载荷的输入,而且这种处理方法较构造焊接热流密度函数的方法简单,更适用于复杂结构的焊接过程模拟, 且计算效率和精度均高于前2种方法.参考文献——:::l二:=:::::二:.:一::.:一2O4l2.58051324l787(c)生死单元热源加载o16032048064O时间/s(c)生死单元热源加载[1】EagerTW,TsaiNS.Temperaturefieldsproducedbytraveling distributedheat8ource$[J】.WeldingJournal,1983,62(12):346—355.【2】GoldakA,ChakravartiAandBibbyM.Adoubleellipsoidfinite elementmodelforweldingheatsources[Z].11wDoe.,1985.【31GoldakA,ChakravartiAandBibbyM.Anewfiniteelementmodel forweldingheatsoul'ces[J].MetTrans.1984,13(15B):299—305.【4】陈家权.基于单元生死的焊接温度场模拟计算[J】.热加工工艺,2O05, 34(7):64—65.【5】张树华.TC4,16Mn合金及Al陶瓷的高温弹性模量Ⅱl高压物理学报,1999,9(2):133—137.^P£PS啪嚣蝴伽咖咖猢湖伽o222llp\趟赠咖咖鲫枷抛咖咖鲫枷猢o,'}ll\魁赠湖瑚咖聊姗瑚咖姗瑚0222llll魁赠。
电阻点焊过程中压紧力的数值模拟及实验分析
电阻点焊过程中压紧力的数值模拟及实验分析林景凡;曹璟玉;刘鹏;张瑞鹏;刘萌【摘要】电阻点焊是弹体与减旋片连接的重要工艺,点焊过程中焊接压紧力的大小直接影响焊点的质量,从而影响弹体运行的参数.通过对弹体与减旋片施加压紧力的不同进行了数值模拟,分析不同压紧力下的变形量,得到保证焊点质量下的最优压紧力范围.针对弹体与减旋片的加工工艺,研制了专用数控点焊机并进行实验.结果表明,当压力为300 N时,径向变形量为0.28 mm,超出焊接过程中对焊点质量的要求.综合有限元模拟及实验结果,得到焊接时最优压紧力为250 N.%Resistance spot welding is an important process of connecting the projectile with the reduction vane.The size of the welding pressure during the spot welding directly affects the quality of the welding spot,thus affecting the parameters of the projectile.Numerical simulation was made on the difference of the pressing force between the projectile and the rotary vane.The deformation under different pressing force and the maximum internal stress on the workpiece were analyzed.The optimal compressive force range were obtained.Aiming at the machining process of the projectile and the rotary vane,a special NC spot welding machine was developed.The results show that when the pressure is 300 N,the radial deformation is 0.28 mm,which exceeds the requirement of welding joint quality in the welding process.Based on the finite element simulation and experimental results,the optimal pressing force is 250 N.【期刊名称】《高师理科学刊》【年(卷),期】2018(038)012【总页数】3页(P39-41)【关键词】电阻点焊;压紧力;数值模拟;数控点焊机;压紧力优化决策【作者】林景凡;曹璟玉;刘鹏;张瑞鹏;刘萌【作者单位】齐齐哈尔大学机电工程学院, 黑龙江齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学机电工程学院, 黑龙江齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学机电工程学院, 黑龙江齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学机电工程学院, 黑龙江齐齐哈尔 161006;齐齐哈尔大学机电工程学院, 黑龙江齐齐哈尔 161006【正文语种】中文【中图分类】TH122现代制造业多数的零部件都是采用传统的点焊法连接而成,电阻点焊在工业领域应用非常广泛[1].电阻点焊较之手弧焊、气焊先进可靠,同时更易于实现自动化,且在多数部位是其它连接方法不可替代的.电阻点焊被认为是制造业中最重要的连接工艺,尽管有激光束焊接和粘结剂粘接等新技术,但点焊仍然会保留其稳固的地位[2].电阻点焊过程是一个具有高度非线性的多物理场耦合的复杂过程,涉及了力、热、电、磁和冶金等多种因素[3].兵器工业制造炮弹的过程是一项简单、枯燥、单调的工作,且人工点焊浪费严重、轨迹不均、效率不高,宜采用数控焊接机来完成这项工作.末敏子弹药和某些弹道修正弹需要将高速旋转的弹体迅速降至所要求的转速,常在总体布局上设置减旋片等部件[4-5].弹体和减旋片焊接的过程中,焊接的压紧力是影响焊点质量的一个重要参数[6]555,而针对弹体和减旋片焊接时压紧力的分析并未见报道.本文通过对焊接时压紧力的数值模拟,得到该工件保证焊点质量的最优压紧力范围,再利用专用数控点焊机进行实验验证,从而得到最优压紧力.1 压紧力分析方法由于在电阻点焊的过程中,要保证焊接时所需要的接触电阻[7-8],所以,会对弹体与减旋片施加压力,使工件紧密地接触在一起,而这个压紧力的大小以及保持时间非常重要.因此,选择一个合适的压紧力是保证焊点质量的关键.经过分析,认为可以有3种方法解决[9].1.1 理论分析法通过建立弹体与减旋片的理论模型,利用弹性力学中的薄壳理论来分析,得到一个解析解.1.2 有限元分析法利用有限元的方法,建立弹体与减旋片的有限元模型,分析在不同压紧力的情况下,满足焊点处的变形量、径向拉脱力等指标下,对比得出一个最优的压紧力值.1.3 试验法进行设计试验,在不同的压紧力下对弹体与减旋片进行焊接试验,从而得到最优的压紧力值.本文采用有限元法来模拟分析压紧力的最优值,再利用实验进行验证模拟值的准确性.2 有限元模型的建立2.1 典型零件减旋片长度246 mm,厚度0.8~1 mm,材料为10#钢.弹体直径88 mm,高度400 mm,壳体厚度5 mm,材料为20#钢,热处理HRC37-42.以典型零件(见图1)为例,每个壳体均匀地焊接4个减旋片,每个薄片上有2排焊点,第1排21个,第2排5个.图1 典型零件模拟弹体与减旋片在静力加载的工况下,焊接压紧力分别为100,150,200,250,300,350,400,450,500 N,焊接零件的径向变形量.根据焊接过程中对焊点质量的要求[6]556:所有点焊处,壳体均不许被击穿和产生内壁金属突起,焊接零件的径向变形量应小于0.25 mm.以此作为有限元模拟的结果依据,研究不同的压紧力对径向变形量的影响,并得到关系曲线.2.2 载荷与边界条件在SolidWorks软件中建立弹体与减旋片的三维模型并生成通用格式X-T,利用AbaqusCAE中standard/explicit仿真模块进行分析.建立解决方案,为材料定义属性,弹体材料为20#钢,弹性模量206 GPa,泊松比0.3;减旋片的材料为T10钢,弹性模量201 GPa,泊松比0.3[10].在分析步中设置通用静力学分析步中的“静力,通用”,为保证云图和X-Y图计算精度设置场变量与历史输出变量.场变量输出是对空间位置变化的描述,历史输出变量是对时间变化的描述.对几何体进行理想化后,选择四面体网格,进行网格划分,划分后的结果见图2.为保证载荷作用在减旋片上创建集管理器.定义接触及边界条件:由于弹体和减旋片的弧度一致,可以直接定义接触.为保证实验与模型边界条件的一致性,实验中弹体和减旋片要装夹在点焊机上焊接,模型中弹体两边设置为完全固定,实验中减旋片是靠专用夹具固定在弹体上,模型中减旋片与弹体用Tie链接.图2 网格划分结果3 有限元结果分析对焊点位置施加压力载荷,然后定义多个分析步,每个分析步的压紧力载荷分别为100,150,200,250,300,350,400,450,500 N,模拟结果见图3.施加压紧力进行分析后,得到焊点处的变形量随压紧力变化曲线(见图4).从图4中可以看出,焊点处的变形量随着压紧力的变化不断增加,在压紧力较小时,变形量的增大趋势缓慢,当压紧力在250~300 N之间时,变形量的变化趋势突然增加,这个值域是临界范围,此时,受力变形量的最大值为0.199 2 mm.图3 有限元模拟结果图4 焊点处的变形量随压紧力变化曲线4 实验验证针对典型零件研发了专用数控点焊机,专用于弹体与减旋片之间的钨极氩弧焊.专用数控点焊机的结构见图5.对典型零件进行实验,生产效率:10.5 min/件,焊接时间为5.3 s/点(由氩弧焊机控制).在有限元分析的最优压紧力的范围内分别取200,250,300 N进行实验,得到相应压力下的径向变形量.当压力为300 N时,径向变形量为0.28 mm,超出焊接过程中对焊点质量的要求.综合考虑变形量实验的结果,在满足焊点质量的情况下,最优焊接压紧力为250 N.图5 专用数控点焊机的结构5 结束语(1)通过对弹体和减旋片焊接压紧力的有限元模拟,分析了不同压紧力下变形量的变化.变形量随着压紧力的增加而变大,在100~200 N时,趋势缓慢,而在200~300 N后,趋势急速增加.所以,得到最优压紧力的范围200~300 N. (2)根据弹体与减旋片的工艺要求,研发了专用数控点焊机进行钨极氩弧焊实验.结果表明,当压力为300 N时,径向变形量为0.28 mm,超出焊接过程中对焊点质量的要求.综合有限元模拟及实验结果,得到焊接时最优压紧力为250 N.参考文献:【相关文献】[1] 刘波.压力电阻点焊机焊接316(Ti)不锈钢板状件的工艺研究[J].机械,2015,42(5):59-63[2] 康丽齐,邵有发,魏良,等.电阻点焊在不锈钢轨道车辆上的应用研究[J].电焊机,2018,48(3):349-353[3] 罗保发.电阻点焊组织预测和质量控制研究[D].天津:天津大学,2008[4] 欧方明.弹体高速入水特性实验研究[J].科技展望,2014(19):153[5] 丁则胜,刘亚飞,徐琴,等.弹体及减旋片滚转阻尼实验研究[J].弹道学报,2001(1):62-65[6] 王珉,薛少丁,蒋红宇,等.飞机大部件对接自动化制孔单向压紧力分析[J].南京航空航天大学学报,2012(4):553-558[7] 彭扬文,王银军. 焊接电流及压力对QStE340TM电阻点焊接头性能的影响[J].热加工工艺,2017,46(15):231-233[8] 孙海涛,王爵丰,马强.电极压力对三层超厚高强钢板电阻点焊质量的影响分析[J].热加工工艺,2017,46(3):235-237[9] 毛书勤,刘剑,伍雁雄.焊接方法对焊点质量的影响研究[J].电子工艺技术,2013,34(3):148-150[10] 张思婉,董天立.材料弹性模量实验台的研究[J].襄樊职业技术学院学报,2011,10(1):28-30。
焊接数值模拟PPT课件
;
3 K R02
z 0, H
q(x,
y,
z)
Q πR02 H
x2 y 2 R02 , z 0, H
所需给定的初始参数
热源总功率 Q = 3 500 W 热源高度 H = 0.01 m 热源开口半径 R0 = 0.003 m
热源总功率 Q = 3 500 W 热源形状参数 a = 0.003 m b = 0.010 m
3 R02
q(x, y, z) q(0,0,0) e3x2 / a2 e e 3z2 / b2 3 y2 / a2
q(0,0,0) 6 3Q a2bπ π
q(x, y) qm eK x2 y2
QK qm π
;
K
3 R02
q(x, y, z) qm eKx2 y2
qm
QK πH
For a review of the subject, see: T. DebRoy, Role of Interfacial Phenomena in Numerical Analysis of Weldability, Mathematical Modelling of Weld Phenomena II, The Institute of Materials, London, (1995) pp. 3-21.
• 焊接熔池中的流体动力学和热过程 • 热源与金属的相互作用
– 焊接电弧物理,焊接电弧的传热与传质
• 电弧作用于熔池表面的热能和压力分布 • 熔池表面的变形 • 液态金属的蒸发 • 氢及氮氧等在熔池及环境之间的分配
• 焊接冶金和焊接接头组织性能的预测,包括相变过程 • 焊接应力与变形 • 焊接过程中的氢扩散 • 特种焊的数值模拟
焊接过程的数值模拟
《焊接过程的数值模拟》课程简介课程编号:02044906课程名称:焊接过程的数值模拟/ Numerical simulation of welding process学分:2学时:32 (课内实验(践):上机:16 课外实践:)适用专业:焊接技术与工程专业建议修读学期:7开课单位:材料科学与工程学院材料加工工程系课程负责人:卢云先修课程:焊接冶金学、计算机基础、VB语言及程序设计考核方式与成绩评定标准:采用平时成绩+上机考试成绩相结合的方式,平时成绩占课程考核成绩的50%,平时成绩考核采用作业、上机实验和报告相结合的方式;上机考试成绩占课程考核成绩的50%。
教材与主要参考书目:主要参考书目:1、焊接数值模拟技术及其应用,汪建华,上海交通大学出版社,20032、计算材料学,D.罗伯编著,项金钟、吴兴惠译,化学工业出版社,2002内容概述:本课程初步介绍焊接过程中数值模拟技术的一些基本原理,基本方法,研究进展和研究内容。
初步探讨使用有限元软件作为平台实现焊接的数值模拟过程。
重点介绍焊接热传导在有限元程序中的使用及应用。
通过本课程的学习,使学生了解焊接数值模拟的基本方法,学会综合运用其它方面的知识来实现简单焊接过程的数值模拟,并能够对模拟的结果进行有效的分析。
初步具备分析和解决焊接工程问题的能力。
This course introduces some basic principles, methods, research progress and contents of the numerical simulation technology in the welding process. The realization of numerical Simulation of welding based on finite element software platform is also discussed briefly. The application of welding heat conduction in the finite element program is emphasized on. Through this course, the students should understand the basic methods of numerical simulation of welding, learn the integrated use of the knowledge of other aspects to achieve a simple welding numerical simulation, and can effectively analyze the simulation results. This course is to present the practical analysis and solve for welding engineering problems.《焊接过程的数值模拟》教学大纲课程编号:02044906课程名称:焊接过程的数值模拟/ Numerical simulation of welding process学分:2学时:32 (课内实验(践):上机:16 课外实践:)适用专业:焊接技术与工程专业建议修读学期:7开课单位:材料科学与工程学院材料加工工程系课程负责人:卢云先修课程:焊接冶金学、计算机基础、VB语言及程序设计一、课程性质、目的与任务《焊接过程的数值模拟》是焊接技术与工程专业教学体系中的选修课程。
高强钢电阻点焊数值模拟及金相研究
高强钢电阻点焊数值模拟及金相研究周国荣【摘要】针对常用的超高强度钢点焊件进行研究,利用有限元软件对1.5 mm厚的超高强度热成形钢点焊熔核的形成过程进行了数值模拟,对点焊过程中的温度场分布进行了详细的分析,分析了熔核的生长规律和影响因素.通过点焊接头的金相组织研究了焊接接头不同区域的金属组织,发现点焊热影响区可以分为不完全重结晶区、细晶区以及粗晶区;而熔核区为柱状晶形态的马氏体组织,熔核热影响区组织分布不均,夹杂着铁素体,热成形钢母材主要为比较细小的马氏体组织,硬度以及强度都很高.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】3页(P142-144)【关键词】高强钢;电阻点焊;数值模拟;金相分析【作者】周国荣【作者单位】上海华谊工程有限公司,上海200241【正文语种】中文【中图分类】TG440 引言轻量化是当今工业界的发展趋势,采用先进的热成形技术生产制造的超高强度热成形钢因为具有极高的强度以及硬度在汽车、航天航空、能源等行业中得到了越来越多的应用[1]。
电阻点焊技术则由于具有较高的效率以及易于自动化特别适用于高强钢与高强钢或高强钢与普通碳钢间的连接使用。
由于高强钢生产制造技术还处在发展阶段,而电阻点焊过程的不可见性、在焊接时存在热影响区软化以及焊接飞溅等问题都直接影响着高强钢电焊接头的强度,所以采用有限元建模的方法进行数值模拟有利于掌握电阻点焊熔核形成过程中的变化情况,对于优化焊接工艺参数,提高焊接构件之间的连接强度,制定适合于实际生产需要的焊接标准具有十分重要的意义[2]。
1 数值模型电阻点焊的过程中伴随着热的产生、电流的传导以及塑性变形,所以电阻点焊过程中主要涉及到电传导方程、热传导方程以及力学方程[3]。
1.1 热电力三场耦合方程在ABAQUS中对热电力三场的耦合过程涉及到热力之间的耦合以及热电之间的耦合。
其中,对于热力耦合,ABAQUS使用Newton方法来进行温度位移之间的耦合,可以用雅克比矩阵来描述[4],如式(1)所示。
数值模拟
数值拟技术的发展现状随着现代科学技术在计算机领域的的不断发展,数学模型和数值模拟技术的地位越来越重要,尤其在工程学领域,是必不可少的。
当然,近20年来,随着计算机技术的飞速发展,国内外研究者开始用计算机对焊接进行数学模拟研究,以此来准确的分析焊接中的一些现象。
焊接数值模拟技术的发展使得在焊接技术有了突破性的发展。
更为重要的是我们知道焊接是一个牵涉到电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等,要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。
因此通过对设计和制造工艺参数的正确选择来控制这些冶金变化以及焊接应力和变形,才能设计出合适的焊接接头形式,选择合理的焊接规范和预热温度等,而自动化焊接的范围在很大程度上将决定于焊接模拟技术。
此外,数值模拟技术也广泛的应用于分析焊接结构和接头的强度和性能等问题。
焊接工艺过去一般总是凭经验的,通常是通过一系列实验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构。
例如,利用实验方法确定电弧焊连接普通钢板的最佳焊接条件是简便的。
然而从发展来看,数值模拟的方法越来越起重要作用。
例如用新的高强钢或其它材料造新的工程结构,特别如潜艇、反应堆元件等重要结构,没有多少经验可以凭借,如果只依靠实验方法积累数据需要化很长时间和经费,而且任何尝试和失败,都将造成重大经济损失。
此时数值方法将发挥其独特的作用和优点,只要通过少量验证实验证明数值方法在处理某一问题上的适用性,那么大量的筛选工作便可有计算机进行,而不必在车间或者实验室进行大量的试验工作。
这就大大的节约了人力、物力和时间,具有很大的经济效益。
因此,计算计数值模拟方法为焊接科学技术大发展创造了有利的条件。
一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计,最佳工艺方法和焊接参数。
在计算机技术日益发展的今天,采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展,数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域,并取得了突出的成绩,然而我偶们看到这些研究只是初步的,还有许多深入的研究工作需要去做。
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究1.引言焊接是一种常用的金属连接方法,在工业生产中应用广泛。
焊接材料的成型加工过程决定了焊接接头的质量和性能。
为了提高焊接接头的质量和效率,需要进行数值模拟和仿真分析,以预测焊接过程中的温度场、应力场、相变和变形等物理现象,并优化焊接参数和工艺。
本文将重点介绍焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析的研究方法及其应用。
2.数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法,它将连续的物理领域离散化为有限数量的小单元,通过求解这些小单元上的方程组,得到整个物理领域的解。
在焊接材料成型加工过程中,可以将焊接区域划分为多个小单元,根据材料的热传导、应力-应变关系和相变规律,建立有限元模型,并求解温度场、应力场和相变变化等。
有限元方法可以对焊接过程中的多个物理现象进行耦合分析,提供详细的信息,对焊接过程进行准确的数值模拟。
2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法是一种求解流体动力学方程的数值方法,可以用于模拟焊接过程中的流动和换热现象。
在焊接过程中,熔化金属的流动对焊接接头的形成和质量有重要影响。
计算流体力学方法可以建立焊接过程中的流动模型,模拟熔融金属的流动和焊接池的形成过程,从而预测焊接接头的形态和性能。
计算流体力学方法在焊接过程中的应用主要包括熔化金属的流动和焊接池的形成、焊接接头的形态和质量预测等方面。
2.3 相场模型相场模型是一种描述各相界面和相变过程的数学模型,适用于焊接材料成型过程中的相变和相界面追踪。
相场模型通过引入一个连续的相场函数,描述了相变系统中每种物质的存在程度,并与守恒方程和变分原理相结合,建立了相变系统的方程组。
在焊接材料成型加工过程中,相场模型可以用于预测焊接材料的熔化、凝固和晶体生长等相变过程,研究焊接接头的形态和组织演变。
3.仿真分析方法3.1 温度场分析温度场是焊接过程中的重要参数,直接影响焊接接头的组织和性能。
紫铜电阻点焊电极温度场模拟及结构改进
图7热流不变下温度场图8降低热流量后温度场图1美国焊接协会标准复合电极图2日本复合电极帽图3电极有限元单元图图4电极有限元边界条件加载图5温度场分布图图6热流矢量图紫铜电阻点焊电极温度场模拟及结构改进杨淼森1、2,王伟光3,岳燕星4(1.哈尔滨职业技术学院,哈尔滨150040;2.哈尔滨理工大学,哈尔滨150080;3.哈尔滨电气动力装备有限公司,哈尔滨150040;4.黑龙江职业学院,哈尔滨150080)摘要:使用钨作为电极,可以实现纯铜零件的点焊,但对电极的散热能力提出了更高的要求。
使用Ansys 软件,按照长时间工作工况对钨-铜复合点焊电极进行温度场模拟,分析稳态下标准形状电极的散热能力及散热瓶颈位置,针对分析结果,对电极的散热结构进行优化,通过稳态温度场来分析改进结构后的温度场分布,以冷却水沸点为标准,计算了钨极端面的热输入平均值。
发现采用钨-铜复合结构的电极时,热量在钨极内大量积聚,钨极端面温度较高,增加铜层厚度后,散热情况得到改善,改变工作负荷,冷却水温度降低到沸点以下。
关键词:钨-铜电极;稳态;温度场;Ansys 中图分类号:TG438.2文献标识码:A 文章编号:1005-913X (2012)12-0132-01收稿日期:2012-10-25基金项目:黑龙江省材料研究与应用重点实验室开放基金作者简介:杨淼森(1980-),男,黑龙江海伦人,讲师,硕士,研究方向:材料连接。
一、序言近年来,研究人员在点焊研究中,通过数值模拟软件,对瞬态下热、电、力对电极的影响做了大量的研究,对研究不同材料的焊点形成特点,做了大量的工作,取得了大量成果。
[1-3]在现代点焊生产大多为自动化生产,工作频率高(每分钟60次以上),电极热负荷大,散热不及时将导致电极温度迅速升高,最终达到稳态。
钨电极温度达到400℃时开始氧化,到700℃形成W O 3急剧氧化。
氧化膜溶解于碱性溶液,机械强度不高,在机械作用下会剥落,造成电极磨损。
电阻焊逆变电源的simulink建模及仿真
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时间“g (a)逆变器输出电压波形
时间洮 (b)逆变器输出电流波形
,。=,l(£oNl)。此时,次级电流为
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(3)
式中:,=三l/尺l。 在下一个半周期中,因为次级回路中存在的大
电感£I,次级电流不会降至零,当f>t/2时,S2和S3 这两个IGBT被触发导通,初级电流从零上升至次级 回路电流,3,初级电流,4’由下式表示为
,4,(f)=氛1一e-“一耽)∥]。
MAⅡAB中的仿真工具对逆变电源、焊接变压器、整流器及其负载等各部分进行仿真分
析,对不同滤波电容和次级负载情况下的输出波形进行了理论分析和仿真模拟。结果
表明,滤波电容的选取,应使整流电路输出电流呈断续脉冲形态,由整流器和电容在电
压高峰和低谷之间轮流向负载供电。次级电流沿指数曲线上升,且上升速度与次级回
收稿日期:2006—03—09 基金项目:国家留学基金资助项目(20013048)
万方数据
三相桥式整流成脉动直流,经电容滤波使波形平滑 后提供给IGBT组成的逆变器。单片机控制驱动电 路使s,,s4和s2,S3交替导通和关断,从而在变压器 初级中获得交变的中频交流方波,经过变压器降压 和快速二极管D,、D2整流后,中频交变方波成为直 流脉冲方波馈送给工件。焊接电流有效值大小可通 过控制IGBT的开通和关断时间,从而控制输出脉冲 占空比的改变。
数值模拟在焊接中的应用分析
随着 对粘 弹塑 性 理论 的深 刻认 识 和有 限 元方 法 的广 泛应 用 , 虑 高温蠕 变 的粘 弹塑性 有 限元 方 考 法越 来越 多地 用于焊 接应 力分 析 。 国学者 A gr 德 ryi s 首 先 提 出用 热 弹一 粘 塑性 组 成 的方程 来 分 析 焊 接 应力 。 接着 , A N e H_ . i d采 用粘 塑性 以及对 应变 率 敏感 的材料 模型建 立 了有 限元方 程 。 文献[6根 据 2] PadlR us rn t e s 流动 法则 和 V nMi s — o s 屈服 条件 建立 e 了粘弹 塑性 有 限元方 程 , 用于计 算 奥 氏体 钢 的焊 接 热应 力和变形 , 得结果 与试验吻合得 很好 。 拿大 所 加 的 J odk等 分 析 研 究 了从 熔 点 到 室 温 时 的 焊 . la G 接 热 应力 , 出 了各个 温 度 段 的本 构 方 程 : 温 度 提 在
等 问 题 的 分 析 。 特 卡 洛 法 又 称 随 机 模 拟 法 , 对 蒙 即
向热 流忽 略 。 电 弧挺 度 较小 、 在 对熔 池 冲击 力较小 的情 况下 , 高斯 分布 的热源应用模 式较 准确 , 对高 但 能 束焊 接 如激 光 焊 、 电子 束 焊 , 斯分 布 函 数 没 有 高
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电阻点焊过程数值模拟与仿真分析技术本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、面向对象技术、可视化技术。
在前置处理中通过交互式的图形输入界面使用户能够方便、快捷的建立求解模型,用户以图形界面方式输入点焊工件、电极的形状参数、材料性能参数、焊接规范等,自由选择网格剖分的疏密程度,实现网格的自动剖分;所建立的模型数据不仅能进行存储,而且和有限元模拟计算有良好的嵌接;在后置处理中能够将有限元分析计算结果以图形方式直观地显示。
0 引言电阻点焊技术作为一种高效的薄板结构连接方法广泛应用于国民经济的各行各业,特别是汽车制造业。
具不确切统计,一辆小轿车的壳体制造就需5000-10000个焊点。
然而,点焊完成的时间很短,大约在0.2s左右完成。
因此,依靠试验的方法研究其过程行为具有很大的难度。
随着计算机技术的发展,数值模拟方法已成为分析电阻点焊过程机理的重要手段。
国内外许多学者相继建立各自的数值模型,并普遍采用有限元分析方法对点焊过程进行了模拟计算,取得了很大的进展[1-10]。
但这类工作的不足之处是研制软件的前后处理部分,需要收集整理并输入大量的原始数据,这些数据繁琐且容易出错,也因为缺乏功能完善的后处理器,也给推广使用带来了很大困难。
科学计算可视化涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域,是当前计算机应用新技术的热点之一[10]。
随着科学技术的进步,工程领域的开发研究工作越来越向定量化、精细化的方向发展,工程人员需要更详细的了解结构内部各场量的分布情况。
科学计算可视化技术凭借现代计算技术的图形能力把计算过程中产生的数据转变为直观的、易于理解的、以图形或图像形式表示的静态或动态画面,从而帮助人们有效的理解计算数据,从繁琐的数据后处理中解放出来。
本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件系统Visual SSRSW 中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、熔核形成和长大等、面向对象技术、可视化技术等。
1 系统设计与实现技术按照可视化软件的结构设计的基本要求,从用户与系统交互的角度描述了本软件的结构流程,如图1所示。
用户对系统的操作有两种途径,一是通过输入数据参数建立数值模型,系统进行数值计算,然后将结果进行处理并以图形显示的方式反馈给用户;另一方式则可以使用图形操作直接获得可视化信息。
图中的A部分构成系统的前处理模块,B部分则是系统的后处理模块,A、B及数据处理部分共同组成了系统的可视化处理模块,数值计算模块单独另置。
位于此系统中的每个模块要完成的工作既单纯又明确,且可以采用不同的编程语言独立实现。
图 1 系统的结构框架图VC++在绘图及图像处理方面的功能是非常强大的,它专门定义了一组图形对象和部件用以绘制图形或完成一些基本的图像功能。
利用这些对象、部件可以方便的绘制各种常用的图形,通过设置其属性,还可改变图形的不同风格。
对于前、后置处理模块中的所要求的功能,VC++设备描述表(Device Context)的可重用DC 类即可实现。
DC类封装了全部绘图方法和大部分GDI函数,一般不需要直接调用Windows的API函数。
在可视化处理中,除了绘图的实现方法外,还涉及到设备坐标(如显示器屏幕等)与实际坐标的映射关系,以及将设备坐标信息转换为输出数据信息这两个方面。
2 有限元数值计算技术电阻点焊过程是一个高度非线性的多因素耦合过程,涉及电、热、力、磁和冶金等诸多方面。
目前,数值分析大都采用二维轴对称模型研究点焊过程电、热、力行为的相互作用,还考虑到接触电阻等因素对点焊熔核形成过程的影响[10]。
在点焊有限元分析程序设计中,关键技术是电极与工件,工件与工件的接触问题处理。
本程序采用弹簧单元处理接触问题,当弹簧的接触力小于或等于零时,判断为分离,当弹簧力大于零时,判断为接触。
由此确定界面的接触与否。
界面电阻的处理为利用靠近界面的单元的最近高斯点的电阻率的变化模拟界面电阻。
程序设计中进行了耦合计算,考虑了接触面积对电流强度的影响,考虑了材料常数随温度的变化,以及温度变化对接触面的影响等[5-8]。
程序设计采用Fortran语言。
此语言因其高精度的数据结构和计算结构,成为分析计算类软件的经典编程语言,如著名的大型有限元分析软件ANSYS就采用了FORTRAN77语言。
然而,Fortran语言毕竟是一种面向过程的语言,其人机交互及图形处理能力并不理想,而面向对象的编程语言VC++则正好可以弥补Fortran 语言在这两方面的不足。
因此,采用VC++语言开发有限元分析软件的整体构架及前、后置处理系统,用Fortran语言独立开发数值计算程序,再运用一定的方法将它们连接为一个有机的整体。
其中,进程间通讯是这类方法中的一种行之有效的连接方法。
进程是Windows操作系统所涉及到的一个概念,是应用程序的运行实例,是应用程序的一次动态执行。
可以通过Win32 API函数::CreateProcess()创建一个新进程,调用此函数的进程称为“父进程”,而被“父进程”创立的进程则为“子进程”。
使用不同进程间通讯的方法可以开发密切相关的程序的程序组。
如图2所示,本分析软件将Visual SSRSW系统的构架(其中包括前、后置处理)主程序作为父进程,将二维轴对称热弹塑性大变形点焊过程模拟程序SPFEM作为子进程,由父进程利用菜单消息映射函数启动子进程,从而实现了点焊过程有限元分析系统的前、后置模块与模拟计算模块的集成。
该方法编程简单、思路清晰且程序的运行速度也很快。
图 2 进程间通信模型3模型建立技术--前处理模块可视化建模作为有限元分析前置处理阶段的主要内容,对于保证模拟计算系统的性能至关重要。
对建模过程的基本要求是简便、快捷,而交互技术必不可少。
交互界面设计的优劣关乎整个系统的工作效率和用户的满意程度,优秀的界面可以使用户不必关心软件本身的细节而专注于自己的目标任务。
Visual SSRSW系统是一个交互式的图形界面系统,允许用户使用交互式图形方式输入原始数据、观察图形实体及网格单元。
前置处理模块的主要功能是建立求解对象的模型,定义相应的材料属性,确定场域中各子域的空间位置及形状参数,并自动进行网格剖分,从而为模拟计算做好准备。
Visual SSRSW系统前处理的初始化参数包括点焊工件的性能参数、电极材料的性能参数、电极形状参数、焊接规范以及网格剖分数据等。
系统中对场域采用四节点四边形等参元进行网格自动剖分,对计算区域的主体部分(电极头与工件接触区域)剖分的较细密,而对其它区域则剖分的较稀疏。
为了处理工件和电极这两种介质的混合场域问题,采用弹性表面元模拟工件与工件、工件与电极间的接触状态。
网格剖分部分最后生成与模拟计算模块接口的前处理文件。
图形操作子模块可以对窗口显示的图形进行平移、缩放、打印预览及保存等操作。
为了防止误操作,前置处理模块具有回退功能,可以一直返回到参数输入的首界面,从而提高了软件的安全性。
图3表示了电极的参数化处理,便于进行网格的自动划分。
图3 典型电极的参数化设计4 结果处理技术--后处理模块有限元分析结果的可视化技术包括矢量场和标量场两大类。
矢量场有流体等物质,可视化主要使用箭头线段表示法;标量场有温度、应力应变的某一方向等,本文对有限元计算结果进行处理,包括图形显示、结果输出等,是后处理模块的主要内容。
可视化主要采用等值线、彩色云图、线架曲面图及切片图等,其中以等值线图和彩色云图最为常用。
本系统中提供了点焊熔核长大曲线图、结构变形图、等值线图及彩色云图等多种用于结果分析的后处理方法。
(1)熔核尺寸与电极位移图为了方便观察点焊熔核的长大过程,系统提供了按焊接周期显示的熔核直径、厚度的变化曲线图,另外还可以显示电极位移变化曲线。
系统中采用了两种形式绘制结构的变形图或位移图,一种是将整个网格各点的变形图都绘制出来,而另一种是只绘制结构的外框变形图。
这两种方式各有利弊,前一种方式由于绘制了各点的变形,故能反映结构各部分的变形情况,但是当网格较密时,会导致图形显示不够清晰;而后一种方式只绘制出外部框架的变形,图形很清晰,但是结构内部的变形不清楚。
故系统中提供以上两种变形图来综合反映结构的变形情况。
图4和5分别表示了材料为LY12CZ铝合金,板厚1.0mm薄板在电极压力2.5KN条件下,焊接电流对的熔核形成与长大、电极位移的影响。
计算结果很好的模拟了实际熔核形成长大与电极位移的变化过程。
图 4 点焊熔核长大曲线图图 5 电极位移曲线图(2)等值线及彩色云图为了形象、直观的描述电阻点焊过程各时刻温度、电势、应力应变及位移等场量的分布情况,系统可以绘制上述各场量的等值线及彩色云图。
等值线绘制采用网格插值法[12],其基本思路是采用插值逐个网格单元追踪每条等值线,获取各条等值线在其所穿过的单元的棱边上的坐标值。
将这些坐标值存储在动态数组或链表之中,连接各坐标点即可绘制出等值线图。
彩色云图综合运用单元填充法和扫描线法绘制。
对远离点焊内热源的单元采用单元填充法,由单元的平均值映射的颜色直接填充该区域;而对于处于点焊内热源附近的单元,由于场量值变化很剧烈,因此有必要深入单元的内部由插值计算的场量值对应的颜色绘点,形成这些单元的云图采用的是扫描线算法。
在等值线和云图的显示界面,采用从暗红渐变到深蓝的不同颜色标识场量值的大小。
鉴于篇幅不再详细讨论这两种图形的绘制算法。
图6所示为电阻点焊温度场的等温线图;图7为电阻点焊电势场的彩色云图。
图 6 点焊温度场等温线图图 7 点焊电势场彩色云图5 结论本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件系统Visual SSRSW 中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、面向对象技术、可视化技术。
采用可视化技术开发的电阻点焊过程模拟系统Visual SSRSW具有如下特点:完全可视化的前处理建模过程,用户以图形界面方式输入点焊工件、电极的形状参数、材料性能参数、焊接规范等;能够自由选择网格剖分的疏密程度,实现网格的自动剖分;可视化的后置处理方式多样,便于对计算结果进行分析处理;实现了独立开发的数值计算模块与系统的前、后置处理模块的集成。