国外电阻焊技术的最新进展

国外电阻焊技术的最新进展

07111110金晨

1电阻焊过程的计算机模拟研究

电阻焊是一个牵涉到电学、传热、冶金和力学的复杂过程，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。要得到一个高质量的焊接接头必须要控制这些因素。传统的电阻焊工艺及参数制定方法是通过一系列工艺试验和经验数据得到的。然而从发展来看，随着计算机技术的发展，数值模拟的方法将起越来越重要的作用。例如，用新的高强钢等材料制造新的工程结构，尤其是对于一些航空航天重要结构，没有多少经验可以凭借，如果只依靠实验方法积累数据要花很长的时间和经费，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能力和优点。只要通过少量验证试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由计算机进行，而不必在车间和实验室里进行大量的试验工作。这就大大节约了人力、物力和时间，具有很大的经济效益。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。此外，数值模拟还广泛地用于分析点焊接头强度和性能等方面。

由于电阻点焊熔核形成的不可见性，对其试验观测相当困难，理论模型的建立对它的分析研究具有重要价值。自1984年Nied建立的最初有限元点焊分析模型开始，至今已有不少点焊的有限元模型出现，并为实际生产提供了理论依据。

随着有限元数值模拟方法在电阻焊研究领域的深入应用，近年来国际上在此领域上的研究主要集中在以下三方面：

1.1采用电－热－力耦合有限元模拟方法

电阻点焊过程是一个存在电、热、力学和冶金现象相互作用的复杂过程，这一过程包括电场问题、热传导问题和热弹塑性变形问题，所以必须考虑所有这些问题的相互作用和耦合效应，有压力引起的工件——电极以及工件——工件界面之间的接触状态的变化，以及热变形在这些相互作用中起重要的影响，严格的说求解这样的耦合问题，应该同时求解电场、热场和力场。因此，近年来对于电阻点焊的有限元分析从原先互相孤立的电场、热场和力场分析逐步发展为电－热－力耦合分析，例如：美国学者Sun,X.用电－热－力耦合有限元模拟点焊过程熔核生长及热分布，研究了带有中间过渡材料的铝合金与钢板的电阻点焊，模拟结果经实验验证：该模型可用于电极选择阶段，以减小焊接变形和改善焊接质量；韩国学者Cha，B.W.通过对304不锈钢电阻点焊过程的电－热－力分析得出焊后的残余应力以及影响残余应力的点焊参数；Feng,Z.等学者开发了一种用以模拟电阻点焊过程和性能的集成模型，它将点焊中的基本物理现象和载荷条件结合起来，这种方法由工艺模型、微观模型及结构模型三部分组成，它可以综合评价在电－热－力作用下的点焊接头性能；日本学者De,A在铝合金电阻点焊的研究中，采用电－热－力耦合的有限元模型，预测了在不同焊接电流、焊接时间、电极力作用下的熔核直径、熔深、电极与板的接触直径等，经验证：这种模型对于离线检测焊接参数对焊点尺寸的影响非常有用。

1.2计算机模拟的精确性分析

随着计算机模拟方法在电阻焊过程研究中的应用日趋广泛，为了进一步开发它用于工业生产中，必须考虑这种模拟方法的误差有多大？如何提高数值模拟的

精度，使其得出的结果更接近于实际焊接情况。近来，有些国外学者就此方面作了专门的研究，例如：美国学者Cavendish,James C.在文章中提到：对于计算机模拟模型评估的一个重要问题是判断它是否足够精确，通常人们用贝叶斯定理统计策略来分析模拟计算的误差范围，但是，在输入量和未知参数多、数据量大的情况下，统计分析变得相当困难。Hasselman,Timothy等学者在用电－热－力有限元模型分析铝合金电阻点焊过程，计算熔核尺寸和表面压痕时，采用基于不确定模型方法的主元素法，通过对熔核尺寸和压痕统计的线性均方差得到有限元的预测精度。

1.3计算机模拟的工业应用

计算机数值模拟有其成本低，参数改变灵活、方便等优点，但目前大部分都用于离线计算和模拟，如何将这种方法有效地应用到工业生产中对焊接质量进行在线评估和控制，这个问题也成为近年来焊接学家们研究的一个重点。丹麦学者Zhang,Wenqi基于长期的工程研究和工业合作，开发了一个新的基于有限元方法的焊接软件:SORPAS,用于模拟电阻凸焊和点焊过程。为了使该软件能被工厂中的工程师和技术员直接应用，电阻焊中的所有参数被考虑并自动地在软件中实现。该软件支持Windows友好界面，操作灵活，对工件及电极可灵活地进行几何形状设计，参数设置犹如正式焊机，它可用于工业中支持产品开发和工艺优化。现在Volkswangen,Volvo,Siemens和ABB等公司都开始采用此软件。美国华盛顿大学的Li,Wei提出了一个基于接触区域的点焊质量评估模型，它是用一个有限元分析模型来表示接触区域变化，根据模拟结果进行在线应用，经试验：在不同的电极尺寸、电极力、焊接时间和电流下这种方法是成功的，它将为电阻焊监测和控制提供重要的信息。

2新型材料的可焊性研究

随着工业的迅猛发展，对工业产品（特别是汽车）外壳用材的性能提出了更高的要求，并促进了产品用材的更新换代。例如，为了改善汽车外壳的抗腐蚀性能，提高汽车的使用寿命，在汽车车身制造中大量采用镀锌钢板代替普通冷轧钢板；为了减轻车身总体重量，节省能源消耗，世界各大汽车公司正在开发铝合金或高强钢车身的汽车。由于在汽车车身等薄板结构的装配制造中，大量采用电阻点焊方法，为保证焊接质量，研究铝合金、镀锌钢板高强钢等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。近年来，各国焊接工作者就此方面做了大量的理论及实际研究工作，并取得了一定的成绩。

2.1铝合金的电阻点焊研究

铝合金熔点低、屈服强度低、导电导热性能良好以及存在表面氧化膜等特点，给电阻点焊带来了很大的困难，近年来各国焊接学家主要作了以下一些研究：在铝合金点焊电极寿命研究方面，美国沃特卢大学的Lum,L在研究5182铝合金点焊电极寿命中，采用了扫描电镜、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明：从电极衰退到最终失效主要经历了铝剥离、铝与铜合金化、电极端面蚀斑及电极端面凹坑四个阶段，由于蚀斑和凹坑起源于铝的剥离和合金化，因此，作者认为定期对电极表面清洁能增加电极寿命，有利于汽车生产中铝合金的应用；美国加利福尼亚大学的Fresz,B研究了铜电极的合金成分对电极寿命的影响，试验中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的铜电极材料；Dorn,Lutz等学者提出了点焊铝合金时采用复合电极以提高其寿命，研究采用在铬锆铜电极端部镶嵌钨的复合电极焊接铝合金，发现电极寿命可提高1.5至2倍。