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吉林大学电阻点焊数值模拟
单位代码:
10183
吉林大学
题目:
电阻点焊熔核的数值模拟
目录
1.综述2
1.1熔核形成问题研究方法5
2.电阻点焊有限元数学模型的建立5
2.1电阻点焊模型有限元耦合分析理论6
2.2点焊模型及边界条件6
2.3建立模型的函数关系8
2.4有限元模型网格的划分8
3电阻点焊数值模拟及其应用的发展趋势11
4.参考文献12
电阻点焊熔核的数值模拟
1.综述
焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。
因此,在焊接生产时,通常采用实验手段作为基本方法来检验理论的可行性,形成了“理论-实验-生产”的模式。
但是一方面大量的焊接试验增加了生产成本,另一方面面对超大型的焊件时,采取实际操作实验是不现实的,既费时又费力,并且实验失败后,对焊件的回收利用会增加不必要的成本。
计算机在工程的应用解决了这个问题,焊接数值模拟技术的发展使焊接技术发生了由经验到科学、由定性到定量的飞跃,不但很大程度上减少了成本,而且生产周期短,对理论能够快速做出修正,使实验更具科学性。
焊接数值模拟,是以实验做为基础,采取一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面。
采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识,例如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等。
焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程的本构关系。
用于焊接数值模拟的方法有很多种,并且随着计算机的发展而得到不断完善,其中有:
a)解析法,即数值积分法;b)蒙特卡洛法;c)差分法;d)有限元法。
其中数值积分法一般用在原函数难于找到的微积分计算中。
常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求积法等。
焊接数值模拟包括以几个下方面:
1)焊接热过程的数值模拟;2)焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟;3)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟;4)焊接应力和应变发展过程的数值模拟;5)非均匀焊接接头的力学行为的数值拟;6)焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟;7)焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟。
在焊接生产中,电阻点焊有着生产效率高、焊接质量易保证、易实现自动化和机械化等优点,是薄板最理想的连接工艺,并在汽车、航空及航天等工业领域获得了广泛的应用。
汽车轻量化己成为汽车发展的主要方向,据统计,汽车自身质量每减小10%,油耗可降低6%-8%。
预计到2010年,我国汽车产销量将达到600万辆,约占世界市场1/10的份额,而每一辆轿车车身上约有4000~6000个点焊焊点。
电阻点焊是汽车轻量化材料加工的主要方法,但其存在着飞溅严重、焊点表面质量差、熔核尺寸波动大、熔核内部易产生缺陷、电极烧损严重等问题。
并且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。
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,己相继建立了许多数值模型,并取得了很多突破。
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、电过程的基木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。
早在1960年Archer对不同板厚、不同热物理性能材料在不同频率和热输入条件下的温度响应进行了研究,建立了一维传热模型,预测得出了快速加热时将在电极周边下方形成环状熔核的结论。
1961年,Greenwood建立了描述电焊温度场的轴对称差分模型,得到了电阻焊椭圆形熔核的特征等温线,但该模型没有考虑接触电阻的影响Myers等人认为这样的简化将带来很大的误差,并指出任何准确的点焊温度场数值模拟都要在充分了解接触电阻行为的基础上才能成为可能。
2000年,王春生博士首次提出了利用传热学理论研究电阻点焊熔核形成过程中传热、传量和传质过程,提出了异质材料点焊模型中电磁效应形成的MHD行为及熔核内液态金属的流动及形成的物质分布是源于洛伦兹力。
其接触电阻的处理也采用Tslaf的研究结果。
2006年同样是上海交通大学梁彩平、李永兵等人也利用立轴对称有限元模型,对管板单边电阻点焊预压过程中电极与板以及板与管间接触行为进行了数值模拟研究,分析了预压阶段接触区域范围及接触压力分布的影响因素。
并通过所建模型的模拟结果发现管板焊接过程预压阶段的接触压力分布与传统点焊过程预压阶段接触压力分布有很大的不同。
在电极和板以及板和管之间均形成环状接触区,可能导致焊后形成环状熔核;预压过程中,电极和板间接触区不受压力变化影响。
板和管间接触区则受压力影响明显;接触区域大小和电极端面直径、管板厚度等因素均有关系。
2008年天津大学的罗保发采用SYSWELD有限元软件建立了铝合金电阻点焊的热、力、电耦合模型,动态模拟了点焊熔核形成、长大的全过程。
文中考虑了材料物理参数随温度的非线性变化以及结晶潜热的处理,研究了铝合金点焊时组织的变化,为研究和控制点焊接头质量提供了方法。
叶茂等还提出了基于有限元的点焊熔核反问题研究,作者的思路是首先根据点焊接头的性能要求通过受力分析得到满足要求的熔核尺寸,然后根据有限元模型模拟出熔核,对点焊工艺参数的制定提供指导。
文中最后给出圆台形的熔核受力性能最好,更加符合实际情况。
赵熹华等根据流体力学和传热学的计算原理,考虑了液态金属的对流传热,材料物理性能参数和接触电阻随温度的变化,相变潜热对形核热过程的影响等因素,建立了铝合金点焊传热和液态金属流动过程的轴对称有限元模型。
计算结果表明,在熔核中心轴线附近对流流速最大达10-1mm/s,回流环从熔核中心向边缘传递能量,降低熔核内的温度梯度,有利于熔核的生长。
实验验证与计算结果吻合良好。
燕山大学的李静采用SYSWELD有限元软件建立了点焊有限元分析模型。
在温度场的基础上计算出点焊接头中应力分布不均匀,熔核中心的应力比较小,热影响区的应力高,在工件间贴合面接触边缘附近残余应力最大。
到目前为止,电阻点焊中研究比较多的是热、电、力行为,通过耦合热、电、力建立点焊模型,研究点焊过程形核机理以及焊点的力学性能。
但是目前还未有人对点焊相变过程进行研究,进行点焊微观组织的数值模拟研究。
通常情况下,在给定的点焊焊接参数(焊接电压、电极压力和焊接时间等)的情况下,焊接后可以得到一定形状尺寸的点焊熔核,如果该点焊熔核不能达到设计要求,就需要重新调整点焊焊接参数,需要多次焊接并破坏焊点判定焊点熔核形状及尺寸,直到合格为,即此形状及尺寸的熔核能够满足设计的力学性能或其他设计要求。
1.1熔核形成问题研究方法
通常情况下,在给定的点焊焊接参数(焊接电压、电极压力和焊接时间等)的情况下,焊接后可以得到一定形状尺寸的点焊熔核,如果该点焊熔核不能达到设计要求,就需要重新调整点焊焊接参数,需要多次焊接并破坏焊点判定焊点熔核形状及尺寸,直到合格为,即此形状及尺寸的熔核能够满足设计的力学性能或其他设计要求。
2.电阻点焊有限元数学模型的建立
为简化计算,考虑到电极的对称性及电压和温度分布的近似对称性,将这一问题简化为轴对称问题,并考虑对等厚度板件点焊,模型仅取1/4结构。
在ANSYS提供的单元类型当中,没有可直接进行热-电-力耦合的二维平面单元,因此,分别选用4点二维热-电耦合单元plane67和4节点二维结构单元plane42o当2个场耦合时,程序先将前一个场的结果作为边界条件施加在新场上,通过这种自动交替转换来实现多场的耦合。
2.1电阻点焊模型有限元耦合分析理论
在点焊过程中,存在着电场作用,可用Laplace方程来描述,在轴对称条件下Laplace方程可表示为
式中:
r,z分别表示径向和轴向坐;U为电势,V;ε为电阻
Ω·m
同时,也存在着热传递的影响,其轴对称问题的温度场分布方程为:
式中:
T为点焊温度,℃;Cm为质量热容,J/(kg·K);ρ为密度,kg/m3;k为热导率,W/(m·℃);Q为内部热源强度,J。
各个单元的Q可由电势场有限元分析求得:
Q=I2R
上述微分方程的求解都可变为求泛函数极值的变分问题。
将合适的泛函数应用到划分单元内每个节点上,列出节点函数极值方程,联立所有节点方程组后,上述方程即可求解。
2.2点焊模型及边界条件
建立合理模型并且确定边界条件是采用有限元软件模拟分析电阻点焊熔核形成的先决条件。
由于点焊熔核形成过程受多种因素的制约,模型建立之前必须清晰地知道哪些工艺因素对熔核的形成有着决定性的影响。
物体边界上的温度函数为己知,用公式表示为:
;
式中:
为体边界;
为己知温度,℃;f(x,y,z,t)为己知的温度函数。
物体边界上的热流密度为己知,用公式表示为:
式中:
q为热流密度,w/m2常数);g(x,y,z,t)为热流密度函数。
与物体接触的流体介质的温度和换热系数己知,用公式表示为:
式中:
Tf为流体介质温度,℃;α为换热系数,w/(m·0C)。
Tf和α可以是常数,也可以是随时间和位置而变化的函数。
初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中的温度为己知值,用公式表示为:
式中:
(x,y)为己知的温度函数。
在此模拟中,进行热—电耦合时,电极内表面通过冷却水的强迫对流将电极热量带走,其对流换热系数可达到4.187X103W/(m2·℃),此处设定水温为10℃(第三类边界条件)。
在电极外表面及工件表面,则以空气的自然对流换热为主,电极和工件的辐射忽略不计。
空气的自然对流换热系数为5~25W/(m2·℃),为补偿忽略辐射的影响,取较大值25W/(m2·℃),空气温度设为室温21℃(第三类边界条件)。
对于轴对称模型,其对称中心线是绝热边界。
模型的初始温度设为室温21℃(初始条件)。
在进行热一力耦合时,边界条件定义为边界上各个结点的位移的自由度为0。
2.3建立模型的函数关系
根据熔核直径d及焊透率A与工艺参数的函数关系:
K=f(IW,TW,FW,δ,D)+ε
式中:
IW表示点焊焊接电流,A;TW表示点焊焊接时间,s;FW表示点焊电极压力,kN;δ示点焊薄板的板材厚度,mm;D表示点焊电极直径,mm;ε表示随机误差;f(IW,TW,FW,δ,D)表示是Iw,Tw,Fw,δ,D的五元函数;K表示熔核直径d或焊透率A0。
不考虑随机误差ε,其余的5个因素都必须在模型里面得到体现,另外,还要考虑工件的表面状态,这一影响因素采用接触电阻体现在模型里面。
在模拟熔核形成的过程中,首先确定电极直径D和低碳钢板材厚度δ。
通常,电极直径比熔核直径大20%。
然后在通过调整焊接循环各个阶段的参数形成熔核。
2.4有限元模型网格的划分
在ANSYS计算中采用PLANE67单元,该单元具有热和导电能力。
主要热平衡是电流产生的焦耳热,每个单元有四个节点,包括温度和电压两个自由度。
本文依据单元类型,采用自由网格划分几何模型。
由于熔核附近温度变化剧烈,通过细分熔核附近的工件来提高求解精度;同时从计算机功能限制,节约时间考虑,对远离熔核的区域采用大网格。
网格模型如图2-3所示。
2-3点焊有限元网格划分
2-4某时刻点焊温度场
图2-4是某时刻的点焊温度场,熔核在这段加热过程中形成。
从图2-4点焊初始阶段可以看出,两工件之间接触面上的产热最多,温度升高比较快。
这是因为点焊开始阶段工件间接触电阻比较高,从而产热量多,使接触面附近区域温度很快上升。
电阻点焊的内部热源是电阻热,有研究表明接触电阻的析热量约占总热源的5-10%,随着电极加压和工件的升温这部分热量很快降低、消失。
随着点焊过程的继续,金属电阻率增加,内部热源不断析出热量,工件的温度迅速升高,工件上的最高温度达1500℃,达到材料的熔点形成类似椭球形的熔核。
工件的最高温度达到1700℃左右,超过了材料的熔点。
这段时间里超过材料熔点的区域在增长,说明熔核在不断长大。
从温度场的分布情况可以看出点焊加热的一些特点:
点焊时在两焊件的贴合面处产生集中加热;而且点焊加热不均匀,焊接区附件各点的温度不同。
2-5点焊热循环曲线
从2-5图中可以看出电阻热焊接热源虽然跟生产上广泛应用的焊接热源电弧热原理不同:
前者需要强大的电力,以工件的电阻来产热;后者是利用气体介质的放电过程产生的热能;但是具有焊接热循环典型的特点快速不均匀的加热和冷却。
焊接热循环中对组织性能有影响的参数包括:
加热速度ωH,加热的最高温度Tm,相变温度以上的停留时间tH,冷却速度ωC或冷却时间t8/5、t8/3、t100。
其中加热速度和加热的最高温度将影响奥氏体化后晶粒的大小和溶质的均匀性。
过冷奥氏体会在不同温度下发生不同的固态相变,所以点焊熔核的最终组织跟冷却速度或冷却时间有关。
很多学者研究了焊缝金属或焊接热影响区的冷却时间从而推测出最终二次组织。
3电阻点焊数值模拟及其应用的发展趋势
从电阻点焊数值模拟技术诞生以来,无论是其计算方法、模型建立都己经取得了很大的发展。
同时其应用领域也越来越广泛,并为指导实际生产提供了极大的帮助。
但由于点焊过程的复杂性,目前点焊过程数值模拟仍需进一步完善、主要有以卜几个方面。
1)充分考虑点焊过程中力、热、电耦合场及相应影响因素,建立完全意义上的点焊数值模拟模型;
2)数值模拟中接触电阻的数学模型有待于进一步发展。
在对接触状态进行假设时应结合实际过程,并通过试验对相应的接触电阻的变化规律进行深入研究,针对不同情况建立更加精确的接触电阻模型;
3)建立点焊过程力-热-电行为耦合分析的三维数值模拟模型。
目前点焊过程数值模拟模型多为二维轴对称模型,尚不能对实际点焊生产中存在的分流及复杂的接触行为(如上、下电极与工件的不对称接触和上、下电极压力不共线时的接触等进行模拟;
4)对异质金属点焊过程进行数值模拟分析。
目前数值模拟技术基木上都用在相同材料点焊过程的模拟分析,而随着点焊在异质金属焊接中的应用越来越多,如何将数值模拟的方法应用在异质金属的点焊中,使其对现实生产有指导意义,也是点焊数值模拟技术的发展方向之一;
5)应用数值模拟的方法进行微型点焊分析,在航空、航天、电子以及医疗器械方面,微型件的点焊的应用越来越受到青睐,与常规点焊相比微型件的点焊不仅有结构上的不同,其热、力、电的作用机理也大不相同,如何在充分考虑微型件固有特性的基础上,利用数值模拟的方法对其进行分析也需要进一步的探讨。
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