第36卷第9期 2006年9月 重晖梭 Electric Welding Machine V0l_36 No.9 Sept.2OO6 基于有限元的电阻点焊逆过程的熔核设计 邹 帆,罗 震,叶 茂,单 平,高战蛟 (天津大学材料科学与工程学院,天津300072) 摘要:介绍了基于有限元法模拟电阻点焊熔核形成过程中的轴对称电、热、力耦合场的模拟模型。 从与点焊过程相反的熔核设计角度出发,经过有限元反复的模拟分析获得了合格熔核的工艺参数,并 提出了熔核形状和尺寸是通过焊接过程中温度场来表征。结果表明,点焊熔核逆过程的研究方法是可 行的,提供了一种新的理论分析方法和手段。 关键词:电阻点焊;力、电和热的耦合;熔核设计 中图分类号:TG438.2 文献标识码:A 文章编号:1001—2303(2006)09-0009一o4 Reserve design of the processing of molten core of resistance spot welding based on fnitie element ZOU Fan,LUO Zhen,YE Man,SHAN Ping,GAO Zhan—jiao (School of the Material Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:Based‘)n FEM.an axis symmetric finite element electro—themm-mechanieal model in the t}mnation of mnhen【 0Ie of resistanee spot welding is introduced.From the design of mohen core( ̄ontrary to the processing of spot welding.the process parameters of the regular mohen core are a(:hieved through the repeated simulation analysis. 11hen the shape and dimension of the mohen core presented hy the temperature fieht,luring the course of wehting is p小torward.The resuhs show that the resellreh method of the reserve design of mohen(’ore is feasible.A kind of new theoretical analysis method. Key words:resistance spot welding;coupling of electro—thermal—mechanical,powei,heat:design of’the molten(-0re U 刖茜 由H.A.Nied建立了唯一的有限元模型 ,包含力、电、 热行为,但没有考虑相互耦合作用;近年来龙听l 1和 李宝清I 分别建 了,点焊的轴对称有限元模型,分 析了热、电、力祸合行为,同时考虑了接触电阻对熔 核彤成过程的影响.、 电阻点焊广泛应用于航空、航天、能源、电子、车 辆及轻r等行业。统计资料表明I I,采用点焊完成的 焊接阜约占总焊接量的113。尤其是在汽车车体生产 过程中,电阻点焊更是重要的加 I 环节。据统计l2I, 一辆轿车车身上约有4 000~6 000个电阻点焊的 在此从电阻点焊熔核设计角度,利用有限元软 件进行了数值模拟分析,存实际生产之前模拟设计 焊点 j然而电阻点焊焊接过程是一个高度非线性的 多物理场耦合作件】的复杂过程,加之焊接时IhJ微 ,出能得到合格熔核的电阻点焊参数。 熔核形成过程具有不可 性,使得实验观测和 数值模拟对点焊形成过程的分析研究具有重 1熔核设计的逆过程 通常,电阻点焊生产过程是:先使电流、电压、 力币lJ焊接时问勾一定值,然后进行焊接,结束后 观察熔核形状或进行试验检查熔核是否满足要求, c!fJ焊接参数一熔核形成的温度场一熔核形状一点 焊产 , 而熔核设计的逆过稃 电阻点焊焊接产品 开发、 产流程一致,如罔1所示。从产品设计要求 的点焊合格熔核形状入手,通过有限元软件的热、 研究相当 唯。 要价值,并有不少学暂取得了重大突破。J961年,英 同学者J.A.GreenwoodI I发表了第一篇关于点焊数 值模型的沦文,后来各同学者建立r不同的模 收稿日期:2006—07一Il;修回日期:2006—09—07 基金项目:天津市应用基础研究计划(06YFJM 03400);教 行部科学技术研究重点项H(106049);闰家f{然 科学基金资助项日(50575l59) j: 电、力耦合模拟 一算,获得形成合格熔核所需要的 温度场,进而得到能够产生合格熔核的焊接二r 艺参 数,然后将其参数用于实际点焊过程中,指导实际 荔厶 露f— ・9一 作者简介:邹 帆(1977一),贝,陕两洋县人,在凄硕i , 要从事电阻点焊仿真模拟力‘面的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
电阻点焊质■控嗣 雹珲拽 第36卷 的生产工艺。 图1点焊产品的开发和生产流程 2点焊数学模型的建立 为简化计算,考虑到电极的对称性和由电极对 称性决定电压和温度分布的近似对称性,并考虑对 等厚度板件焊接,模型取1/4结构。在ANSYS提供 的单元类型当中,没有一个适合的可直接进行热一 电一力耦合的二维平面单元,因此,本研究分别选用 4节点二维热一电耦合单元plane67和4节点二维 结构单元plane42。 2.1点焊模型与边界条件 。 建立合理模型并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诸多因素的制约,模型建立 之前必须清楚地知道哪些工艺因素对熔核形成有 着决定性影响。点焊模型与边界条件如图2所示。 电极端而:}{i,_ t): 热T--To:力F:Fo+F(t) 丁件表面: 3U/On=O; 一 a 3n:0 or=0, 图2点焊模型与边界条件 2.2稳态电场方程 施加电势时,稳态电场的分布由Laplace方程来 描述,在轴对称条件下,Laplace方程可表示为 3r( e 3r)+ e rOz+ 3z(、÷ £ 3z)=0, ・10・ . 恸 移 式中r,z分别为径向和轴向坐标;U为电势(单位: V);£为电阻率(单位:Q・Il1)。 2.3热传导方程 轴对称问题的温度场分布方程 Cm P =軎r )+ +軎( )+Q, 式中 为温度(单位:℃);C为比热容(单位:J/kg・K); P为密度(单位:Kg/m ); 为导热系数(单位:w/ Ill・℃);Q为内部热源强度(单位:J)。各个单元的Q 可由电势场有限元分析求得 Q=FR。 上述微分方程的求解都可转变为求泛函数极 值的变分问题。将合适的泛函数应用到划分单元内 的每个节点上,列 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。 2.4热弹塑性应力应变方程 点焊过程中,电极和工件处在局部高温和较大 的压力作用下会产生大变形。根据增量塑性理论,全 应变增量可表示为 {d£)={ 1£ )+{d£ )+{d£T), 式中 {d£)、{d£ )、{d£ )、{d£-r)分别为全应变、弹性 应变、塑性应变和热应变增量。因此应力和应变的 增量关系可表示为 {d(r)=[D 】({ £ )一{de )一{de )), 式中[DJ为弹性应力应变矩阵;{do-}为应力增量。 热应变可由下列公式给出 {d£ )={卢)dT, 式中 为线膨胀系数(单位:10 ℃),对轴对称问 题{卢):卢[1 l l 0r;dT为温度增量。 对于各项同性的材料硬化模式和Mises屈服 准则,最后的应力应变关系式为 {d口‘):[D J({d£)一{d£ ))+{d口‘o), [D J=[D 卜[D 】=[D 卜 {s){s) , 3G {d 。) _『 ot.Jf, {S), 式中 [D J为弹塑性应力应变矩阵;[D ]和 . 】分别 为弹性应力应变矩阵和塑性应力应变矩阵;G= ^,为剪切弹性模量(单位:MPa), 为泊松比; l l+ _-一l , ’分别为弹性模量和塑性模量(单位:MPa);S为 偏斜应力张量; 为后屈服应力(单位:MPa),是等 效塑性应变和温度的函数。 维普资讯 http://www.cqvip.com
电阻点焊质量控嗣 邹帆等:基于有限元的电阻点焊逆过程的熔核设计 第9期 2.5建立模型的函数关系 由于点焊熔核形成过程受多种因素的制约,进 行熔核形成过程的模拟分析之前必须清晰的知道 那些工艺因素对熔核的形成有着决定性的影响。根 据熔核直径d及焊透率 与丁艺参数函数关系 K=fqw,Tw,Fw,6, +£, 式中 为点焊焊接电流(单位:A); 为点焊焊接 时问(单位:S);Fw为点焊电极压力(单位:kN);6为点 焊薄板厚度(单位:mm);D为点焊电极直径(单位: mm);£表示随机误差;K为熔核直径 (单位:mm) 或焊透率 (单位:%1。 不考虑随机误差£,其余的5个因素都必须在 模型里得到体现。另外,还要考虑工件的表面状态, 该影响因素采用接触电阻来体现在模型里。 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6。通常,电极直径比熔核直径 大20%…J。然后通过调整焊接循环各个阶段的参 数,形成熔核。 3点焊熔核逆过程的数值模拟 3.1点焊合格熔核的设计要求 电阻点焊熔核有多种形状,如圆球形、圆台形、 椭球形,在此选用圆台形,并要求在40 kg拉伸剪切 力作用下的熔核半径为3.6 mm,焊透率30%-50%。 设定材料为低碳钢(Q235)薄板,丁件尺寸150 mm ̄ 40mm ̄1 mm,密度7.8 ̄10 kg/m ;铜电极直径8 mm, 密度8.9 ̄10。kg/m。;电极压力4 kN(定值1。 3.2点焊合格设计熔核的判定标准 在一定载荷的情况下,需要达到一定的熔核直 径和焊透率才能满足承载的要求。熔核直径要求 D。>D, 式中D 为模拟设计过程中的熔核直径;D为合格 的熔核直径。该式只是一个定性判断,在设计过程中 可以选取的安全系数。对应模拟过程中,从最高温度 I 400℃~1 500 cc的温度场中采集到的节点坐标, 经计算整理出的熔核直径大于设计要求的熔核直 径D且符合安全系数时,模拟设计的熔核直径达 到要求。 焊透率的要求 A l<A<A 2, 式中 为模拟设计过程中的焊透率; ., 为合 格的焊透率上下限。A要求小于合格焊透率A,且小 =f的范围不大于l0%,判定模拟设计的焊透率达到 要求。 3.3点焊合格熔核的逆过程模拟设计 在点焊熔核模拟设计过程中,熔核尺寸和形 状是通过温度场来表征的。低碳钢熔点1 400℃~ 1 500℃,电阻点焊过程中存在低碳钢金属熔化和 凝固的两次相变过程,在完成形核过程的某个瞬态, 熔核温度场的最高温度一定是高于低碳钢的熔点。 所以节点坐标的数据采集必须考虑温度条件,只有 温度在1 400cc-1 500℃的节点才能比较准确地表征 熔核的形状和尺寸。合格熔核尺寸如图3所示,获 得合格熔核的电流时间曲线如图4所示。 《 O 9 8 7 6 5 4 3 2 O 392.043 634 01 8 875.992 I11 8 1360 513.031 755.005 996.979 J239 图3合格熔核尺寸 00 t/ms 图4合格熔核的电流时间曲线 在熔核设计过程中,如图5、图6所示的电流时 间曲线也能获得如图3所示的熔核尺寸和设计要求。 《 4 结论 通过有限元的模拟熔核逆过程设 Page 57 g , ’l1’ 维普资讯 http://www.cqvip.com
研究与设计 温永平等:基于单片机控制的软开关逆变焊接电源平台的研制 第9期 器进行检测,图6、罔7分别为采集到的2种不同 负载情况下的4个IGBT驱动控制信号。由图可知, 在焊接电流和弧压较高(焊接电流400 A,弧压36 V) 时,超前桥臂IGBT。,IGBT2脉宽较大,滞后桥臂IGBT , IGBT 1GBT IGBT. IGB 翌 6 4IGB]r4 定脉宽,IGBT ~IGBT4 4组驱动控制信号 实现有限舣极性控制方式;当焊接电流58 A,弧压 6V时,超前桥臂IGBT ,IGBT2压缩脉宽,滞后桥臂 IGBT ,IGBT 吲定脉宽。经过试验和联机调试,结果 图6焊接电流400 A。弧压36 V时的IGBTl ̄IGBT4控制 信号 Fig.6 Control signal of IGBT1 ̄IGBT4 when welding current is 400 A and voltage is 36 V 表明控制电路各部分工作正常。 5 结论 (1)采用软开关技术,因此性能稳定,效率高,功 耗小,具有良好的电气性能。 (2)采用3片单片机,省去了大量的模拟电路, 另外整个单片机系统采用先进的Atmega单片机,系 统占用空间富余多,可以在线编程随时对焊机进行 在线升级。 (3)该焊接电源平台叮用于焊条焊、TIG焊、CO: 焊、埋弧焊等。 图7焊接电流58A。弧压6V时的IGBT广IGBT4控制信号 Fig.7 Control si l1al of IGBTI ̄IGBT4 when welding current 参考文献: 【1l方臣富.VPT1G焊接电源与电弧稳定性的研究fD】.北京: 北京 』 大学机电学院,2005. is 58 A and volatge is 6 V [3】侯润石,方臣富.电流模式零电压零电流开关TIG焊机的 研制『J1.电焊机,2004,34(11):39—42. [2】方臣富,殷树 ,侯涧 ,等.辅助变压器式FB—ZVZCS— PWM逆变弧焊电源lJ1.焊接学报,2005,26(9):9-12. ’ “+“ “+”+“+‘‘+、、+‘、+・・+、・+・-+-・+・、+-・+一+、-+、、+・・+-・+・・+・・+f4】杨、・+、・+旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M】.北京:机械工业 、、+ +..+、.+..+..+..+..+、、+..+..+..+ +.+、.+..+. 出版社,2004:208—211,234—238. ・.+ +Page 11马 spot welding[J].Welding jouma],2003,83(8):195—201、 [3】 G ̄enwood J A.Tempemture in spot welding[J]、British Welding journal,1961,8(6):316—322. < [4】Yamamoto Y,Okudu T.A study of sotp weling dof heavy gauge mild steel[J].Welding in the world,197 1,(7—8):234—255. 【5] Gould J E.An examination of nugget development during spot welding using both experimental and'analytical techniques 【JJ.Welding Journal,1987,66(1):1-10. 0 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 IO0 t/ms [6】Cho H S,Cho Y J.A study ftohe htermal behavior in r ̄sistance spot weldinglJ].Welding Journal,1989,68(6):236—371. 图6合格熔核的电流时间曲线 计,说明了进行熔核逆过程设计方法是可行的,同 时说明对于同一合格熔核会有不同的工艺参数能 够满足设计要求。并将该模拟结果用于实际电阻点 焊实验中取得了良好的效果。 [7】Nied H A.The ifniteelement modeling of the ̄sistanee spot welding process[J].Welding journal,1984,63(4):123—132、 [8】龙 昕.电阻点焊过程的数值模拟[D】.上海:上海交通大 学焊接研究所,2001. [9 李宝清.9]铝合金电阻点焊过程的数值模拟及能量分析研 究【D].天津:天津大学材料学院,2002. [10】白 钢,张勇,杨思乾.点焊熔核尺寸与工艺参数关系 参考文献: 【1】赵熹华.压力焊技术新发展IEB U.httv.//www.china-weldnet. 的模型化处理【JJ.机械科学与技术,2004,5(z31:570—572. [11】朱正行,严向明,王 敏.电阻焊技术 】.北京:机械工业 出版社,2002. 荔 ≥ , ・57・ com/Chinese/jinindaxuehui/03 1 2729.htm. [2j CHO Y.Experimental study of nugget formation in resistance
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