低碳钢电阻点焊过程的数值模拟

【摘要】：电阻点焊在薄壁构件的焊接中有着广泛应用。由于点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给点焊过程质量监控与工艺参数的优化造成困难,尤其是不等厚板、多层板、表面有镀层板等特殊情况下的点焊,其工艺过程的复杂性与接头质量的波动性更为突出。采用数值模拟研究方法取代点焊工艺实验不仅具有重要的经济价值,而且对于点焊缺陷预测与焊点质量控制具有理论指导意义与实际应用前景。 本文采用ANSYS有限元软件,分别对两层等厚低碳钢板、两层不等厚低碳钢板、三层等厚低碳钢板的点焊和镀锌钢板的点焊过程进行了热电、热力数值模拟分析。针对点焊接头的几何特点和点焊过程的加热特点建立有限元分析模型,包括边界条件设定、网格划分及单元选择。在分析过程中充分考虑了接触电阻、相变潜热、电极水冷、表面空气散热等因素对熔核生长过程的影响以及材料热、电物理性能、力学性能随温度的变化。在镀锌钢板的点焊过程模拟中采用生死单元法解决了镀锌层熔化的模拟问题,从而使模型更加符合实际情况。 在模拟中,导电、传热为非线性传导问题,力学行为为带接触问题的热弹塑性问题,模型中选用双线性材料模式,计算采用完全牛顿迭代法。由于计算中存在着材料非线性、几何非线性以及接触非线性问题,为了提高计算的收敛性能,采用了小时间计算步长。 研究内容包括:对点焊过程的温度场进行热-电模拟,分析了点焊过程中电压和电流密度分布规律、温度场的变化规律和电极寿命问题;通过对模拟结果的后处理,对熔核形状与尺寸进行了图形显示与理论分析;对点焊过程的应力场进行热-电-力耦合分析,讨论了各接触面上接触状态的变化规律及热膨胀对工件和电极变形的影响。通过对实焊点焊试样熔核形状与尺寸的检测,验证了所建点焊模型的合理性和模拟结果的准确性。