電阻點焊形核基礎(chǔ)問題及焊點質(zhì)量強化研究.pdf

1、電阻點焊因其在焊接過程中能量集中、變形小、生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點,廣泛地應(yīng)用于航空航天、車輛制造、電子、交通等工業(yè)部門。然而,電阻點焊又是一個電、熱、力、磁、流、冶金等多因素耦合的復雜過程,同時其形核過程具有不可見性和瞬時性,因此很容易導致焊點質(zhì)量波動大。因此,揭示點焊形核機理和探索焊點質(zhì)量強化新方法就成為了電阻點焊研究領(lǐng)域中熱點。
　　本文分為兩部分,分別就點焊形核機理和焊點質(zhì)量強化新方法進行了研究。第一部分針

2、對電阻點焊熔核形成過程中涉及到的幾個尚未解決的基礎(chǔ)問題進行研究:
　　(1)電阻點焊電極/工件界面的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱的反演計算
　　鑒于電阻點焊過程中電極/工件接觸面的接觸電阻及接觸換熱系數(shù)的重要性,并針對目前相關(guān)研究中的不足,本文建立了二維軸對稱點焊傳熱反演模型,利用傳熱反問題方法計算了電阻點焊過程中電極/工件接觸面的接觸產(chǎn)熱和接觸換熱系數(shù)。研究結(jié)果表明,鋁合金電阻點焊過程,電極/工件接觸面的接觸換熱系數(shù)大致在106

3、 W·m-2·K-1數(shù)量級;低碳鋼點焊過程中,電極/工件之間的接觸換熱系數(shù)大致在105 W·m-2·K-1數(shù)量級。銅/鋼之間的接觸換熱系數(shù)在電極/工件接觸面上的分布比銅/鋁的分布更加均勻。鋁合金電阻點焊中,電極/工件的接觸產(chǎn)熱大致在1012 W·m-3數(shù)量級;低碳鋼點焊其電極/工件的接觸產(chǎn)熱大致在1011 W·m-3數(shù)量級,均高于相應(yīng)的體電阻產(chǎn)熱。因此在點焊熔核長大的過程中,不能忽略電極/工件接觸產(chǎn)熱的作用。在整個點焊過程中,位于電極/

4、工件接觸邊緣處的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率均大于電極/工件接觸面內(nèi)側(cè)的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率。隨著焊接時間的增加,接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率都趨于一個較穩(wěn)定的值。
　　(2)電阻點焊熔核受到的磁場力
　　首次研究了點焊過程中鐵磁性工件磁化產(chǎn)生的磁化磁場對點焊熔核的影響。利用高速攝影直接觀察了工件磁化對液態(tài)熔核流動的作用,并根據(jù)磁化理論計算了工件磁場產(chǎn)生的磁場。結(jié)果表明工件的磁化使得熔核變得更厚。同時,磁化磁場的強度與焊接電流的

5、感應(yīng)磁場強度在同一數(shù)量級(10-1 T)。這表明工件磁化引起的磁化磁場也是熔核受到磁場力的一個重要來源。在研究點焊熔核物理過程尤其是熔核內(nèi)部流體流動時,磁化磁場不能被忽略。
　　(3)電阻點焊熔核流場的實驗研究
　　首次通過實驗手段研究電阻點焊液態(tài)熔核的流體流動。文章選取了鈦粉、鐵粉、銅箔、氧化鋁粉、氧化鋯粉和碳化鎢顆粒作為介質(zhì),添加到點焊熔核中,觀察它們的流動模式,推測點焊液態(tài)熔核中的流體流動。結(jié)果表明當采用顆粒質(zhì)量小于0

6、.3μg的介質(zhì)粉末時,由于其質(zhì)量過小,導致介質(zhì)粉末總能在“第一時間”到達熔核邊緣,從而無法觀察到點焊液態(tài)熔核的流動模式,只能得到點焊液態(tài)熔核的大致流速。對于鋁合金點焊,其流速至少為27 mm·s-1,遠大于單純考慮重力下流速的計算值,說明電磁力對鋁合金點焊過程具有重要影響。對于低碳鋼點焊,其流速至少為15 mm·s-1。在鋁合金和低碳鋼的點焊中,液態(tài)熔核的環(huán)向流動都很弱,大致在1 mm·s-1的量級,這與點焊液態(tài)熔核的受力情況相一致。研

7、究還指出添加介質(zhì)的質(zhì)量與形狀對流場的成功觀察具有重要影響,有待進一步研究。
　　通過上述研究為電阻點焊數(shù)值模擬提供更準確的原始的理論依據(jù),提高電阻點焊數(shù)值模擬的準確性,加深對電阻點焊形核機理的認識。
　　第二部分針對鋁合金電阻點焊熔核質(zhì)量不穩(wěn)定,通過實驗手段首次對外加磁場作用下鋁合金電阻點焊的焊接質(zhì)量進行了系統(tǒng)分析,包括接頭尺寸、力學性能、相變冶金、斷口分析等。實驗結(jié)果表明外加磁場全面增加了焊點熔核的直徑、提高了點焊接頭的剪

8、切拉伸強度和吸收能。在不同工藝參數(shù)下,熔核直徑增長在10％~25%,剪切強度可提高10~30%。在一些焊接參數(shù)下,外加磁場可以降低焊接電流、減短焊接時間,從而提高焊接效率、降低能耗和延長電極頭壽命。外加磁場引起的電磁攪拌使得熔核內(nèi)部的形核質(zhì)點分布更加均勻,從而促使了點焊熔核內(nèi)柱狀晶和等軸晶的生成。研究還發(fā)現(xiàn)當焊接電流很小或很大、焊接時間很短或很長時,都會降低外加磁場的效應(yīng)。因此當對點焊施加外磁場時,應(yīng)在合理的工藝參數(shù)下進行,以最大限度地