高強(qiáng)鋼磁控電阻點(diǎn)焊機(jī)理與工藝方法研究.pdf

1、節(jié)能、環(huán)保、安全是當(dāng)今汽車工業(yè)的發(fā)展主旨。為了在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)滿足乘員安全性要求，以雙相鋼為典型代表的先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料在白車身結(jié)構(gòu)中的使用比例正日益上升。目前，電阻點(diǎn)焊技術(shù)仍是車身制造中的主要連接手段，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每輛白車身上約有3000～5000個(gè)焊點(diǎn)。然而，高強(qiáng)鋼的大量使用，卻給電阻點(diǎn)焊工藝帶來了一系列挑戰(zhàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)低碳鋼，高強(qiáng)鋼中普遍含有較高的碳當(dāng)量與較多的合金元素，在快速加熱、冷卻的焊接過程中，極易形成大量淬硬、粗大的板條

2、狀馬氏體組織，導(dǎo)致接頭韌性、疲勞壽命降低，容易發(fā)生接頭界面斷裂失效。傳統(tǒng)基于工藝參數(shù)調(diào)整或焊后熱處理的質(zhì)量控制方法，能夠快速增大熔核直徑或部分弱化接頭組織的淬硬性，但往往以能耗的大幅攀升或生產(chǎn)效率的降低為代價(jià)。作為一項(xiàng)節(jié)能、高效的工藝方法，電磁攪拌控制（簡稱磁控）技術(shù)通過外加磁場(chǎng)對(duì)熔化金屬的攪拌作用，影響并改變工件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布與冷卻結(jié)晶過程。迄今，磁控技術(shù)已成功應(yīng)用于連續(xù)鑄造、電弧焊等領(lǐng)域。
　　 基于上述背景，本文提出將磁

3、控技術(shù)與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊過程相結(jié)合的磁控電阻點(diǎn)焊工藝方法，旨在通過外加磁場(chǎng)與焊接電流的交互作用產(chǎn)生洛侖茲力，改變?nèi)酆藘?nèi)的流動(dòng)傳熱模式。針對(duì)這一研究目標(biāo)，本文從磁場(chǎng)施加模式入手，探討了外部磁場(chǎng)的最優(yōu)施加方向與分布模式，在此基礎(chǔ)上搭建了磁控電阻點(diǎn)焊原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái);并進(jìn)一步建立了綜合描述力、電、熱、磁、流五個(gè)物理場(chǎng)變化的磁控電阻點(diǎn)焊過程數(shù)值模型，從“電磁攪拌改變?nèi)刍饘倭鲃?dòng)模式”的本質(zhì)行為揭示了外加磁場(chǎng)對(duì)電阻點(diǎn)焊過程傳質(zhì)傳熱行為的控制機(jī)理;通過對(duì)點(diǎn)

4、焊接頭的宏觀、微觀形貌分析、以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，明確了磁控技術(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的改善效果，并基于對(duì)磁控電阻點(diǎn)焊熔核形成規(guī)律的研究建立了質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則;最后對(duì)典型車用超高強(qiáng)鋼的電阻點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了磁控效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并從工程應(yīng)用角度出發(fā)，進(jìn)一步開發(fā)完善了磁控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文為磁控電阻點(diǎn)焊工藝方法在車身制造中的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。全文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 1)外部磁場(chǎng)施加模式與磁控電阻點(diǎn)焊原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
　　

5、 理論分析了多種外部磁場(chǎng)作用模式下，電阻點(diǎn)焊過程的電、磁場(chǎng)分布特性、熔化金屬流動(dòng)模式、以及形核狀態(tài)，從而明確了磁控電阻點(diǎn)焊方法所施加的外部磁場(chǎng)需滿足三方面條件:平行于工件/工件接觸面、圍繞電極臂中心線呈中心軸對(duì)稱形式分布、以工件/工件接觸面呈鏡面對(duì)稱形式分布。在此基礎(chǔ)上，建立了以一對(duì)軸向充磁環(huán)形釹鐵硼永磁體為外部磁場(chǎng)源的磁控電阻點(diǎn)焊原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
　　 2)磁控電阻點(diǎn)焊過程多物理場(chǎng)數(shù)值建模與傳質(zhì)傳熱行為演化機(jī)理
　　 基

6、于ANSYS11.0/Multiphysics軟件平臺(tái)，通過二次開發(fā)與耦合策略制定，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)場(chǎng)、電場(chǎng)、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)之間的交互載荷傳遞與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，建立了綜合描述磁控電阻點(diǎn)焊物理過程的數(shù)值模型。從“電磁攪拌改變?nèi)刍饘倭鲃?dòng)模式”的本質(zhì)揭示了外加磁場(chǎng)對(duì)電阻點(diǎn)焊過程傳質(zhì)傳熱行為的控制機(jī)理。結(jié)果表明，在磁控電阻點(diǎn)焊過程中，熔化金屬不僅在通過電極中心軸的徑向平面內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)也在外加周向磁場(chǎng)力的驅(qū)使下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的沖刷熔核徑向邊緣的離心運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);

7、且隨著焊接時(shí)間的增加，該周向離心運(yùn)動(dòng)模式逐漸占據(jù)主導(dǎo)。與傳統(tǒng)點(diǎn)焊相比，磁控電阻點(diǎn)焊過程中的磁流體流速更快;熔核內(nèi)高溫帶呈長條狀沿直徑方向均勻分布;最終形成的熔核形狀呈現(xiàn)“兩頭厚、中間薄”的花生殼狀。
　　 3)磁控技術(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量問題的改善機(jī)理
　　 通過對(duì)DP590、DP780的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的橢圓體狀熔核相比，磁控電阻點(diǎn)焊的花生殼狀熔核呈現(xiàn)“更寬、更扁”的變化趨勢(shì);點(diǎn)焊接頭的微觀組織更均勻，

8、淬硬性降低。對(duì)于1.25mmDP780鋼板，在外加磁場(chǎng)作用下，接頭的拉剪力增幅約12.0％，失效時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的最大位移增幅約15.9％，接頭的高周疲勞性能有所提升。當(dāng)焊接電流處于發(fā)生界面斷裂與母材撕裂的臨界值附近時(shí)，外加磁場(chǎng)能夠有效改善電阻點(diǎn)焊接頭的失效模式，且失效斷口表面存在更多吸能性強(qiáng)的韌窩組織。
　　 4)磁控電阻點(diǎn)焊熔核尺寸評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與典型工程應(yīng)用
　　 針對(duì)磁控電阻點(diǎn)焊的熔核形狀特點(diǎn)，以接頭拉剪強(qiáng)度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，建立

9、了熔核尺寸評(píng)價(jià)準(zhǔn)則:當(dāng)焊透率大于25％時(shí)，熔核直徑越長，接頭強(qiáng)度越高;當(dāng)焊透率處于15％～25％時(shí)，熔核直徑與焊透率同時(shí)成為衡量接頭強(qiáng)度的主要尺寸參數(shù);當(dāng)焊透率小于15％時(shí)，焊接質(zhì)量均不合格?；诖嗽u(píng)價(jià)準(zhǔn)則，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):為了獲得相同質(zhì)量的點(diǎn)焊接頭，采用磁控技術(shù)能夠?qū)⑺璧暮附与娏鹘档图s300～500A，并適用于DP1000等超高強(qiáng)鋼。此外，基于勵(lì)磁線圈的電磁攪拌系統(tǒng)的開發(fā)在一定程度上提升了磁控電阻點(diǎn)焊技術(shù)在車身制造中的可應(yīng)用