铝合金电阻点焊过程的有限元模拟

!序言

电阻点焊是汽车车身制造中的一种主要连接技术。近年来，铝合金由于比钢结构重量轻、油效高、污染小，在汽车制造中得到了越来越广泛的应用。但是，与钢材相比，铝合金电阻点焊对焊接参数的变化敏感，导致焊接质量不稳定；同时，铝合金由于导热率高而电阻率小，焊接时所需焊接电流和电极压力高，使电极磨损加剧，电极寿命显著降低。因此，研究铝合金电阻点焊中焊接质量和电极寿命的影响因素和影响规律，对于改善接头质量、延长电极寿命和提高焊接生产率具有重要意义。

电阻点焊是一个电、热、力和冶金现象强烈耦合

的复杂过程

［"#$］

，为了更好地理解这一焊接过程，必

须定量描述焊接过程中的各种现象及其相互作用。在获得包括电阻点焊在内的焊接过程的内部信息方面，有限元方法已被证实是一个十分强大的工具。分析电阻点焊过程的一个主要的问题就是对不同界面上接触现象的模拟，特别是电接触现象的模拟。对电阻点焊过程进行有限元分析，一个关键的问题就是对被连接试件之间界面上接触电阻的准确模拟。界面接触现象十分复杂，接触电阻受到材料、温度、压力等许多因素的影响，目前尚没有很理想的方法对焊接过程中的动态接触电阻进行理论描述或实际测

量。%&’()*

［

+］

等人的有限元分析中，通过人为调整输

入的计算参数，使计算所得的动态接触电阻与试验

测定的动态电阻相吻合。,-./

［

0］

等人基于对静态接

触电阻的测量，利用材料屈服强度与温度的关系，给出了低碳钢电阻点焊中接触电阻与温度的关系曲

线。1*)2

［3］

等人基于大量试验结果所提出的接触电

阻模型，其中的修正系数仍然需要依据实际焊接结果来确定。显然，所有这些工作都有“试错法”的痕

迹。4/

［5，6］

等人提出了基于显微接触理论，不需要试

验结果修正的接触电阻模型，并在低碳钢的电阻点焊中得到了令人满意的结果，但该接触电阻模型在铝合金电阻点焊中是否适用，目前还没有研究报道。

该研究采用大型有限元分析软件789:9，将基于显微接触理论的接触电阻模型应用于铝合金电阻点焊过程的数值模拟，分析焊接过程中力、热、电等参数的变化规律。同时，进行相应的试验工作，获得不同焊接时刻熔核的形状和直径，以验证计算结果的正确性，考察接触电阻模型在铝合金电阻点焊过程模拟中的有效性。

"接触电阻模型

在;<=&.>-?<等人工作的基础上，4/

［

6］

等人提出

了基于显微接触理论、不需要试验结果修正的接触电阻模型。该模型认为，两金属接触界面间的电压应满足下述关系，即

!$@"（#-$A #B $），（"）式中：!为接触界面上的电压降；#-为材料的熔点（;），研究中，铝合金773"C$的熔点为36+’D ；#B 为材料的温度（;）；"为洛仑兹常数，

对于大多数的收稿日期：$!!+A!5A$!

基金项目：国家教育部留学回国人员科研启动金资助项目；中国博

士后科学基金的资助项目。

摘

要：建立了铝合金电阻点焊过程的有限元分析模型，采用基于显微接触理论的接

触电阻模型模拟点焊过程中试件与试件界面上的接触电阻。计算获得了焊接过程中电极E 试件和试件E 试件接触界面上接触半径的变化，以及试件间界面上压应力、电流密度和温度的分布。试验考察了熔核的形成和长大过程。比较表明，计算与试验测量结果符合很好，证实了所采用的接触电阻模型在铝合金电阻点焊模拟中的正确性和适用性。关键词：电阻点焊；铝合金；有限元方法；接触电阻中图分类号：,F0!$

文献标识码：7

文章编号：!$3+A+5!GH$!!0I!$A"JA!0

铝合金电阻点焊过程的有限元模拟

常保华"，都

东"，K<’>:L $

（"L 清华大学机械工程系，北京

"!!!C0；$LM*N.&OP*)O ’Q R*?<.)/?.=S)2/)**&/)2#

T)/U*&-/OV ’Q W.O*&=’’#W.O*&=’’#X)O.&/’#8$4+F"#D.).Y.）

常保华

第$3卷

第$期

$!!0年0月

焊接学报

,Z7897D,[X89X1,\S D\[87WS4M[8F [89,[,T,[X8

]’=L $38’L $7N&/=$!!

万方数据