摘要 電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)， 是一種不可或缺的材料加工方法。通過數(shù)值模擬優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，從而提高焊 接質(zhì)量是材料加工中一種重要分析方法。目前關(guān)于點(diǎn)焊熔核組織方面的數(shù)值模擬 還比較少，所以本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上研究了電阻點(diǎn)焊熔核組織及其微觀形 貌。 首先建立了熱、電耦合的溫度場(chǎng)計(jì)算模型，該模型考慮了焦耳熱源和對(duì)流邊 界條件，以及材料熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化。基于a n s y s 的熱電單元計(jì)算了 電阻點(diǎn)焊溫度場(chǎng)，得到電阻點(diǎn)焊加熱的特點(diǎn)和點(diǎn)焊熱循環(huán)曲線。然后根據(jù)點(diǎn)焊熔 核的冷卻速度，結(jié)合焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖( c c t 圖) ，得到了電阻點(diǎn)焊熔核 組織，建立了預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核組織的方法。根據(jù)該方法，對(duì)低碳鋼q 2 3 5 點(diǎn)焊熔核 組織進(jìn)行了預(yù)測(cè)，點(diǎn)焊工藝參數(shù)是：電流8 6 k a 、通電時(shí)間2 4 0 m s 、壓力l6 0 0 n ， 得出點(diǎn)焊熔核組織主要是貝氏體、少量的鐵素體和馬氏體。然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 組織預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。 提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)的模擬點(diǎn)焊熔核微觀組織形貌的模型，該模型在宏觀 溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上通過細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行微觀組織模擬計(jì)算。晶粒采用連續(xù)形核公 式異質(zhì)形核，通過捕獲四周的液態(tài)元胞晶粒生長，考慮了溫度梯度和成分過冷對(duì) 晶粒形核和生長的影響。將復(fù)雜的計(jì)算結(jié)果利用圖形實(shí)時(shí)顯示出來，不同的晶粒 用不同的顏色表示，使結(jié)果更加直觀。 通過m a n ，a b 語言編程，得出點(diǎn)焊時(shí)兩種典型的微觀組織形貌：柱狀晶和 “柱狀+ 等軸”組織。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低碳鋼的點(diǎn)焊熔核組織主要是粗大的柱狀 晶，鋁合金點(diǎn)焊熔核組織主要是“柱狀+ 等軸”晶，與模擬的微觀組織形貌基本 吻合證明了利用元胞自動(dòng)機(jī)模擬微觀組織形貌是可行的。 關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊熔核；組織預(yù)測(cè)；微觀組織形貌；元胞自動(dòng)機(jī)；數(shù)值模擬 a b s t r a c t r e s i s t 鋤c e s p o tw e l d i n g ( r s w ) h a st h ea d v a n t a g eo fh i 曲e f f i c i e n c y e a s y a u t o m a t i o n ，r e l i a b i l i 勺，a n ds t a b i l i 劬w h i c hm a d ei ta ne s s e n t i a lm a t e r i a lp r o c e s s i n g m e t h o d i ti s 觚i m p o r t 繃ta n a l y s i sm e t h o di nm a t e r i a lp r o c e s s i n gt oo p t i m i z ew e l d i n g p a 隨m e t e r sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 鋤dt h e r e f o r ce n h a n c et h ej o i n tq u a l i t y n o w t h e r ci sl i t t l en u m e r i c a is i m u l a t i o no nt h em i c r o s t n i c t u r eo fs p o tw e l d i n g ，s ot h i sp a p e r s t u d i e st h em i c r o s t l l l c t u r e ，a n dt h em o r p h o l o g yo ft h es p o tw e l d i n gn u g g e tb a s e do n t h en u m e r i c a ls i m u l a t o n f i r s t l y ，e s t a b l i s h e dam o d e lb a s e do nh e a t ，e l e c 仃i c a lc o u p l i n g t oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i e l d ， w h i c hc o n s i d e r e dj o u l eh e a ts u p p l y ， c o n v e c t i o n b o u n d a 叮 c o n d i t i o n s ， 鋤dt h et h e 咖a lp h y s i c a i p r o p e r t i e s o ft h em a t e r i a lv a 叫i n gw i t h t e m p e r a t u r e t h es p o tw e l d i n gt e m p e r a ：t u r ef i e l di sc a l c u l a t e db a s e do nt h ea n s y s h e a t 鋤de l e c t r i c a le l e m e n t ；、er c c e i v e dt h eh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h et h e m a l c y c l ec u r v eo fr c s i s t a n c es p o tw e l d i n g t h e na c c o r d i n g t 0t h en u g g e tc o o l i n gr a t ea n d c c tc h a n w eg o tt h em i c r o s t m c t u 佗o fs p o tw e i d i n gn u g g e t ，a n de s t a b l i s h e da m e t h o dt 0p r e d i c t i o nt h em i c r o s t l l j c t u 他o ft h es p o tw e l d i n gn u g g e t i nt h i sw a y w e r e s e a r c h e dt h en u g g e tm i c r o s t l l j c t u r eo fq 2 3 5 ，w i t ht h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e 體嬲 f o l l o w s ：8 6 k ac u r r e n t 2 4 0 m se i e c t r i f l e dt i m e ， 16 0 0 np 陀s s u r e t h e n u g g e t m i c r o s t m c t u r ei sm a i n l ym a d eu po fb a i n i t e ，w i t hl i t t l em a r t e n s i t ea n df e r r i t e t h e nw e v e r i f i e dt h ec o r r e c t i o no ft h ec o n c l u s i o nb ye x p e r i m e n t a la c t i o n s a l s oe s t a b l i s h e dam o d e lt 0s i m u l a t et h em o r p h o l o g y0 ft h es p o tw e i d i n gm i c r 0 s t r u c t u 佗b a s e do nc e i l u l a ra u t o m a t am e t h o d ，w h i c hc a l c u l a t e db yr e f i n i n gt h eg r i d b a s e do nt h em a c r 0t e m p e m t u 陀 f i e l dc a l c ui a t i o n c 口s t a l s a 佗 h e t e r o g e n e o u s n u c l e a t e db yc o n t i n u o u sf 0 九n i n gf 0 n n u l a a n dg r o w nu pb yc a p t u r i n gt h e1 q u i ds t a t e c e l l sa na r o u n d ，鋤dt h ee a ：e c to ft e m p e r a t u r eg r a d i e n t 鋤di n g r e d i e n to v e r c o o l i n gw 鶴 c o n s i d e 他d t 1 1 ec o m p l e xc a l c u l a t i o n 他s u l t sw e r ed i s p l a y e di nr e a l t i m ei m a g e sw i t l l d i f r e r c n tc o l o 硌 m e a n sd i a ：e r c n t c 叫s t a l s ， w h i c hm a k e st h e他s u j tv i s u a la n d s t r a i g h t f 0 r w a r d t h et w ot y p i c a lk i n d so fm i c r o s t r u c t u r eo fs p o tw e l d i n gn u g g e tw e r eo b 協(xié)i n e d t h r o u 曲t h em a t l a bp r o g r a m m i n ga n dc a l c u l a t i n g ：t h ec o l u m n a rm i c r o s t l l j c t u r ea n d t h ec o l u m n a r - e q u i a x e dm i c r o s t r u c t u 他t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ei o wc a r b o n s t e e ls p o tw e i d i n gn u g g e th a v et h i c kc o i u m n a rc 巧s t a l s ，a n da l u m i n u ma l l o ys p o t w e l d i n gn u g g e ta r em a d eu po fc o l u m n a 卜e q u i a x e dc r y s t a l s ，w h i c hc o i n c i d e sw i t ht h e n u m e r i c a ls i m u i a t i o nr e s u l t ，a n dm e 鋤w h i l ev e r i n e dt h em i c r o s t l l j c t u r em o 巾h o l o g y s i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec e l l u l a ra u t o m a t am e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：r s wn u g g e t ， m i c m s t l l l c t u r e p r e d i c t i o n ， m i c r o s t m c t u r e m o r p h o l o g y ，c e l l u l 甜a u t o m a t a ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第一一章緒論 1 1 本課題的意義 第一章緒論 焊接是主要的金屬材料連接方法，點(diǎn)焊作為金屬加工技術(shù)的一個(gè)分支，在現(xiàn) 代制造業(yè)中占有不可替代的作用，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、機(jī)械、電子、 車輛及輕工部門【l 】。在焊接生產(chǎn)中，電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 和自動(dòng)化、可靠性好、性能穩(wěn)定和方法簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為汽車車身裝配的主要連 接手段，在轎車車身裝配中占據(jù)著舉足輕重的地位。 目前，我國的汽車工業(yè)正處于黃金發(fā)展時(shí)期。2 0 0 8 年我國汽車銷售量突破 9 0 0 萬輛，2 0 0 9 年汽車產(chǎn)銷雙贏分別達(dá)到1 3 0 0 多萬輛，預(yù)計(jì)2 0 1 0 年的汽車產(chǎn)量 會(huì)突破1 6 0 0 萬輛。隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，新車新款和新能源動(dòng)力汽車不斷 亮相，中國將成為世界汽車制造大國和產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛汽車白車身上 需要4 0 0 0 6 0 0 0 個(gè)焊點(diǎn)，由此可知點(diǎn)焊技術(shù)在保證汽車車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和提高 生產(chǎn)效率中起著重要作用【2 】。提高點(diǎn)焊質(zhì)量能帶來經(jīng)濟(jì)效益，還能提高企業(yè)在日 益激烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的競(jìng)爭(zhēng)力。點(diǎn)焊焊接時(shí)間短，這種方法焊接能量集中，熱影 響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高，不需要保護(hù)氣體而直接進(jìn)行焊接。因?yàn)辄c(diǎn)焊熔核是 在電極壓力下兩工件接觸面上形成，不暴露于空氣中，所以焊點(diǎn)接頭不產(chǎn)生高溫 氧化，點(diǎn)焊質(zhì)量良好，并具有良好的接頭性能。 電阻點(diǎn)焊是一個(gè)多因素耦合的時(shí)變非線性過程，通過電、熱、力、磁等多個(gè) 因素綜合作用i ”】。電阻點(diǎn)焊的焊接方式包括雙面點(diǎn)焊、單面點(diǎn)接、單點(diǎn)點(diǎn)焊和 多點(diǎn)點(diǎn)焊等，焊點(diǎn)的尺寸和拉伸強(qiáng)度受電極直徑和壓力、通電電流、通電時(shí)間和 分流等因素影響。點(diǎn)焊中經(jīng)常出現(xiàn)飛濺、焊點(diǎn)表面質(zhì)量差、熔核尺寸波動(dòng)大等問 題，需要對(duì)點(diǎn)焊工藝進(jìn)行科學(xué)的研究。由于熔核形成過程的不可見性和瞬時(shí)性給 實(shí)驗(yàn)研究帶來了很大困難，使得對(duì)點(diǎn)焊過程機(jī)理的認(rèn)識(shí)一直不夠深入。目前，繼 實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)之后又出現(xiàn)了一種新的分析手段，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。這種分析方 法由于對(duì)條件限制少，節(jié)省成本提高效率，已經(jīng)滲透到各個(gè)研究領(lǐng)域。數(shù)值模擬 不局限于點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)條件的限制，為點(diǎn)焊研究提供了有效的理論分析方法，可靈活 地研究點(diǎn)焊過程中的各種影響因素，對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的研究與發(fā)展有重要作用，同時(shí) 可以幫助人們進(jìn)行一些在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下比較難實(shí)現(xiàn)或完成的研究。 焊接過程中劇烈的加熱和冷卻過程使焊接接頭的微觀組織發(fā)生劇烈變化，導(dǎo) 致焊接接頭強(qiáng)度和塑性、韌性的變化。焊接過程影響因素較多，難以直接建立物 第一章緒論 理模型和數(shù)學(xué)模型來研究，為了了解焊接過程對(duì)材料性能的影響，動(dòng)態(tài)再現(xiàn)焊接 接頭組織變化，很多學(xué)者對(duì)焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和 對(duì)焊接本質(zhì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)焊接接頭凝固過程和微觀組織的數(shù)值模擬取得了一 定的研究成果。通過模擬焊接接頭的微觀組織，可以預(yù)測(cè)不同焊接條件下接頭組 織的形態(tài)，從而為優(yōu)化焊接工藝和改善接頭性能的提供指導(dǎo)。 1 2 焊接數(shù)值模擬的發(fā)展 焊接數(shù)值模擬是指在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過一系列控制方程來描述焊接過程或 其某一方面的特征，在定性分析的基礎(chǔ)上推測(cè)和預(yù)測(cè)極端情況下尚不為人知的規(guī) 則，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬，比如數(shù)值模擬焊接熱過程、焊縫金屬凝固和焊接 接頭固態(tài)相變、焊接熱影響區(qū)氫擴(kuò)散行為、焊接應(yīng)力和應(yīng)變、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂 紋擴(kuò)展和斷裂韌性等，幫助人們認(rèn)清焊接過程的本質(zhì)和規(guī)律。通過對(duì)焊接現(xiàn)象和 過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，從而減少試驗(yàn)工作量，提高生產(chǎn) 效率和焊接接頭的質(zhì)量。 1 2 1 點(diǎn)焊數(shù)值模擬的國內(nèi)外進(jìn)展 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬在焊接中的應(yīng)用越來越廣泛。近些年來很 多學(xué)者應(yīng)用有限元方法研究電阻點(diǎn)焊過程，并得到了一定的進(jìn)展。1 9 9 7 年，h h u h 等通過三維的熱電模型研究了電極形狀對(duì)點(diǎn)焊的影響。模型中考慮了電極與工件 以及工件之間的接觸電阻隨溫度的變化，但將其假設(shè)為隨溫度變化的線性關(guān)系， 并且忽略了壓力對(duì)接觸電阻的影響。研究表明電極的橢圓度對(duì)電流分布和產(chǎn)熱都 有影響。1 9 9 9 年，k s y e u n g 和p h t h o m t o n 建立模型分析了點(diǎn)焊時(shí)電極的 瞬態(tài)熱過程，提出了提高電極壽命的方法1 6 1 。j a m i l a k h a n 等人建立三維的鋁合 金點(diǎn)焊模型【_ 丌，研究了焊接電流、工件間接觸電阻和電極與工件的接觸電阻對(duì)點(diǎn) 焊熔核形成過程的影響。 在國內(nèi)，林忠欽等對(duì)白車身點(diǎn)焊裝配過程建立了軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析，但在 模型中沒有提及接觸電阻的問題。李寶清等通過建立熱、力、電耦合的電阻點(diǎn)焊 過程有限元模型，分析了點(diǎn)焊過程中產(chǎn)熱過程和能量分布，研究了鋁合金電阻點(diǎn) 焊過程的機(jī)理。天津大學(xué)的羅震【8 】通過穩(wěn)定分布的理論對(duì)鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的初始接 觸電阻進(jìn)行了研究。給點(diǎn)焊質(zhì)量控制提供了指導(dǎo)。作者還根據(jù)電壓信號(hào)的能譜分 析、點(diǎn)焊過程聲音信號(hào)的時(shí)頻域分析、點(diǎn)焊電極位移的動(dòng)態(tài)變化研究提出了基于 遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來檢測(cè)點(diǎn)焊質(zhì)量。馬迎兵對(duì)點(diǎn)焊過程中的電極壓力進(jìn)行 了研究，指出不同的電極壓力曲線對(duì)提高焊點(diǎn)強(qiáng)度和焊點(diǎn)質(zhì)量的規(guī)律【9 】。作者在 2 第一章緒論 文中設(shè)計(jì)了以馬鞍形為主的四種不同形狀的壓力曲線，然后通過拉伸剪切實(shí)驗(yàn)研 究它們對(duì)點(diǎn)焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響，與恒壓情況相比它們都不同程度地提高了點(diǎn) 焊接頭強(qiáng)度。 2 0 0 8 年天津大學(xué)的羅保發(fā)采用s y s w e l d 有限元軟件建立了鋁合金電阻點(diǎn) 焊的熱、力、電耦合模型，動(dòng)態(tài)模擬了點(diǎn)焊熔核形成、長大的全過程i l o 】。文中考 慮了材料物理參數(shù)隨溫度的非線性變化以及結(jié)晶潛熱的處理，研究了鋁合金點(diǎn)焊 時(shí)組織的變化，為研究和控制點(diǎn)焊接頭質(zhì)量提供了方法。葉茂】等還提出了基于 有限元的點(diǎn)焊熔核反問題研究，作者的思路是首先根據(jù)點(diǎn)焊接頭的性能要求通過 受力分析得到滿足要求的熔核尺寸，然后根據(jù)有限元模型模擬出熔核，對(duì)點(diǎn)焊工 藝參數(shù)的制定提供指導(dǎo)。文中最后給出圓臺(tái)形的熔核受力性能最好，更加符合實(shí) 際情況。趙熹華等根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)的計(jì)算原理，考慮了液態(tài)金屬的對(duì)流傳 熱，材料物理性能參數(shù)和接觸電阻隨溫度的變化，相變潛熱對(duì)形核熱過程的影響 等因素，建立了鋁合金點(diǎn)焊?jìng)鳠岷鸵簯B(tài)金屬流動(dòng)過程的軸對(duì)稱有限元模型【1 2 1 。計(jì) 算結(jié)果表明，在熔核中心軸線附近對(duì)流流速最大達(dá)l o 。m m s ，回流環(huán)從熔核中心 向邊緣傳遞能量，降低熔核內(nèi)的溫度梯度，有利于熔核的生長。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與計(jì)算 結(jié)果吻合良好。燕山大學(xué)的李靜采用s y s w e l d 有限元軟件建立了點(diǎn)焊有限元分 析模型。在溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上計(jì)算出點(diǎn)焊接頭中應(yīng)力分布不均勻，熔核中心的應(yīng)力 比較小，熱影響區(qū)的應(yīng)力高，在工件間貼合面接觸邊緣附近殘余應(yīng)力最大1 1 3 】。 到目前為止，電阻點(diǎn)焊中研究比較多的是熱、電、力行為，通過耦合熱、電、 力建立點(diǎn)焊模型，研究點(diǎn)焊過程形核機(jī)理以及焊點(diǎn)的力學(xué)性能。但是目前還未有 人對(duì)點(diǎn)焊相變過程進(jìn)行研究，進(jìn)行點(diǎn)焊微觀組織的數(shù)值模擬研究。 1 2 2 焊接組織預(yù)測(cè)的國內(nèi)外進(jìn)展 一直以來焊接工作者的重要研究方向之一是：改善焊接接頭的質(zhì)量、控制焊 接接頭中裂紋的發(fā)生，研究焊縫和影響區(qū)中的組織形態(tài)變化以及組織變化對(duì)性能 的影響【l4 1 。然而，由于焊接熱影響范圍很小、焊接熱循環(huán)加熱時(shí)間短、變化快、 溫度變化范圍大，因此在試驗(yàn)中很難直接測(cè)定焊接熱影響區(qū)或焊縫中的相變。另 外，通過試驗(yàn)研究焊接相變動(dòng)力學(xué)和相變規(guī)律，在方法和設(shè)備上還存在一定的困 難。但是從上世紀(jì)八十年代開展模擬焊接熱循環(huán)的研究工作以來，對(duì)相變研究的 困難得到了一定解決，并且促進(jìn)了焊接c c t ( c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o n n a t i o n ) 圖研究制定工作的迅速發(fā)展。 在國外，在不到2 0 年的時(shí)間里，通過模擬熱循環(huán)使得焊接c c t 圖的測(cè)定達(dá)到 了比較完善的程度。各大型焊接研究院、所，都相繼自行研制了大型全自動(dòng)快速 膨脹儀，使測(cè)定焊接c c t 圖水平有很大提高。使大家對(duì)焊接相變過程、焊接組織 第一章緒論 與工藝之間的關(guān)系，有了更深刻的認(rèn)識(shí)。通過焊接c c t 圖的研究，對(duì)選擇能夠使 焊縫性能最優(yōu)化的焊接材料、制定最佳焊接規(guī)范和焊后熱處理工藝、控制焊接裂 紋等缺陷的發(fā)生均有重大的實(shí)際意義。哈爾濱焊接研究所從上世紀(jì)6 0 年代就開始 重視焊接組織相變的分析研究工作，對(duì)與焊接工藝和微觀組織相關(guān)的焊接缺陷也 進(jìn)行了大量的分析研究。制定了1 5 m n v n 、2 0 s i m n 、a 3 、1 5 m n v n r 、b h w 3 5 等焊接c c t 圖，為制定鋼材的焊接標(biāo)準(zhǔn)提供了焊接工藝參數(shù)，并為分析焊接熱影 響區(qū)組織和性能的變化提供了數(shù)據(jù)。 隨著計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用，焊接過程軟件分析已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。依據(jù)鋼 的焊接c c t 圖可以正確選擇焊接材料，確定最佳焊接工藝及制定焊后熱處理規(guī) 范，得到滿足使用性能要求的焊后組織。由于焊材和母材的多樣性造成了焊接 c c t 圖的種類繁多，不易整理和搜集；同時(shí)c c t 圖的應(yīng)用原理較為復(fù)雜，需要大 量的計(jì)算和分析，此過程如果人工操作會(huì)需要消耗很多工時(shí)和難以避免的計(jì)算誤 差。電子版焊接c c t 曲線庫充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算、超大容量的信息存儲(chǔ)功 能，有利于焊接c c t 圖的推廣與應(yīng)用。 研究發(fā)現(xiàn)焊接接頭性能和冷卻時(shí)間之間有一個(gè)最佳化【1 5 】。在臨界冷卻時(shí)間 下，接頭有足夠的韌性同時(shí)強(qiáng)度不會(huì)明顯的下降。臨界冷卻時(shí)間值可以通過實(shí)驗(yàn)、 材料的碳當(dāng)量和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線( s h c c t 圖) 等確定。焊接方法、焊接參數(shù)、 焊接尺寸等因素將會(huì)對(duì)該冷卻時(shí)間產(chǎn)生影響。這些因素可以在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)作為 初始條件輸入，從而求得熔合區(qū)的冷卻時(shí)間。適當(dāng)變化參數(shù)便可改變臨界冷卻時(shí) 間，從而達(dá)到焊接接頭性能最佳化。隨著數(shù)值模擬研究深入，溫度場(chǎng)、相變和熱 應(yīng)力三者之間的耦合作用越來越受到人們的重視。目前常見的預(yù)測(cè)模型，是利用 組織狀態(tài)圖和相變動(dòng)力學(xué)的計(jì)算公式，結(jié)合焊接熱循環(huán)曲線，通過耦合焊接傳熱 和組織變化給出瞬態(tài)組織預(yù)示程序。 張初冬編寫了能夠模擬焊接過程瞬態(tài)組織的程序，該程序是以焊接熱傳導(dǎo)程 序?yàn)榛A(chǔ)設(shè)計(jì)而成的【l6 1 。利用狀態(tài)圖和相變動(dòng)力學(xué)中的計(jì)算公式，給出了相變的 特征溫度和奧氏體連續(xù)冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變速度的公式，該程序能對(duì)不同焊接條 件下已知鋼材成分的，焊接接頭在焊接過程中及焊后任一瞬間、任一點(diǎn)處各組織 的體積百分?jǐn)?shù)，并繪出各組分的等值分布圖。作者應(yīng)用這一程序模擬了低合金鋼 管線環(huán)焊縫手工焊微觀組織，進(jìn)一步驗(yàn)證了該程序的可行性。李志勇等建立了8 大系列合金包含2 0 0 多幅焊接c c t 圖形的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)包括相關(guān)材料的成分庫舊。 在不同焊接條件下通過v b 編程實(shí)現(xiàn)成分預(yù)測(cè)、冷裂性判定、組織判定和性能判 定等功能。輸入焊接工藝參數(shù)后計(jì)算冷卻時(shí)間，根據(jù)焊接c c t 圖對(duì)焊接熱影響區(qū) 和焊縫的組織進(jìn)行預(yù)測(cè)：在組織預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)焊接接頭性能和冷裂性傾向進(jìn) 行判斷；從而使運(yùn)用焊接c c t 圖預(yù)測(cè)組織性能的過程軟件化，實(shí)現(xiàn)焊接工藝優(yōu)化。 4 第一章緒論 文中驗(yàn)證了1 5 m n v n 手工電弧焊時(shí)焊縫組織，說明該軟件能夠?qū)负蠼宇^的組織 性能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。有利于焊接c c t 圖的推廣和應(yīng)用，具有重要的工程意義。王后孝， 魏艷紅等通過三維移動(dòng)串熱源簡(jiǎn)化熔化極氣體保護(hù)焊( g m a w ) 的熱輸入，通過建 立的串熱源模型，模擬了j g 5 9 0 低合金鋼的焊接熱過程【l 引。通過觀察焊接接頭和 熔合線橫截面的幾何尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性。文中還分析評(píng)價(jià)了目前常用 的t 8 ，5 計(jì)算公式，有經(jīng)典傳熱理論式、d v w e r 理論經(jīng)驗(yàn)公式和m i c h i o 經(jīng)驗(yàn)公式，利 用本文模型可以計(jì)算出不同材料和焊接工藝參數(shù)條件下的t 8 ，5 。結(jié)合j g 5 9 0 鋼焊接 連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖( c c t 圖) ，成功預(yù)測(cè)了其焊接熱影響區(qū)( h a z ) 的組織及硬 度。 1 2 3 焊接微觀組織模擬的國內(nèi)外進(jìn)展 焊縫及熱影響區(qū)( h a z ) 的微觀組織決定著接頭的性能。焊縫組織受焊縫金 屬及母材成分、焊接熱循環(huán)、奧氏體晶粒大小、夾雜物尺寸和分布等因素的影 響，形成過程復(fù)雜【i9 1 ?？梢酝ㄟ^相變熱力學(xué)計(jì)算鐵素體、貝氏體、馬氏體等形核 孕育時(shí)間和開始轉(zhuǎn)變的溫度；通過相變動(dòng)力學(xué)計(jì)算新生相的生長速度和最終百分 比含量。在不平衡的連續(xù)冷卻過程中，相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算都比較困難，而 且組織轉(zhuǎn)變過程中一些變量還無法用現(xiàn)有的物理模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，因 此，模擬接頭微觀組織有一定的困難。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在焊接領(lǐng)域里 計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用越來越廣泛。目前很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了階段 性的進(jìn)展。 目前，焊接接頭微觀組織模擬方法主要有確定性方法，概率性方法和相場(chǎng)法 三大類。 1 確定性方法 確定性方法是指在給定時(shí)刻，通過確定的函數(shù)得出一定體積熔體內(nèi)晶粒的形 核密度和生長速率。該確定函數(shù)可以通過具體的實(shí)驗(yàn)求得?，F(xiàn)在很多學(xué)者利用確 定性方法研究微觀組織。運(yùn)用確定性方法建立的模型，能夠預(yù)測(cè)等軸晶晶粒度、 柱狀晶的定向生長等微觀組織的特征。如文獻(xiàn)f 2 0 】中給出了焊縫奧氏體晶粒尺寸計(jì) 算模型，從晶粒長大的熱力學(xué)基本原理出發(fā)，考慮焊接條件的影響，以及焊縫金 屬合金元素對(duì)晶粒長大的影響。在連續(xù)冷卻條件下建立了一個(gè)低合金鋼焊縫金屬 中奧氏體晶粒尺寸的計(jì)算模型，晶粒的大小跟碳原子的擴(kuò)散速率有關(guān)。但確定性 方法忽略了一些晶體學(xué)行為，例如柱狀晶的擇優(yōu)生長，柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變， 晶粒尺寸的變化等。 2 概率性方法 上世紀(jì)八十年代，人們根據(jù)概率方法提出了一種新的研究晶粒的隨機(jī)性方 第一章緒論 法，其中比較典型的是蒙特卡羅m c ( m o n t ec a r l o ) 法和元胞自動(dòng)機(jī)c a ( c e l l u l a r a u t o m a t a ) 法。m c 方法根據(jù)界面能最小的原理，以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，通過隨 機(jī)抽樣手段對(duì)晶粒生長過程進(jìn)行模擬【2 1 1 。m c 法沒有分子動(dòng)力學(xué)中的迭代計(jì)算， 可以保證收斂性，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的情況。m c 法的優(yōu)點(diǎn)是收斂速度與所研 究問題的維數(shù)無關(guān)，容易確定它的誤差。另外m c 法的計(jì)算量小，所需機(jī)時(shí)少， 這也是它相對(duì)于確定性方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 c a 法最早是由v o nn e u m a n n 和u l a m 提出的仿生物體模型，隨后逐漸完善被 應(yīng)用到數(shù)學(xué)、物理、城市交通和材料科學(xué)等領(lǐng)域。c a 法是一種理想化模型，離 散變量進(jìn)行計(jì)算，是一種建立模型的基本思想和方法。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展， 1 9 8 5 年s w o l 仔a m 深入研究了c a 法的理論及應(yīng)用，較系統(tǒng)地給出了一些數(shù)學(xué)理論 基礎(chǔ)和統(tǒng)計(jì)描述，逐漸地讓人們認(rèn)識(shí)到元胞自動(dòng)機(jī)的價(jià)值，從而激發(fā)起對(duì)它的研 究興趣。元胞自動(dòng)機(jī)在材料科學(xué)中可以用在模擬鑄件的凝固、再結(jié)晶長大、晶粒 生長等方向【玨2 4 1 。 3 相場(chǎng)法 近幾年，一種新的可以直接模擬微觀組織的方法一相場(chǎng)法逐漸受到大家的熱 捧。相場(chǎng)法是一種計(jì)算技術(shù)，引入新變量一相場(chǎng)【p 而得名，可以在枝晶尺度上真 實(shí)地模擬微觀組織的形貌【2 ”6 1 。系統(tǒng)中的相具有恒定的相場(chǎng)值，例如固相區(qū)釅= 0 ， 液相區(qū)q = l ，固液界面上( p 值在o 1 之間連續(xù)變化，相場(chǎng)法可以模擬固液界面處 新相和母材界面復(fù)雜的生長過程。相場(chǎng)方法以金茲堡一朗道相變理論為基礎(chǔ)，在 統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上通過微分方程來表達(dá)擴(kuò)散、熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的綜合作用。求解相場(chǎng)參 數(shù)需要考慮外部溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流場(chǎng)等，在使用顯式差分時(shí)界面厚度與網(wǎng)格步 長需要滿足一定條件。相場(chǎng)方程的解描述了金屬固液界面的形態(tài)、曲率以及界面 的移動(dòng)。 目前，相場(chǎng)法在凝固過程枝晶生長的模擬中取得了成就，但在模擬固態(tài)相變 過程中組織轉(zhuǎn)變?nèi)孕枰M(jìn)一步研究。蒙特卡羅方法主要用在模擬焊接熱影響區(qū)晶 粒生長過程，而c a 法已被廣泛應(yīng)用在凝固和固態(tài)相變的微觀組織轉(zhuǎn)變模擬上。 在國內(nèi)，李殿中等1 2 。7 】建立了枝晶尖端生長動(dòng)力學(xué)模型，用元胞自動(dòng)機(jī)方法研究了 晶粒的生長和擇優(yōu)晶向的影響，得出了柱狀晶到等軸晶轉(zhuǎn)變的規(guī)律。然后用這種 方法模擬了鎳基合金葉片凝固過程，得出了微觀晶粒生長過程并且用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài) 彩色顯示結(jié)果。在進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上建立了金屬凝圃時(shí)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、應(yīng)力 應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬和金屬成型過程中組織演變的宏一微觀耦合模型，又用元胞自 動(dòng)機(jī)方法模擬了金屬成型過程中的組織演變。張林，關(guān)小軍等在元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng) 用上也做了一系列的研究，推動(dòng)材料微觀組織的模擬1 2 8 2 9 1 。 6 第一章緒論 1 3 本課題的主要研究內(nèi)容 目前對(duì)點(diǎn)焊熔核組織的數(shù)值模擬還比較少，本文的主要目的是對(duì)電阻點(diǎn)焊熔 核組織進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過元胞自動(dòng)機(jī)模擬微觀組織形貌。 本課題從以下幾個(gè)方面展開研究。 ( 1 ) 通過建立熱、電耦合有限元模型，計(jì)算電阻點(diǎn)焊溫度場(chǎng)，得到點(diǎn)焊溫 度場(chǎng)的特點(diǎn)和熱循環(huán)曲線。 ( 2 ) 介紹焊接接頭固態(tài)相變的特點(diǎn)，建立基于冷卻速度和焊接連續(xù)冷卻曲 線( c c t 圖) 的熔核組織預(yù)測(cè)方法。 ( 3 ) 介紹元胞自動(dòng)機(jī)方法和微觀組織模擬的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)，建立模擬點(diǎn)焊 熔核微觀組織形貌的模型。 ( 4 ) 通過建立的元胞自動(dòng)機(jī)模型，模擬點(diǎn)焊熔核柱狀晶和“柱狀+ 等軸”晶 的微觀組織形貌。 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 2 1 電阻點(diǎn)焊基本原理 電阻點(diǎn)焊是一種應(yīng)用廣泛的材料連接方法。通過適當(dāng)?shù)奈锢硪换瘜W(xué)過程，使 金屬表面形成金屬鍵連成一個(gè)整體是焊接的目的。壓力焊同時(shí)還在焊接區(qū)施加一 定的壓力，過程類似于熔化焊，但是在壓力作用下提高了接頭的質(zhì)量。電阻焊是 通過金屬的電阻熱和塑性變形能量使分離的金屬表面形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn) 生晶粒得到焊點(diǎn)。下面將介紹電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)和接頭的形成過程。 2 1 1 電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn) 點(diǎn)焊是將裝配成搭接接頭的焊件用壓力壓緊在兩電極之間，利用內(nèi)部電阻熱 熔化母材金屬，使金屬達(dá)到原子鍵連接，形成滿足一定尺寸焊點(diǎn)的電阻焊方法。 點(diǎn)焊在電子、儀表、家用電器的部件裝配連接上廣泛地應(yīng)用，同時(shí)在交通運(yùn)輸及 航空航天工業(yè)上沖壓件、金屬構(gòu)件的焊接上大量應(yīng)用。為了保證點(diǎn)焊的質(zhì)量，首 先點(diǎn)焊接頭需要具有一定的強(qiáng)度，這主要取決于熔核尺寸、焊點(diǎn)及周圍熱影響區(qū) 內(nèi)金屬的顯微組織及缺陷情況。其次設(shè)計(jì)時(shí)需要讓金屬在焊接時(shí)具有較好的焊接 性馴。 點(diǎn)焊具有接頭質(zhì)量高、輔助工序少、不需要焊接材料和沒有煙塵污染等電阻 焊方法的通性，還有以下一些自身的特點(diǎn)： ( 1 ) 焊件是靠尺寸不大的熔核來連接，在兩焊件的貼合面上熔核均勻、對(duì) 稱的分布； ( 2 ) 點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)是電流大、時(shí)間短、在壓力狀態(tài)下進(jìn)行焊接，所以點(diǎn) 焊熔核不可見，并且有塑性環(huán)的保護(hù)： ( 3 ) 點(diǎn)焊是熱和機(jī)械共同作用的焊接過程，通過熱作用熔化貼合面上的母 材金屬，通過機(jī)械力使焊接區(qū)發(fā)生塑性變形。 2 1 2 點(diǎn)焊接頭的形成過程 點(diǎn)焊是在熱與機(jī)械( 力) 作用下形成焊點(diǎn)的過程。一個(gè)焊點(diǎn)的形成需要經(jīng)過 加壓、通電加熱、維持和休止等階段。點(diǎn)焊焊接循環(huán)中的各個(gè)階段都有重要作用， 了解每一階段的意義和在工作時(shí)的具體作用為制定合理的點(diǎn)焊工藝，得到性能良 8 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 好的焊點(diǎn)有幫助。 點(diǎn)焊接頭由熔核、塑性環(huán)、周圍母材金屬三部分組成，通過預(yù)壓、通電加熱 和冷卻結(jié)晶這三個(gè)連續(xù)的點(diǎn)焊焊接循環(huán)過程形成。圖2 1 描繪了典型點(diǎn)接接頭的 形成過程3 們。 一 i 旺 一 曩 圖2 1 點(diǎn)焊接頭形成過程 i 一預(yù)壓階段、詡電加熱階段一冷卻結(jié)晶階段 1 預(yù)壓階段通電之前對(duì)工件進(jìn)行加壓，這個(gè)過程的特點(diǎn)是f w 0 、i = 0 。 點(diǎn)焊循環(huán)開始時(shí)，在不通焊接電流的情況下，通過伺服電機(jī)施加扭矩對(duì)工件產(chǎn)生 一個(gè)預(yù)壓力。通過電極壓力清除一部分不平的接觸表面和氧化膜，暴露出導(dǎo)電的 金屬，在被焊工件表面形成導(dǎo)電接觸點(diǎn)，保持了接觸電阻的穩(wěn)定。為焊接電流的 順利通過，控制熔核內(nèi)的裂紋和夾雜以及減少點(diǎn)焊過程中的飛濺做好準(zhǔn)備。當(dāng)焊 件厚度大，材料變形阻力大，焊接部位剛性過大變形困難，或材料表面氧化膜太 厚清理不良時(shí)，可以通過提高預(yù)壓力或用較小的預(yù)熱電流，以保證焊接區(qū)能緊密 接觸。 2 通電加熱階段此階段的特點(diǎn)是f w 0 、i 0 ，在熱和機(jī)械力的共同作 用下形成塑性環(huán)、熔核，并隨著不斷的通電加熱繼續(xù)長大，形成所需要尺寸的點(diǎn) 焊熔核。在通電開始的一段時(shí)間里，由于電阻熱接觸點(diǎn)不斷擴(kuò)大，固態(tài)金屬受熱 膨脹，在焊接壓力的作用下發(fā)生塑性變形并擠向板縫：緊跟著開始出現(xiàn)液態(tài)熔核 并且不斷長大，最終達(dá)到所需的熔核尺寸。切斷電流停止加熱后，維持兩電極對(duì) 工件的壓力，液態(tài)熔核將在壓力的作用下冷卻結(jié)晶。 在通電加熱階段，液態(tài)熔核周圍的母材，溫度升高后在電極壓力作用下發(fā)生 塑性變形和再結(jié)晶形成塑性環(huán)。塑性環(huán)使得工件周圍的氣體不能侵入熔核，從而 控制熔核中的金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，同時(shí)也保證液態(tài)熔核金屬不形成飛濺沿板縫被 擠出。 3 冷卻結(jié)晶階段這一階段點(diǎn)焊工藝特點(diǎn)是f w 0 、i = 0 ，液態(tài)熔核在壓 力的作用下冷卻結(jié)晶。焊點(diǎn)的最終性能取決于組織的類型和組織的大小、分布、 9 護(hù)衛(wèi)一百忙護(hù)罾忙害忙軎忙擴(kuò)母 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 狀態(tài)等，所以冷卻結(jié)晶過程對(duì)點(diǎn)焊很重要。三種典型的點(diǎn)焊熔核凝固組織是：柱 狀組織、等軸組織、“柱狀+ 等軸”組織，主要在于材質(zhì)和焊接工藝規(guī)范的不同。 一般情況下，熔核凝固組織很少完全是等軸晶。柱狀組織經(jīng)常出現(xiàn)在鈦、鎳等純 金屬中，或者結(jié)晶溫度區(qū)間比較窄的合金( 如鈦合金、鋼、合金鋼等) 的熔核組 織中?！爸鶢? 等軸”晶的微觀組織形貌在鋁合金薄板點(diǎn)焊中彼常見。 2 2 點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 焊接熱過程具有不均勻性、瞬時(shí)性、復(fù)雜性和不穩(wěn)定的特征，然而焊接應(yīng)力 場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)取決于溫度場(chǎng)，它還跟結(jié)晶、相變緊密聯(lián)系。因此準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量點(diǎn) 焊熱過程是組織模擬的前提。點(diǎn)焊熔核的不可見性和無損檢測(cè)的困難，使得通過 建立有限元模型來研究點(diǎn)焊過程具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。點(diǎn)焊過程中工件和電 極頭的物理性能參數(shù)，比如比熱、焓、電阻率等隨時(shí)間變化，是一個(gè)瞬態(tài)熱過程， 本文使用大型有限元計(jì)算軟件a n s y s 來求解點(diǎn)焊溫度場(chǎng)。 2 2 1 有限元模型的建立 點(diǎn)焊熔核形成過程包括力、熱、電、冶金等物理化學(xué)過程，而且這些因素之 間相互作用，使得點(diǎn)焊過程瞬態(tài)變化。在有限元模擬過程中，將對(duì)求解結(jié)果影響 不大的因素進(jìn)行以下簡(jiǎn)化和假設(shè)： ( 1 ) 考慮到電極和工件的對(duì)稱性，電壓和電流分布的近似對(duì)稱性，通過兩 次軸對(duì)稱，取點(diǎn)焊時(shí)l 4 實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算； ( 2 ) 假設(shè)點(diǎn)焊過程中電極壓力保持不變，并且均勻分布在電極的軸截面上， 將其等效為壓力； ( 3 ) 在模擬過程中，忽略了湯姆遜效應(yīng)的影響。 羲對(duì)藐 圖2 2 點(diǎn)焊有限元模擬幾何模型 l o 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 基于上述假設(shè)。本文建立了點(diǎn)焊有限元模擬的幾何模型，如圖2 2 所示，采 用錐形平頭電極，端面直徑6 m m ，電極主體直徑1 6 m m ，內(nèi)部水冷處直徑8 m m 。 2 2 2 熱源方程和邊界條件 電流通過被焊工件引起的加熱是點(diǎn)焊形成接頭的主要熱量。電流流經(jīng)導(dǎo)體 時(shí)，導(dǎo)體將析熱使溫度升高，這是因?yàn)閷?dǎo)體的電阻吸收電能并轉(zhuǎn)換為熱能，是電 流的熱效應(yīng)。電阻點(diǎn)焊時(shí)，電流通過兩電極之間的金屬區(qū)焊接區(qū)時(shí)，金屬具 有電阻也會(huì)析熱，在焊件內(nèi)部形成熱源內(nèi)部熱源。根據(jù)焦耳楞次定律， 產(chǎn)生的熱量為： q = 1 2 r t ( 2 一1 ) 式中i 為點(diǎn)焊電流的有效值( a ) ： r 為焊接區(qū)總電阻的平均值( q ) ； t 為通過點(diǎn)焊電流的時(shí)間( s ) 。 金屬工件內(nèi)部電阻凡、焊件間接觸電阻、電極和工件間接觸電阻r 一組成 總電阻r ( r = 2 凡+ 2 艮+ ) ，工件電阻率和溫度有關(guān)但與電極壓力無關(guān)，接觸電 阻艮和& 與前期預(yù)壓力有聯(lián)系。 在軸對(duì)稱情況下，電流場(chǎng)分布可由l a p l a c e 方程描述，電流場(chǎng)在軸坐標(biāo)系下 微分控制方程為： 丕( 去老 + 曇( 去害 + 去警= 。 c 2 彩 a z l 島昆j 甜l 島卻jr 所跏 。 式中巾為電場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)電位( v ) ； r 、z 為任意一點(diǎn)坐標(biāo)； p ，為焊接區(qū)金屬的電阻率，隨溫度變化( q m ) 。 焊接傳熱過程主要研究焊件上溫度分布及其隨時(shí)間的變化。電阻點(diǎn)焊是典型 的有內(nèi)熱源的瞬態(tài)傳熱問題，焊件獲得熱能后主要以熱傳導(dǎo)為主。瞬態(tài)非線性熱 傳導(dǎo)控制方程為： c p 罷= 曇c 屯罷，+ 專c b 茜，+ 曇c t 爭(zhēng)+ 6 c 2 - 3 ) 式中 c 為材料的比熱容( j k g k ) 。 p 為材料的密度( k g m 3 ) ： t 為溫度場(chǎng)分布函數(shù)( k ) ； 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 t 為時(shí)間( s ) ； k i 、k ，、k 。分別是x ，y ，z 方向的導(dǎo)熱系數(shù)( w m k ) ； q 為內(nèi)熱源。 邊界條件的處理對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果影響很大，本文對(duì)點(diǎn)焊過程中熱、電邊 界條件進(jìn)行以下處理：上電極端面施加電流及壓力；下電極端面電壓設(shè)為零。銅 電極內(nèi)的冷卻水對(duì)流熱交換，通過采用對(duì)流系數(shù)施加在電極、工件表面。冷卻水 對(duì)電極進(jìn)行管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，取其換熱系數(shù)h w ：3 5 0 0w ( m 2 ) 。空氣自然對(duì) 流換熱系數(shù)取2 5w ( m 2 ) 。對(duì)流邊界條件計(jì)算方程為： 五蘭l = 口( 疋一互) ( 2 - 4 ) a 玎 式中入為材料的熱導(dǎo)率( j m 2 s ) ； q 為表面換熱系數(shù)( j m 2 s k ) ； t 。為周圍介質(zhì)溫度( k ) 。 本文建立的點(diǎn)焊有限元模擬進(jìn)行了軸對(duì)稱簡(jiǎn)化，所以在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，將模 型對(duì)稱面設(shè)為絕熱邊界條件，即 式中 n 為邊界表面外法線方向。 訂 一= u 鋤 2 2 3 帕爾帖效應(yīng)熱和相變潛熱的計(jì)算 ( 2 - 5 ) 電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流，不同材料中電荷載體處于不同的能級(jí)。在 兩種材料的交界處，電荷載體從高級(jí)運(yùn)動(dòng)到低級(jí)將釋放能量，從低級(jí)運(yùn)動(dòng)到高級(jí) 將吸收能量，這些吸收或釋放的能量稱為帕爾貼效應(yīng)熱。工件接入點(diǎn)焊焊機(jī)回路 后，其中一邊工件吸收熱量，另一邊工件放出熱量。 帕爾帖效應(yīng)熱可用材料的熱流率表示： g ，= ( 兀。一兀2 ) ， ( 2 - 6 ) 式中，為流過兩材料接觸面的電流密度( 么刪2 ) ； 兀，為材料l 的帕爾帖效應(yīng)熱系數(shù)( 黝 兀，為材料2 的帕爾帖效應(yīng)熱系數(shù)( 黝夕。 在焊接過程模擬中溫度場(chǎng)的求解是非線性的瞬態(tài)傳熱問題，建立精確的物理 模型是解決問題的關(guān)鍵。焊接冷卻過程中的相變將伴隨產(chǎn)生相變潛熱，在有限元 計(jì)算中相交潛熱以焓的形式表示： 1 2 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 月= i p ( 丁) c ( 丁v 丁 ( 2 - 7 ) 式中 p ( 丁) 是材料的密度，隨溫度變化( k g m 3 ) ； c ( 丁) 是材料的比熱，隨溫度變化( j k g ) 。 在整個(gè)固態(tài)相變過程中，產(chǎn)生的總的相變潛熱是各相值的疊加，可以用公式 ( 2 8 ) 來計(jì)算： 彳= 彳j 礦， i i 式中 a j 是第j 相的相變潛熱； 巧是第j 相轉(zhuǎn)變體積比，= 1 ； ，i n 是材料固態(tài)相變中相的總數(shù)。 2 2 4 材料熱、電物理性能參數(shù) ( 2 8 ) 在點(diǎn)焊過程中，電極和工件材料經(jīng)歷了大范圍的溫度變化，材料的熱物理性 能比如導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率、接觸電阻等都隨溫度變化。目前還沒有確定的理論方 程表示材料的這些參數(shù)與溫度的關(guān)系，工程材料手冊(cè)只是提供了常溫下的數(shù)據(jù)， 在數(shù)值模擬計(jì)算中普遍采用線性插值的方法獲得某些高溫性能參數(shù)1 3 1 1 。進(jìn)行點(diǎn)焊 溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)需要確定電極和工件的下列熱、電物理參數(shù)：密度p ( k m 3 ) 、比 熱c ( j l ( g ) 、導(dǎo)熱系數(shù)入( w m k ) 、電阻率r ( q m ) 、接觸電阻等。低碳 鋼和黃銅電極的密度分別為7 8 0 0 k 咖3 和8 9 0 0k 咖3 。其它物理參數(shù)如表2 1 及 2 2 所示。 表2 1低碳鋼q 2 3 5 的物理性能參數(shù) 1 3 第二章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 2 2 5 有限元模型網(wǎng)格的劃分 在a n s y s 計(jì)算中采用p l a n e 6 7 單元，該單元具有熱和導(dǎo)電能力。主要熱 平衡是電流產(chǎn)生的焦耳熱，每個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括溫度和電壓兩個(gè)自由度。 本文依據(jù)單元類型，采用自由網(wǎng)格劃分幾何模型。由于熔核附近溫度變化劇烈， 通過細(xì)分熔核附近的工件來提高求解精度；同時(shí)從計(jì)算機(jī)功能限制，節(jié)約時(shí)間考 慮，對(duì)遠(yuǎn)離熔核的區(qū)域采用大網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖2 3 所示。 圖2 3 點(diǎn)焊有限元網(wǎng)格模型 2 3 點(diǎn)焊溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析 奉文用a n s y s 軟件模擬了l m m 厚的q 2 3 5 低碳鋼板點(diǎn)焊溫度場(chǎng)?；谏鲜?有限元模型和材料參數(shù)，在電極的上端面施加電壓，工件貼合面上電壓設(shè)為零， 環(huán)境溫度設(shè)為2 5 ，考慮邊界對(duì)流和冷卻水的強(qiáng)迫對(duì)流，設(shè)定好求解步驟后計(jì) 算點(diǎn)焊溫度場(chǎng)。點(diǎn)焊丁藝參數(shù)為：電流6 8 k a ，通電時(shí)間2 4 0 m s ，壓力1 6 0 0 n 。 1 4 第_ 章點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的模擬 小o 0 5 s c )o 2 s n 二 - k：j _ d ) 0 2 4 s 圖2 4 不同時(shí)刻的點(diǎn)焊溫度場(chǎng) 圖2 4 是四個(gè)不同時(shí)刻的點(diǎn)焊溫度場(chǎng)，熔核在這段加熱過程中形成。從圖2 4 a ) 點(diǎn)焊初始階段可以看出，兩工件之間接觸面上的產(chǎn)熱最多，溫度升高比較快。 這是因?yàn)辄c(diǎn)焊開始階段工件間接觸電阻比較高，從而產(chǎn)熱量多，使接觸面附近區(qū) 域溫度很快上升。電阻點(diǎn)焊的內(nèi)部熱源是電阻熱，有研究表明接觸電阻的析熱量 約占總熱源的5 1 0 ，隨著電極加壓和工件的升溫這部分熱量很快降低、消失。 隨著點(diǎn)焊過程的繼續(xù)，金屬電阻率增加，內(nèi)部熱源不斷析出熱量，工件的溫度迅 速升高，在2 4b ) 中工件上的最高溫度達(dá)5 0 0 ，而在2 4c ) 中工件的最高溫度達(dá) 1 5 0 0 ，達(dá)到材料的熔點(diǎn)形成類似橢球形的熔核。通電時(shí)間達(dá)到0 2 4 s 時(shí)，工件 的最高溫度如圖2 4d ) 所示，達(dá)到1 7 0 0 左右，超過了材料的熔點(diǎn)。這段時(shí)間里 超過材料熔點(diǎn)的區(qū)域在增長，說明熔核在不斷長大。從溫度場(chǎng)的分布情況可以看 出點(diǎn)焊加熱的一些特點(diǎn)：點(diǎn)焊時(shí)在兩焊件的貼合面處產(chǎn)生集中加熱：而且點(diǎn)焊加 熱不均勻，焊接區(qū)附件各點(diǎn)的溫度不同。圖