非等厚异种钢板点焊工艺模拟

节能环保已成为社会生产生活的主题之一。电阻点焊因高效、节能、易于实现机械化、自动化等特点，至今仍然是车身的主要焊接工艺。随着新产品的出现，电阻点焊接头形式为了适应新产品的需要，而不再局限于同种等厚材料。非等厚异种材料接头也广泛应用。由于板厚存在差异，且材料的导电、导热能力不同，形成的熔核不与贴合面对称，发生偏移，使得薄板的焊透率不足，影响焊点的有效承载能力。对该类接头的点焊工艺进行研究，寻求点焊工艺参数与焊点质量的关系，有一定的实际意义。

复合材料车身的出现，是车辆轻量化的有效途径。以厚为1.4mmQ235 钢板与0.8mm的DP590轻量化钢板组成的接头为研究对象，运用ANSYS软件, 采用有限元分析的方法，获得工艺参数与点焊质量的关系，得到减小熔核偏移，保证接头的承载能力的途径。

1熔核形貌的几何描述

描述熔核形貌的几何参数有：熔核直径、熔透率、熔核高度、熔核偏移等几种。为表述熔核形貌变化，用熔核直径对熔核成形进行表述。即熔核尺寸越大，接头的承载能力越强，反之越弱[1]。焊接电流、通电时间是决定熔核尺寸与熔核偏移的主要因素，电极压力等属于相对次要的因素[2]。接头结构见图1。D为熔核直径、H与h为熔深。

2 有限元模型的建立

点焊是轴对称有限元模型。单元类型选择热电耦合单元PLANE67，该单元具有电压与温度两个自由度，可以顺利实现点焊热电耦合分析。网格划分遵循的原则是：在接触区域，温度场与电场变化复杂且迅速，网格要细分，为了提高计算效率，其它区域网格需粗划。边界条件的处理与等厚板的点焊接头类似，相关材料参数可以查阅文献获得[3-4]。有限元模型与边界条件分别如图2（a）、(b)所示。点焊边界热作用形式是对流换热与辐射换热。边界③是电极与冷却水的作用, 考虑为强制对流换热，对流换热系数为3800W/（M2·℃）。边界④是电极与空气作用的表面，存在对流、辐射作用，其热交换效果用综合换热系数αw来表示。上下边界①、②耦合电压, 确保电流能够导通。

3模拟结果与讨论

本文的计算条件是：F=3500N，通电时间t=0.25s，焊接电流分别为6kA、6.6kA、7.5kA，其温度场的模拟结果如图3（a）、（b）、（c）所示。

可以看出，随着载荷电流的增大, 熔核区温度逐渐升高，半径依次增大。不同板厚，热传导系数、电导率也不一样，即热传导能力不同。根据焦耳定律Q=I2Rt，材料接触电阻不同，产热量就不等。所以熔核沿着贴合面呈不对称分布形态。根据Fe-Fe3C平衡相图，钢铁类材料温度高于1450℃，即可视为熔核区，如图中红色区域所示。温度高于750℃的区域为热影响区。以上几组参数计算出的热量都能满足工艺要求，但是为了保证熔核不剥离，点焊有个最小的临界直径。根据经验, 非等厚板对接时，工艺参数的定制以薄板为参考。根据实验公式Dmin=5δ[3] （δ是板厚）计算，本文保证熔核不断裂的最小的熔核直径为4.47mm。从图4（a）、（b）、（c）可以看出，三种参数下获得的熔核直径分别为D =4.24mm、D=4.8mm、D=5.4mm。比较得出，除I=6kA不能满足要求，其它两组参数都可行。从图3中看出， 7.5kA 的载荷电流熔核形态要好于6.6kA，为证明焊接电流、通电时间与熔核偏移量的关系，本文进一步做了模拟计算。

4验证减小熔核偏移方法

比较I=6.6kA，t=0.25s、I=10kA，t=0.2s的熔核偏移量，以贴合面与熔核中心线的距离为依据。如图5所示。

从图5中可以明显的看出，（b）组熔核中心线距离工件贴合面要近于（a）组，即（b）组的熔核偏移量明显的小于（a）组。

5结束语

5.1 通电时间不变时，熔核直径随着载荷电流的增加而增大，只要电极温度达不到熔点即可。

5.2 针对熔核偏移问题，本文获得以下结论：采用硬规范，即采用大载荷电流，短的通电时间，可以减小熔核偏移。这个结论与书中记载相同，说明本文模拟的合理性。

5.3 本文所述的接头的点焊工艺参数：可以考虑t=0.25s、I=6.6kA，与t=0.25s、I=7.5kA这两组，但考虑到熔核偏移的问题，建议采用I=10kA、t=0.2s这组，因为这组参数计算得到的熔核直径与薄板电极温度都满足要求，且熔核偏移量很小。

参考文献
[1] Zhou M, Zhang H, HuSJ. Relationships between quality and attributes of spot welds[ J] . Welding Journa1,2003, 82(4): 72s~77s.
[2] 罗怡. 非等厚异种钢熔核形成过程多远线性回归模型. 焊接学报,Vol 31(11).
[3] 李茹娟. 低碳钢电阻点焊过程有限元分析. 合肥工业大学硕士学位论文[D].
[4] 王敏. Dp590双相钢熔核形成过程数值模拟. 上海交通大学学报, 2009.Vol 43(1).
[5] 王慧越. 双相钢电阻点焊接头断裂形式. 焊接实验研究, 2007.(7).