徐光晨

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000）

電阻焊是在兩個(gè)電極之間的焊接工件上通過(guò)電流，通過(guò)工件接觸表面以及工件本身的電阻將鄰近區(qū)域加熱形成冶金結(jié)合的方法[1]。凸焊指在焊件表面預(yù)留若干個(gè)凸起與另一個(gè)焊件形成表面接觸，通電過(guò)程中將凸起壓潰后形成冶金結(jié)合的方法。整個(gè)過(guò)程涉及電、熱、冶金、力學(xué)等復(fù)雜過(guò)程，因此很難對(duì)整個(gè)耦合過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察[2]。此外，往往需要耗費(fèi)大量的人力和物力來(lái)獲得更好的焊接接頭。在焊接過(guò)程中加入焊接模擬，不僅能得到焊接過(guò)程中的參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)影響，而且大大節(jié)約了焊接成本。因此，焊接模擬被廣泛應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。

鋁合金之間的焊接或者冶金結(jié)合目前仍然是一個(gè)難題[3-4]。目前，凸焊仿真的研究較少，上海交通大學(xué)的羅愛(ài)輝[5]等人對(duì)整個(gè)凸焊工藝過(guò)程進(jìn)行了完整的分析，得到了凸焊凸點(diǎn)壓潰過(guò)程、凸焊焊核成形過(guò)程以及焊后溫度場(chǎng)分布等一系列結(jié)果。武漢工程大學(xué)的盧霞[6]等人分析了真空電阻凸焊的熱電耦合過(guò)程，得到了焊接過(guò)程的熱歷程以及焊件各部位的溫度分布，得出凸焊筋距離對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。上海交通大學(xué)的萬(wàn)子軒[7]等人定性及定量地分析了兩種材料在電阻凸焊過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的參數(shù)變化規(guī)律以及最終凸焊接頭的熔核直徑。華中科技大學(xué)的王成剛[8]等人通過(guò)對(duì)不同預(yù)壓力和不同角度凸焊筋頂角的有限元接觸分析，得出不同預(yù)壓力和凸焊筋頂角的凸焊筋塑性變形和接觸壓力分布狀況等結(jié)果。

本文采用simufact焊接軟件研究了6063鋁合金薄板的凸焊問(wèn)題。建立了薄板焊接的有限元模型?？紤]模型的熱過(guò)程，材料的熱物性參數(shù)和溫度與應(yīng)力的耦合過(guò)程，得到不同尺寸的模型對(duì)凸焊實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)實(shí)際加工提供指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)字模型

通過(guò)軟件創(chuàng)建一個(gè)鋁合金焊接的數(shù)值模型，使用6063鋁合金為薄板焊接材料，上、下表的大小是50 mm×50 mm×1.5 mm，6063凸焊筋與下薄板一體成型，其位置和大小如圖1所示。

圖1 鋁合金凸焊數(shù)字模型

1.2 有限元模型

建立了鋁合金薄板的有限元模型。模型分為兩部分，即上薄板和下薄板。網(wǎng)格全部采用四面體網(wǎng)格，凸焊網(wǎng)格尺寸范圍為0.1～0.2 mm，上下金屬薄板網(wǎng)尺寸范圍為0.3～0.5 m，凸焊筋和下薄板使用過(guò)渡網(wǎng)格進(jìn)行連接。圖2顯示了三個(gè)有限元網(wǎng)格模型，它們簡(jiǎn)化了模型其中一個(gè)方向的尺寸。圖2為三種有限元網(wǎng)格模型，對(duì)模型其中一個(gè)方向上的尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化，薄板長(zhǎng)度保持50 mm，完整模型的寬度為50 mm，1/5模型的寬度為10 mm，二維模型使用的是殼體模型。

圖2 模型簡(jiǎn)化對(duì)比方案

1.3 溫度場(chǎng)基本方程

電阻凸焊為電-熱力耦合分析，考慮到已給定電流參數(shù)，內(nèi)部電壓可以用拉普拉斯方程描述，微分方程為∶

式中：r，z為圓柱坐標(biāo)系中點(diǎn)的徑向和軸向坐標(biāo)；U為電壓；ρ0為材料的電阻率。

鋁合金的凸焊本質(zhì)上是一種電阻焊，焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)定義為非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。熱傳遞機(jī)制包括電極與薄板之間的熱傳導(dǎo)，薄板之間的熱傳導(dǎo)，薄板與空氣之間的熱對(duì)流，薄板內(nèi)的熱傳導(dǎo)。根據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律可以得到以下的熱傳遞方程[9]：

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；t為時(shí)間；Q為潛熱；ρ為材料的密度；Cp為比熱容。

1.4 材料熱物性參數(shù)與相變潛熱

薄板使用的材料為6063鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。其隨溫度變化的熱物性參數(shù)如圖3所示。

表1 6063的化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)

圖3 6063部分熱物性參數(shù)

相變潛熱是指在相變過(guò)程中吸收或釋放的熱量。在鋁合金薄板焊接過(guò)程中，熔池在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行固-液-固相轉(zhuǎn)化，所以在定義材料性能時(shí)需要用以下公式來(lái)描述焓的變化：

其中，ρ為密度，C(t)為隨時(shí)間變化的比熱。

2 焊接工藝

凸焊工藝是先后將上電極和下電極移動(dòng)到點(diǎn)焊位置，之后激活上電極的載荷，形成一個(gè)閉合的焊接回路；之后通電一段時(shí)間直至斷開(kāi)電流；繼續(xù)保持外力負(fù)載作用，電極靜止；最后把電極移開(kāi)完成凸焊。圖4表達(dá)了凸焊的焊接工藝。

圖4 凸焊工藝參數(shù)

3 模擬結(jié)果與討論

通過(guò)三種模型的最高溫度對(duì)比（見(jiàn)圖5），我們發(fā)現(xiàn)隨著模型的簡(jiǎn)化，焊核在厚度方向的尺寸逐漸增加，在二維模型中，薄板幾乎被融穿。我們推測(cè)這與模型簡(jiǎn)化后的邊界條件設(shè)定有一定的關(guān)系，因?yàn)殡S著模型的簡(jiǎn)化，原本的鋁合金薄板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)被減弱，空氣與鋁合金之間的熱對(duì)流與熱輻射逐漸變成散熱的主要方式。因此，交完整模型相比，1/5模型散熱變慢，而二維模型散熱最慢，以此焊核尺寸最大。

圖5 三種模型的最高溫度對(duì)比

圖6 是三種模型完全冷卻后的殘余應(yīng)力對(duì)比，不難看出三種模型的殘余應(yīng)力的最大值與最小值非常接近，最大值相差0.01 MPa，最小值相差0.46 MPa。完整模型與1/5模型的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布相似，但二維模型的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布與完整模型相差較大，藍(lán)色的低應(yīng)力區(qū)離焊核更近，說(shuō)明熱影響區(qū)范圍遠(yuǎn)小于完整模型。

通過(guò)對(duì)比溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)1/5模型與完整模型計(jì)算結(jié)果相差較小，而二維模型的計(jì)算結(jié)果偏差較大。三種模型的計(jì)算時(shí)間分別為：2 h、35 min和10 min，1/5模型能夠節(jié)約近70%的計(jì)算時(shí)間，二維模型能夠節(jié)約近91%的計(jì)算時(shí)間。因此，選擇1/5模型代替完整模型進(jìn)行仿真，能夠在節(jié)約大量時(shí)間的同時(shí)獲得相對(duì)接近的計(jì)算結(jié)果。

圖6 三種模型的殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的工件最大變形量與仿真結(jié)果的最大變形量對(duì)比，隨著模型的簡(jiǎn)化，最大變形量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離越多，其中，1/5模型的計(jì)算結(jié)果與完整模型非常接近，這與之前的溫度場(chǎng)對(duì)比和殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比結(jié)果相吻合。仿真的結(jié)果雖然普遍低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但誤差較小。因此，結(jié)合以上溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)分析，選擇完整模型和1/5模型進(jìn)行仿真都能較好的接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 為35 kA時(shí)實(shí)際焊核（圖8a）與仿真焊核（圖8b）金相照片的對(duì)比，如圖可見(jiàn)，仿真與實(shí)驗(yàn)的焊核尺寸非常接近，表明本文的模型和方法能夠較為精確的模擬實(shí)際焊接過(guò)程。

圖8 35 kA時(shí)實(shí)際焊核（a）金相照片與仿真焊核（b）對(duì)比

5 結(jié)論

1）經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際焊核的金相照片，發(fā)現(xiàn)仿真的焊核尺寸與實(shí)驗(yàn)得到的焊核尺寸相差很小，并且對(duì)比最大變形量的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也驗(yàn)證了本文采用的模型和仿真方法能夠較為準(zhǔn)確的模擬實(shí)際焊接過(guò)程。

2）對(duì)比三種模型的溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)1/5模型的仿真結(jié)果接近完整模型，且計(jì)算時(shí)間能夠節(jié)約近70%。與此同時(shí)，雖然二維模型能夠節(jié)約近90%的計(jì)算時(shí)間，但與實(shí)際結(jié)果偏差較大，不建議采用二維模型來(lái)減少計(jì)算時(shí)間。

3）本文研究了通過(guò)減少寬度方向的尺寸來(lái)簡(jiǎn)化模型，但其他方向的尺寸對(duì)仿真結(jié)果精度的影響還沒(méi)有考慮，這將是后續(xù)研究需要解決的問(wèn)題。