電觸頭電阻釬焊溫度場(chǎng)模擬

趙亞楠，彭 麗

（1.陜西廣播電視大學(xué)工程管理教學(xué)部，陜西 西安 710072；2.西安通信學(xué)院 ，陜西 西安 710106）

0 引言

電觸頭電阻釬焊過程中，焊接時(shí)間較短且加熱迅速，其溫度場(chǎng)模擬屬于典型的瞬態(tài)熱分析。因此，需要根據(jù)實(shí)際焊接情況，確定加載電流與時(shí)間之間的關(guān)系，用不同的載荷步分別表示預(yù)熱和焊接2個(gè)階段[1-3]。采用ANSYS進(jìn)行數(shù)字模擬時(shí)，應(yīng)按照前處理、加載求解、后處理的分析步驟對(duì)相應(yīng)問題依次進(jìn)行處理，在保證計(jì)算精度的同時(shí)兼顧計(jì)算效率。在ANSYS有限元分析中，應(yīng)根據(jù)實(shí)生產(chǎn)情況，將一些對(duì)溫度場(chǎng)求解結(jié)果影響不大的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化[4-5]。

1 有限元模型的建立

在ANSYS有限元分析中，建立合適的有限元模型是十分重要的步驟，它是正確求解問題的基礎(chǔ)。在電阻釬焊過程中，涉及到電場(chǎng)的分布、熱傳導(dǎo)問題以及電極壓力對(duì)接頭的影響等，并且應(yīng)該綜合考慮這些問題的相互聯(lián)系及耦合作用。應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，將一些對(duì)溫度場(chǎng)求解結(jié)果影響不大的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化[4-5]。針對(duì)電阻釬焊的模擬作出如下簡(jiǎn)化：忽略電極力的作用并簡(jiǎn)化為熱電耦合分析；將接觸電阻等效為極薄的實(shí)體單元；假定焊接電流為恒流并忽略電磁作用；用散熱系數(shù)表示對(duì)流散熱和表面輻射作用。

1.1 三維實(shí)體建模

系統(tǒng)研究對(duì)象幾何形狀并不復(fù)雜，利用ANSYS自帶的建模功能創(chuàng)建模型。參照工件實(shí)物的相關(guān)尺寸，結(jié)合ANSYS的布爾運(yùn)算功能，利用APDL語(yǔ)言進(jìn)行三維建模。

1.2 網(wǎng)格劃分

1.2.1 熱電耦合單元SOLID226

首先，選用SOLID226作為分析單元，它具備熱電耦合分析功能；其次，它的幾何結(jié)構(gòu)為六面體，便于后期網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)重點(diǎn)分析區(qū)域選用映射網(wǎng)格劃分的方式。

1.2.2 定義相關(guān)材料屬性

依據(jù)SOLID226的相關(guān)要求，需要定義每種材料的密度、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱等屬性。其中，電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱等參數(shù)均隨溫度變化而變化，需要建立它們與溫度之間的關(guān)系，同時(shí)應(yīng)注意各物理量之間單位的統(tǒng)一。

a.鉻銅電極的材料屬性。所用電極材料為鉻銅，其材料參數(shù)隨溫度變化而變化。參考吉林大學(xué)楊黎峰的論文[6]，可知其電阻率與溫度之間的關(guān)系為：

ρE為電阻率（×10-8Ω·m）；T為溫度（℃）。

此外，參考文獻(xiàn)[6]中也對(duì)鉻銅電極材料的比熱進(jìn)行了計(jì)算，它的比熱與溫度之間的關(guān)系為：

Cp為比熱（J／（kg·℃））；T為溫度（℃）。

再結(jié)合鉻銅在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)及其密度。

b.紫銅基體的材料屬性。對(duì)于紫銅基體，同樣可以依據(jù)溫度的不同建立其材料參數(shù)性能表。

c.銀觸點(diǎn)的材料屬性。研究對(duì)象所用銀觸點(diǎn)材料為銀碳化鎢石墨，結(jié)合JB／T7779-2008《銀碳化鎢（12）石墨（3）電觸頭技術(shù)條件》中的相關(guān)參數(shù)及純銀的性能，得出其在室溫下的材料參數(shù)性能，如表1所示。

表1 銀觸點(diǎn)材料屬性

d.釬料的材料屬性。所用釬料為Ag25CuZn，由于缺乏其高溫時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在溫度場(chǎng)的模擬過程中暫不考慮其材料參數(shù)隨溫度的變化。按照混合物的相關(guān)計(jì)算公式對(duì)比熱和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行推算[7]。參照混合物比熱計(jì)算公式：

M為各混合物的質(zhì)量；C為相應(yīng)混合物的比熱。推算出該釬料的比熱約為347.25J／（kg·℃）。

e.接觸電阻層的材料屬性。對(duì)接觸電阻的處理方式為等效成極薄的實(shí)體單元。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，可以計(jì)算出溫度為20℃時(shí)，接觸電阻率為4.5×10-7Ω·m。忽略溫度對(duì)電阻率的影響，將接觸電阻層的電阻率定義為4.5×10-7Ω·m，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度等參數(shù)，用2種接觸材料的平均值表示。

對(duì)與釬焊面接近的釬料層、接觸電阻層、銀觸點(diǎn)以及部分銅基體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，以確保分析的精度及準(zhǔn)確性。而對(duì)于鉻銅電極和遠(yuǎn)離釬焊面的銅基體，為降低網(wǎng)格劃分復(fù)雜度及減少時(shí)間，采用自由網(wǎng)格劃分方式，如圖1所示。

圖1 三維實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

1.3 加載并求解

在電阻釬焊溫度場(chǎng)模擬過程中，最為關(guān)鍵的載荷為電流大小，如表2所示。

表2 電阻釬焊電流值測(cè)定

在其整個(gè)焊接過程中，預(yù)熱的平均電流值為12.32kA，焊接的平均電流值為14.80kA。依據(jù)電阻釬焊流程，采用3個(gè)載荷步的方式對(duì)有限元模型進(jìn)行加載，3個(gè)載荷步均為階躍加載，初步加載之后的模型如圖2所示。

圖2 有限元模型加載

對(duì)有限元模型進(jìn)行加載后即可求解，故采用多重求解法對(duì)3個(gè)載荷步進(jìn)行依次求解。指定分析類型為瞬態(tài)分析，打開瞬態(tài)效應(yīng)功能，并將每個(gè)載荷步的時(shí)間步長(zhǎng)值設(shè)定為0.02s。再利用“OUTRES，ALL，ALL”命令將每個(gè)子步的求解結(jié)果均寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于后期分析。

2 溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 釬焊面不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布

釬焊面的溫度場(chǎng)分布及變化如圖3所示。由于電觸頭電阻釬焊的加熱過程為預(yù)熱0.08s，再焊接0.22s，所以總的加熱時(shí)間為0.30s。故選取釬料層的溫度場(chǎng)作為研究重點(diǎn)，分析其在0.14s，0.18 s，0.22s，0.26s和0.30s時(shí)的溫度場(chǎng)分布與變化規(guī)律，也就是焊接周波數(shù)分別為3，5，7，9，11時(shí)的溫度場(chǎng)分布與變化規(guī)律。

圖3 釬焊面的溫度場(chǎng)分布及變化

在圖3中，將溫度場(chǎng)的標(biāo)尺設(shè)定成800℃以上為釬料已熔化區(qū)域。從圖3中可以看出，釬焊面的溫度場(chǎng)分布是上下對(duì)稱的，并且所有焊接時(shí)刻均是釬焊面四周的溫度高于中心區(qū)域溫度。當(dāng)焊接周波數(shù)為3時(shí)，釬焊面的溫度均低于800℃。當(dāng)焊接周波數(shù)為5時(shí)，有2個(gè)角附近溫度高于800℃，釬料最先在這2個(gè)位置開始熔化。隨著焊接時(shí)間的增加，釬焊面溫度不斷上升，釬料已熔化的區(qū)域由四周逐漸向中間區(qū)域擴(kuò)展。在焊接周波數(shù)為11，也就是焊接結(jié)束時(shí)，釬焊面大部分區(qū)域的釬料均已熔化，但其中心區(qū)域仍有部分釬料因?yàn)闇囟鹊陀?00℃而未能熔化。

上述溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律，主要與銅基體的幾何形狀以及銅基體與下電極的接觸形式有關(guān)。由于銅基體在沖壓制備過程中形成了一個(gè)凹坑，導(dǎo)致它與下電極接觸時(shí)主要是釬焊面四周對(duì)應(yīng)的地方接觸，并且左側(cè)的接觸面積大于右側(cè)。

2.2 釬焊面四邊中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

選取釬焊面四邊的中心點(diǎn)作為分析對(duì)象，描繪其熱循環(huán)曲線。各點(diǎn)的位置如圖4所示。

圖4 熱循環(huán)曲線各點(diǎn)所在位置

利用Origin軟件描繪出每個(gè)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，并對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行放大處理，如圖5所示。從圖5a中可以看出，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線變化規(guī)律基本一致。由于加熱過程分為預(yù)熱和焊接2個(gè)階段，并且焊接電流值比預(yù)熱電流值大，因此，熱循環(huán)曲線在0.08s時(shí)發(fā)生突變，加熱速度陡增。然后由于釬焊面的溫度上升，熱量傳導(dǎo)增多，其升溫過程逐漸變緩。在0.3s時(shí)，溫度上升到最高值，接著隨著冷卻時(shí)間的增加，溫度急劇下降。此外，第2點(diǎn)和第4點(diǎn)的熱循環(huán)曲線幾乎重合，主要是由于這兩點(diǎn)所在位置相互對(duì)稱。從圖5b中可以看出，各點(diǎn)的最高溫度值有所不同，第3點(diǎn)的最高溫值最大，第1點(diǎn)的最高溫度值最小，與釬焊面的溫度場(chǎng)變化規(guī)律相吻合。

圖5 電觸頭電阻釬焊熱循環(huán)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

在電觸頭的電阻釬焊過程中，溫度場(chǎng)的分布與變化直接影響著釬料的熔化過程，進(jìn)而對(duì)釬縫的形成以及電觸頭的質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。目前，并不能直接利用實(shí)驗(yàn)手段，測(cè)量出電阻釬焊過程中釬焊面的溫度場(chǎng)分布與變化。因此，可借助數(shù)值模擬的方法，觀察釬焊面上的溫度變化規(guī)律，分析出缺陷產(chǎn)生的原因并得出相應(yīng)結(jié)論，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

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