電阻焊仿真SORPASD在國內(nèi)的應(yīng)用

趙 陽，熊慶華，馬 闖

(上海信聚信息技術(shù)有限公司，上海 200217)

0 前言

電阻焊是一種高效、高質(zhì)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的焊接工藝，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等對(duì)焊接質(zhì)量要求很高的工業(yè)領(lǐng)域。然而，電阻焊質(zhì)量受到很多因素影響，例如動(dòng)力學(xué)（動(dòng)態(tài)機(jī)械性能）、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)（彈塑性變形）、流體力學(xué)（熔解、熔體流動(dòng)等）、熱力學(xué)（熱傳導(dǎo)、相變）、電動(dòng)力學(xué)（接觸電阻、電流分布、焦耳熱、洛倫茲力）、熱電效應(yīng)（珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)）等，而這些因素往往是交互作用，交互影響[1]。因此，要確保焊接質(zhì)量不僅需要很好地掌握材料的焊接性能，而且還需要對(duì)焊接過程參數(shù)進(jìn)行大量的優(yōu)化工作。進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)和破壞性測(cè)試會(huì)消耗大量的工作時(shí)間和資源，大幅度增加生產(chǎn)成本。

采用電阻焊數(shù)值模擬來研究電阻焊過程和預(yù)測(cè)焊接結(jié)果，能夠顯著的節(jié)省時(shí)間和降低成本[2-7]。作為專業(yè)的電阻焊仿真優(yōu)化軟件，SORPAS已經(jīng)被歐美、日、韓的汽車和零配件等生產(chǎn)公司所采用，如：通用、福特、大眾、本田、豐田、丹佛斯、麥格納、江森自控、塔塔、住友等。SORPAS使用有限元原理建立數(shù)值模型，模擬電阻焊過程，更能直接預(yù)測(cè)推薦最佳的焊接參數(shù)，甚至預(yù)測(cè)焊后的焊點(diǎn)微觀組織、殘余應(yīng)力應(yīng)變和評(píng)估裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

2009年SORPAS軟件被引進(jìn)到國內(nèi)，在此回顧SORPAS在國內(nèi)的應(yīng)用，并展望未來在汽車工業(yè)的應(yīng)用前景。

1 什么是SORPAS？

SORPAS是專業(yè)的電阻焊模擬仿真優(yōu)化軟件，集有限元分析和電阻焊工程原理、經(jīng)驗(yàn)于一體。目前在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到商業(yè)化應(yīng)用，用于支持評(píng)估各種組合的可焊性，設(shè)計(jì)焊件和電極，同時(shí)還能優(yōu)化電阻焊過程參數(shù)。

SORPAS通過四個(gè)分開但完全耦合的模型將電阻焊過程中所有因素都考慮在內(nèi)，這四個(gè)模型分別是：電模型（分析電流、電壓分布，熱生成等）、熱模型（分析傳熱、溫度分布等）、金相模型（分析隨溫度而變的屬性，相變等）和力學(xué)模型（分析變形、應(yīng)力應(yīng)變分布等）[8]。

SORPAS仿真優(yōu)化具有三個(gè)不同層次的功能：過程模擬（可預(yù)測(cè)給定參數(shù)的焊接結(jié)果）、過程優(yōu)化（可預(yù)測(cè)焊接窗口）和焊接計(jì)劃（可預(yù)測(cè)最佳焊接工藝參數(shù)）[9]。

2 國內(nèi)電阻焊現(xiàn)狀

作為高效經(jīng)濟(jì)的連接工藝，電阻點(diǎn)焊主要用于汽車和零配件生產(chǎn)公司。隨著節(jié)能減排，降低環(huán)境污染的要求越來越高，汽車輕量化是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。越來越多的新型高強(qiáng)度材料應(yīng)用到汽車車身結(jié)構(gòu)中，以達(dá)到降低車身質(zhì)量、提高車身強(qiáng)度的目的，如DP鋼、TRIP鋼、TWIP鋼、AHSS鋼和UHSS鋼。使用這些復(fù)雜高強(qiáng)度材料給車身焊接工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如焊接偏析焊接硬化脆性，易于導(dǎo)致焊接缺陷。為了避免產(chǎn)生這些問題，建立最佳的點(diǎn)焊工藝規(guī)范十分必要，尤其是針對(duì)新型材料組合、有涂層的新型材料等[10]。

另一方面，開發(fā)具有良好焊接性能的新型材料也是迫在眉睫。汽車制造商們往往希望適用的材料能夠具有更好的焊接性能，有更大的焊接窗口，這對(duì)于材料制造者而言是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，是一項(xiàng)既耗時(shí)又費(fèi)錢的巨大工程。

3 SORPAS應(yīng)用一：新型材料的應(yīng)用

3.1 DP590雙相鋼[11-12]

高強(qiáng)度、高可塑性的雙相鋼是一種理想的汽車用鋼。然而與普通低碳鋼相比，由于雙相鋼中加入其他元素，如Si、Mn等，易發(fā)生偏析和淬火脆性，增加了焊接難度。為避免產(chǎn)生焊接缺陷，有必要弄清楚雙相鋼的焊接特性。

王敏等人通過SORPAS軟件建立了軸對(duì)稱有限元模型用于分析DP590雙相鋼的電阻點(diǎn)焊性能。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，DP590的相關(guān)熱物理性能被詳細(xì)測(cè)定并導(dǎo)入SORPAS軟件中，包括熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、電阻、密度、熱容和泊松比等。

使用SORPAS模擬分析各種點(diǎn)焊參數(shù)組合下緩冷和回火過程，并將得到的最佳參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際中。圖1顯示了不同脈沖規(guī)范下得到的DP590焊接切片圖，可以看出，通過增加緩冷脈沖或回火脈沖能夠明顯改善DP590焊點(diǎn)的韌性。

圖1 不同規(guī)范下得到的DP590焊接切片

3.2 DP590GA熱浸鋅雙相鋼[13]

①The SORPASUser Manual Book.

熱浸鋅雙相鋼是另一種理想的汽車用鋼，它具有高強(qiáng)度、高耐蝕性和高成型性。很明顯，由于其復(fù)雜的微觀組織和表面鋅層，導(dǎo)致焊接規(guī)范發(fā)生很大的變化。利用SORPAS研究DPGA鋼的焊接過程，可以更好地解決因涂層導(dǎo)致的焊接問題。

與DP590焊接仿真過程一樣，通過SORPAS建立軸對(duì)稱有限元模型，并將詳細(xì)的熱物理參數(shù)導(dǎo)入軟件中。為避免產(chǎn)生焊接缺陷，減少鋅在焊核中的殘留，在焊接之前引入一個(gè)預(yù)熱脈沖十分必要。使用SORPAS模擬分析一系列預(yù)熱脈沖規(guī)范，并將最佳的焊接參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際中。通過拉伸測(cè)試和EDS分析，這種具有預(yù)熱脈沖的焊接規(guī)范能夠明顯提高焊點(diǎn)強(qiáng)度，增大熔核尺寸并減少鋅在熔核中的含量。

SORPAS分析并揭示了預(yù)熱脈沖在DP590GA點(diǎn)焊過程中的作用。圖2為不同焊接規(guī)范下熔核中心溫度的變化規(guī)律?？梢钥吹?，雙脈沖焊接規(guī)范下出現(xiàn)了兩個(gè)溫度峰值，第一個(gè)峰值接近600℃，由預(yù)熱脈沖產(chǎn)生，主要用于將鋅從熔核中擠出（鋅的熔點(diǎn)只有419℃）。而對(duì)于單脈沖規(guī)范而言，是很難將鋅從熔融狀態(tài)下的鋼中分離出來的。

SORPAS也同樣用于分析表面鋅層對(duì)焊接的影響。通過SORPAS模擬和真實(shí)點(diǎn)焊測(cè)試來對(duì)比研究了DP590GA和DP590在焊接過程中接觸電阻的變化規(guī)律，如圖3所示。兩種途徑的研究結(jié)果都表明DP590GA具有更低的接觸電阻，也就是說表面鋅層導(dǎo)致接觸電阻降低，意味著要采用硬規(guī)范來焊接有涂層的雙相鋼更為合適。

圖2 不同焊接規(guī)范下熔核中心溫度變化規(guī)律

圖3 DP590GA和DP590接觸電阻變化規(guī)律

3.3 DP590——鋁合金6061異類金屬焊接[14]

隨著汽車輕量化要求不斷提高，輕質(zhì)鋁合金也越來越廣泛的應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)中。因此不得不面臨高強(qiáng)度鋼和鋁這樣異類金屬的焊接挑戰(zhàn)。

SORPAS模擬分析DP590和6061鋁合金的點(diǎn)焊過程。雙熔核和熔核偏移現(xiàn)象在模擬過程中出現(xiàn)，如圖4所示。在點(diǎn)焊過程中，熔融的鋁合金在鋁鋼界面上鋪開，其本質(zhì)是屬于熔釬焊接頭。

圖4 鋼-鋁點(diǎn)焊過程

4 工藝設(shè)計(jì)

除上述焊接性能研究之外，SORPAS也應(yīng)用于支持工藝設(shè)計(jì)。越來越多的又薄又強(qiáng)的新合金應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，焊接工程師必須考慮如何設(shè)計(jì)安排各種組件，并將它們有效的連接到一塊。采用SORPAS支持工藝設(shè)計(jì)，既能提高效率又能大幅度降低成本。

4.1 降低飛濺

以某工廠49004工況焊點(diǎn)為例，介紹如何使用SORPAS在確保焊接質(zhì)量的同時(shí)降低焊接飛濺。49004工況位于汽車A柱（見圖5），由三層板構(gòu)成，包括DP450（1.2 mm），有10μm鍍鋅層的E335D（1.2 mm）和10μm鍍鋅層ES（0.7mm）。原始焊接工藝參數(shù)為：電流I=11kA(AC)，時(shí)間T=16cyc，壓力F=3.8kN。

在這套工藝參數(shù)下，焊接產(chǎn)生了嚴(yán)重的飛濺，并且電極帽耗損嚴(yán)重。使用SORPAS過程模擬功能驗(yàn)證了這一真實(shí)過程，如圖6所示。焊接飛濺發(fā)生于焊接開始后的268.5 ms，并且電極帽部分產(chǎn)生了熔化（見圖7）。

圖5 49004工況焊點(diǎn)

考慮到制造商的工作現(xiàn)狀，采用SORPAS焊接計(jì)劃功能，用三種不同直徑的電極帽模擬分析焊接過程，給出了最佳的焊接工藝參數(shù)：F=3.8kN，T=16cyc。焊接電流隨電極帽磨損而改變，如圖8所示。

根據(jù)SORPAS推薦的最佳焊接工藝參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，基本消除了焊接飛濺，同時(shí)熔核直徑和焊點(diǎn)強(qiáng)度也達(dá)到使用要求，如圖9所示。

5.2 減少試驗(yàn)解決焊接難題

圖6 模擬報(bào)告

圖7 熔化的電帽部分

圖8 焊接電流隨電極帽磨損而改變

舉例：某工況位于前門總成，如圖10所示，包括兩層板2.0mm H340LAD含鍍鋅層和0.8mm DC530D含鍍鋅層，焊接電極一端采用6 mm銅板。焊接難點(diǎn)是無法形成焊核。

圖9 采用優(yōu)化點(diǎn)焊規(guī)范的焊點(diǎn)形貌

圖10 無法形成焊核的工況位置示意

通過SORPAS模擬分析發(fā)現(xiàn)，在該工況環(huán)境下無論怎么改變焊接參數(shù)都無法得到熔核，即該工況不能進(jìn)行點(diǎn)焊。分析問題發(fā)現(xiàn)出在工況本身，并非參數(shù)問題。6mm銅板很快將熱量傳導(dǎo)出去，導(dǎo)致熔核難以形成?，F(xiàn)采用2mm銅板+4mm鋼板的形式來代替6mm銅板，可以得到有效的熔核，如圖11模擬所示。

圖11 改變工況后得到有效熔核的模擬所示

5 指導(dǎo)材料研究和生產(chǎn)

現(xiàn)代競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，材料研究和生產(chǎn)者們也希望獲得高焊接性能的材料便于占領(lǐng)市場(chǎng)。具有更寬焊接窗口的材料也得到汽車廠的青睞。要如何才能提高焊接性能，得到更寬的焊接窗口呢？

以DX56D為例，使用SORPAS逐個(gè)因素分析其焊接區(qū)間，表面涂層厚度、板厚度和板強(qiáng)度都會(huì)影響其焊接窗口，如圖12～圖15所示。

圖12 DX56D焊接區(qū)間

在國內(nèi)，SORPAS已被用于支持材料焊接性能研究，工藝設(shè)計(jì)和指導(dǎo)材料生產(chǎn)等。隨著SORPAS應(yīng)用效果的逐漸顯現(xiàn)，相信其應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

圖13 改變DX56D表面涂層厚度的焊接區(qū)間

圖14 改變DX56D板厚度的焊接區(qū)間

圖15 改變DX56D 板材強(qiáng)度的焊接區(qū)間

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