鋁合金電阻點焊預(yù)壓接觸分析

吳艷陽，周婷婷，李逆，龍思慧

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢 430205；2.化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

鋁合金電阻點焊預(yù)壓接觸分析

吳艷陽1，2，周婷婷1，李逆1，龍思慧1

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖北 武漢 430205；2.化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

為了探究鋁合金電阻點焊的接觸壓力分布及初始導(dǎo)電區(qū)域，利用ABAQUS軟件建立球面形電極條件下的預(yù)壓接觸二維軸對稱有限元模型并對模型施加不同的電極壓力.在可視化模塊中得到了各個接觸面上接觸壓力隨載荷變化曲線、電極上的軸力分布云圖及工件內(nèi)的有效塑性應(yīng)變云圖.有限元分析結(jié)果表明，各接觸面上的接觸壓力分布是不均勻的，電極－工件間的接觸壓力受電極球形端面軸向應(yīng)力分布影響；工件間接觸壓力與材料所處狀態(tài)有關(guān)；隨著電極壓力的增大，工件間接觸半徑呈線性增長.說明電阻點焊時可以通過選取不同截面的電極來改善接觸壓力的分布，進(jìn)而改變初始導(dǎo)電區(qū)域的大小.

鋁合金；電阻點焊；ABAQUS；預(yù)壓接觸

0 引言

為了緩解大氣污染和資源匱乏所帶來的壓力，鋁合金材料在汽車制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，而電阻點焊是其主要的連接工藝.點焊時，電極壓力太小會產(chǎn)生焊接飛濺物，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度［1－2］降低；壓力過高會使電極頭壓入被焊金屬軟化的部位過深，導(dǎo)致焊接質(zhì)量降低；而通電后，焊件的初始熱源來源于接觸電阻，大量的點焊實驗結(jié)合數(shù)值模擬顯示了接觸電阻［3］與電極壓力有關(guān)，所以，電極壓力對電阻點焊的意義重大.由于實際點焊時的瞬時性［4］和不可見性，工藝人員無法監(jiān)測焊接全過程，只能通過反復(fù)的變換焊接參數(shù)和試驗來保證焊點質(zhì)量，這樣大大的消耗了人力、物力和財力，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另外，鋁合金表面有一層組織致密、熔點極高、導(dǎo)電率極差的氧化膜及密度低、強(qiáng)度高、易導(dǎo)電導(dǎo)熱等不同于其他材料的特殊性，導(dǎo)致其點焊過程與其它鋼材相比更為復(fù)雜.基于以上兩點，對球面形電極條件下的鋁合金點焊在不同壓力時進(jìn)行預(yù)壓接觸數(shù)值模擬，得到了接觸面上接觸壓力分布及接觸面積大小，然后對其變化規(guī)律進(jìn)行分析，依此可為焊接時電極壓力參數(shù)制定［5］提供參考依據(jù)，為了避免焊點重合，得到連續(xù)點焊時最小焊點間距，也為后續(xù)的熱電分析提供了初始導(dǎo)電通道.

1 模型的假設(shè)條件

（1）銅電極和6061鋁合金的材料為勻質(zhì)的、各向同性的，變形體模型采用的是彈塑性線性強(qiáng)化［6］材料，即ε≤εe時，σ＝Eε；ε≥εe時，σ＝σe＋E′（ε－εe）.

（2）接觸面是光滑的、連續(xù)的小滑移接觸.

（3）電極下端面無徑向和軸向位移，而電極壓力均勻的分布在電極軸截面上，即P＝電極壓力／電極軸截面面積，軸線上不產(chǎn)生徑向位移.

（4）鋁合金工件是半徑為20 mm的圓形薄板，假設(shè)焊點位于試件中心，所以整個模型是軸對稱的.點焊時載荷和邊界條件也是軸對稱的，因此，可將模型簡化成軸對稱模型.

2 點焊預(yù)壓接觸實體模型及有限元模型的建立

2.1 建立實體模型及描述材料性能

為了研究6061鋁合金在銅電極條件下的電阻點焊預(yù)壓接觸，求得各個接觸面上接觸壓力的分布及接觸面積大小，本文對實體模型進(jìn)行簡化，建立1／2軸對稱模型.圖1為球面形電極半徑為40 mm時幾何模型［7］，計算分析的量綱采用長度為mm，力為N，時間為s，相應(yīng)的應(yīng)力和彈性模量單位為N／mm2.

圖1 預(yù)壓接觸幾何模型Fig.1Geometric model of pre－pressed contact

鋁合金種類很多，不同的鋁合金其力學(xué)性能也不相同，本文分析采用的是6061鋁合金，電極材料為銅.表1為6061鋁合金和銅的力學(xué)性能參數(shù)［6］，無確定值時自動進(jìn)行線性插值計算.

表1 材料性能參數(shù)Table1Material properties

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

在有限元計算中，網(wǎng)格密度是協(xié)調(diào)計算精度和計算效率的重要參數(shù).本文是用ABAQUS軟件模擬的鋁合金電阻電焊預(yù)壓接觸分析，分析之前，為了兼顧計算精度和計算效率，考慮到模型的實際，在ABAQUS中先用切割分割工具把接觸附近區(qū)域分割出來，把這部分作為重點分析區(qū)域布置較密的種子，其他部分設(shè)置較為稀疏的種子.網(wǎng)格控制屬性采用系統(tǒng)默認(rèn)的設(shè)置，而單元采用軸對稱減縮積分單元CAX4I，這樣可以用較少的時間得到較高精度的結(jié)果.6061鋁合金電阻點焊有限元模型網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格劃分單元如圖2所示.

圖2 預(yù)壓接觸分析有限元模型Fig.2Finite element model of pre－pressed contact

3 分析步的創(chuàng)建及邊界條件和載荷的施加

采用ABAQUS模擬電阻點焊時，在預(yù)壓接觸分析中需建立三對接觸對，分別為上電極-上工件、工件-工件，下電極-下工件的接觸，如圖2（b）所示.由于模型的假設(shè)條件，對稱軸線沒有徑向位移，在分析步1中建立了上電極-工件間的接觸，為了消除剛性位移以解決接觸計算時的收斂問題，必須在上工件底面上施加YU＝0，在分析步2中要開始工件-工件間的接觸，此時就要移除上工件下面的約束，依次類推，得到整個分析中的邊界條件.而真實載荷加載前需要在每個分析步中施加很小的載荷，這樣既可以讓結(jié)構(gòu)的響應(yīng)不受影響，又能讓每對接觸面逐步接觸，使整個模型的接觸關(guān)系平穩(wěn)的建立起來，然后再創(chuàng)建一個分析步來施加真實的載荷，這樣雖然增加了過多的分析步，但是卻減少了收斂的困難.ABAQUS／CAE建模完成后施加的邊界條件和載荷如表2所示.

表2 分析步1～4中的邊界條件和載荷的總結(jié)Table 2Summary of boundary conditions and loads from one to four step

4 有限元分析結(jié)果

當(dāng)電極壓力為1.5 kN時，電極上端面施加的載荷P＝1 500／（100×3.14－16×3.14），經(jīng)過計算，分別得出了電極－工件與工件－工件間接觸壓力分布，由于ABAQUS中的接觸壓力和間隙的默認(rèn)關(guān)系是“硬接觸”，即當(dāng)CPRESS大于0時，兩個接觸面接觸，當(dāng)CPRESS小于0時，接觸約束解除，表面分離，所以，從壓力分布中也可以得到預(yù)壓接觸時接觸面的大小，如圖3所示.

圖3 接觸面上壓力分布Fig.3Pressure distribution on contact surfaces

由圖3可知，在接觸面上，接觸壓力分布是不均勻的.電極－工件間壓力峰值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離接觸端面處，在接觸面中心附近區(qū)域呈緩慢上升的趨勢，隨著徑向坐標(biāo)增大到壓力峰值位置時，壓力又呈陡降趨勢，與錐形電極壓力分布［6］對比，在電極邊界處沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，這樣可避免電極磨損，延長電極的使用壽命，但是接觸邊界處的間隙也會使點焊時工件表面金屬飛濺嚴(yán)重，影響工件表面美觀.在電極壓力為1.5 kN時，電極－工件間接觸半徑為2.4mm，工件－工件間接觸半徑略大，為2.6mm，由此，在有限元模擬點焊接頭模型時可以假設(shè)用“鼓形”［7］接頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“圓柱形”接頭.

圖4為軸向應(yīng)力分布云圖，在球端面0～0.75mm間軸向壓應(yīng)力為123.6～139.8 MPa，徑向1.5 mm處，壓應(yīng)力為172.2～188.4 MPa，查詢圖3電極－工件曲線，得到（0，125.288），（1.5，172.685）兩組數(shù)據(jù)，另外，圖4中軸向壓應(yīng)力從淺藍(lán)到深藍(lán)逐漸增加到最大，然后從深藍(lán)到澄色降為0，球形端面軸向應(yīng)力云圖的這種帶狀變化很好的反映出了圖3上接觸壓力變化趨勢，得到結(jié)論：電極－工件間接觸壓力受電極球形端面軸向應(yīng)力的影響，因此，點焊時如果想要得到較好的接觸壓力分布，在電極壓力一定時，可以通過選用不同幾何參數(shù)的電極得到.圖4中深色區(qū)域為拉應(yīng)力，在這種應(yīng)力狀態(tài)下，工件間接觸邊界的變形會出現(xiàn)上板“上翹”，下板“下翹”現(xiàn)象，導(dǎo)致點焊時熔核噴濺嚴(yán)重缺陷.

圖4 軸向應(yīng)力分布Fig.4The distribution of axial stress

在球面形電極條件下，模型幾何參數(shù)不變，僅改變電極壓力，分別得到了電極－工件及工件－工件間的接觸壓力分布，如圖5和圖6所示.

在較大的電極壓力下，電極-工件接觸面中心周圍區(qū)域接觸壓力漸趨均勻，由于接觸半徑的增加，壓力峰值變化不大而是向軸線靠近，但壓力分布形態(tài)不變.而工件-工件間接觸壓力在電極壓力較小時緩慢減低，隨著電極壓力的增加，壓力下降加快，從壓力分布曲線圖中提取幾組數(shù)據(jù)：（0.5，2.1），（1，2.4），（1.5，2.6），（2，2.75），（2.5，3），第一個點代表電極壓力，第二個代表工件間接觸半徑，用origin擬合這些點得到隨電極壓力變化的接觸半徑曲線，如圖7所示，從圖7可以看出，接觸半徑基本呈線性增長，當(dāng)電極壓力變化時，可以通過線性插值方式為后續(xù)熱電瞬態(tài)模擬提供初始接觸面積條件.當(dāng)連續(xù)點焊時，為了避免焊點重合影響接頭質(zhì)量，點焊間距應(yīng)大于接觸直徑，落于圖中接觸直徑曲線上方.

圖5 電極－工件間接觸壓力分布Fig.5The distribution of contact pressure betweenelectrode and workpiece

圖6 工件-工件間接觸壓力分布Fig.6The distribution of pressure between workpieces

圖7 接觸區(qū)域Fig.7Contact regions

圖8為不同電極壓力下工件內(nèi)的等效塑性應(yīng)變云圖，電極-工件接觸面下的工件處于全屈服狀態(tài)，其它大部分區(qū)域仍處于彈性階段.

圖8 不同壓力下工件內(nèi)塑性變形Fig.8Plastic deformation within workpiece under difference pressures

比較圖6和圖8，塑性應(yīng)變最大發(fā)生在工件間壓力峰值處，也是在接觸面中心上.從中心徑向向外擴(kuò)展塑性應(yīng)變逐漸降低變化趨勢與接觸壓力曲線圖一致，云圖上帶狀長短與曲線的平滑度吻合，分析得到工件間的接觸壓力與工件內(nèi)材料所處狀態(tài)有關(guān)，又由于接觸電阻與接觸壓力有關(guān)，所以，得到結(jié)論：接觸電阻是材料屈服強(qiáng)度的函數(shù)，表達(dá)形式為接觸電阻Re＝f（F，Qs），F(xiàn)是電極壓力.

5 結(jié)語

用ABAQUS軟件模擬鋁合金電阻點焊預(yù)壓接觸過程，可以得到以下結(jié)論：

a.本文模擬的預(yù)壓接觸是包含了材料非線性和邊界非線性情況的高度非線性分析，在加載前，一定要確保各個接觸面平穩(wěn)接觸，否則計算無法達(dá)到收斂或者分析結(jié)果嚴(yán)重錯誤.

b.在球面形電極條件下，接觸面上的接觸壓力分布不均勻，這種壓力分布情況會導(dǎo)致點焊時工件表面金屬飛濺嚴(yán)重，影響焊點美觀形象.

c.電極-工件間的接觸壓力分布與球形端面的軸力分布滿足接觸理論的力平衡條件.所以，可以選用不同的電極來改善電極-工件間接觸壓力分布.

d.在多組電極壓力下，不改變其它工藝焊接參數(shù)，可以進(jìn)行多次實驗并結(jié)合數(shù)值模擬，給出接觸電阻關(guān)于電極壓力的函數(shù)表達(dá).

e.基于預(yù)壓接觸基礎(chǔ)上，得到了熱電瞬態(tài)分析的初始導(dǎo)電區(qū)域，完成后續(xù)的熱電機(jī)理研究，得到電阻點焊的溫度場及應(yīng)力應(yīng)變場，反過來，可以為點焊提供合適的電極壓力接試驗利用BAQus模擬電阻點焊過程，仿真結(jié)果有利于指導(dǎo)焊2r41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5非晶棒料摩擦焊接［8］.

致謝

本論文在撰寫過程中得到武漢工程大學(xué)青年博士工作室全體人員的大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝！

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Pre－press contact analysis of aluminum alloy resistance spot welding

WU Yan－yang1,2，ZHOU Ting－ting1，LI Ni1，LONG Shi－h(huán)ui1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of technology），Wuhan 430205，China

To explore the distribution of the contact pressure and the initial conductive region in aluminum alloy resistance spot welding，a preloading contact axisymmetric finite element model was created by ABAQUS software under the spherical electrode conditions，and the different electrode pressures were applied to the model.The contact pressure curves of different contact surfaces，axial force contours on electrodes and effective plastic strain contours within workpieces were obtained in the visualization module.The finite element analysis results show that the distribution of contact pressures in the contact area is not uniform，and the contact pressures between the electrodes and the workpieces are influenced by the spherical electrode tip axial stress distribution；the contact pressures between the workpieces are associated with material state；the contact radius between the workpieces increases linearly with the increasing of electrode pressures.It illustrates that the contact distribution can be improved by selecting different section electrodes to change the contact area in resistance spot welding.

aluminum alloy；resistance spot welding；ABAQUS；preloading contact

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.013

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0058－06

2014-12-10

吳艷陽（1974－），男，湖北咸寧人，副教授，博士.研究方向：壓力容器及管道無損檢測，汽車沖壓件焊接變形控制以及汽車焊裝生產(chǎn)線焊接夾具優(yōu)化設(shè)計.