尼龍電池殼焊接過程中的熱分析

張錫軍，張青，羅振

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.中國人民解放軍第91362部隊，浙江寧波315000；3.天津大學材料學院，天津300072)

尼龍電池殼焊接過程中的熱分析

張錫軍1，張青2，羅振3

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.中國人民解放軍第91362部隊，浙江寧波315000；3.天津大學材料學院，天津300072)

利用Solidworks2012和ANSYS 14.5/Multiphysics模擬軟件，對電池殼的焊接過程進行仿真分析。通過對溫度場的分析可知，在振動摩擦焊的初期，電池殼溫度提升較快隨后接近尼龍的熔點。隨后，摩擦焊接進入一個相對穩(wěn)定的時期，溫度緩慢上升近似持平。

模擬仿真；尼龍；焊接；熱分析

計算機模擬是指通過建立實際物理現(xiàn)象的數(shù)學模型，運用合適的數(shù)學計算方法，在計算機上對真實物理現(xiàn)象進行計算模擬。目前隨著計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展，大量原來運行于小型機平臺上的大型模擬軟件逐漸移植到PC平臺上，一般工程技術人員也擁有了計算機模擬的手段，使得近年來計算機模擬在工程技術中的應用迅速擴大[1]。

尼龍即聚酰胺纖維，簡稱PA，是指分子主鏈含有酞胺鍵(—CONH—)的一類高分子材料[2]，PA具有良好的機械物理性能及優(yōu)越的性價比，如自潤滑性能好、強度高、耐磨、耐溶劑等，廣泛應用于紡織、造船、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械和精密儀器儀表等領域[3]。在尼龍電池殼的制造過程中，各部件之間的連接不可避免，因此常采用焊接的方式對其制品進行封裝。尼龍屬于熱塑性高分子，在溫度提升至一定臨界值以上時，材料變?yōu)橥耆苄?，施加一定的壓力后，可以使各長分子鏈接近至范德瓦爾斯作用力的范圍內，從而實現(xiàn)連接。

為了探尋尼龍電池殼在振動摩擦焊接過程中的溫度分布，利用Solidworks2012以及ANSYS 14.5/Multiphysics為基礎平臺，對電池殼的焊接動態(tài)過程進行仿真分析。

1 研究內容及方案

1.1 有限元數(shù)值模擬

有限單元法起源于20世紀50年代航空工程中飛行結構的矩陣分析，而現(xiàn)在它已經(jīng)被用來求解幾乎所有連續(xù)介質和場的問題。在焊接領域，有限元法已經(jīng)廣泛地用于焊接熱傳導的分析中。在目前眾多有限元仿真分析軟件中，ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程(CAE)軟件，能與多數(shù)計算機輔助設計(CAD，computer Aided design)軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。

1.2 振動摩擦焊接仿真基本原理

1.2.1 振動摩擦焊接過程分析

振動摩擦焊的過程中，摩擦中的一側工件被一對往復機構驅動著，相對于另一側被夾緊的工件表面作相對運動，并在其軸向施加的壓力下，摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦表面的材料逐漸達粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生變形，形成飛邊。然后，停止往復運動并施加頂鍛力，完成焊接。目前普遍認為，尼龍電池殼接觸面在形成連接的過程中由如下幾個階段組成，如圖1所示。

圖1 振動摩擦焊的連接機理

(1)初始階段：從初始階段起，兩個工件在摩擦壓力的作用下作線性往復運動，摩擦生熱的同時，摩擦表面的摩擦系數(shù)也在發(fā)生著相應的變化。在這一階段，隨著摩擦過程的進行，實際接觸面積不斷增加，但并沒有發(fā)生焊接粘連的現(xiàn)象。如果這一階段的摩擦生熱不充分，那么下一階段就難以繼續(xù)，因此，這個階段非常關鍵。

(2)過渡階段：在此階段，摩擦界面處的尼龍開始出現(xiàn)明顯的塑性變形，摩擦面的接觸面積及摩擦系數(shù)均達到最大。從宏觀上，可以觀察到結合面處的塑性流動區(qū)域逐漸擴展到整個摩擦界面。

(3)穩(wěn)定階段：在高頻線性往復運動和摩擦壓力的作用下，摩擦界面處的尼龍被加熱到熱塑性流動狀態(tài)并被擠出摩擦界面，形成飛邊。在此階段，加熱和散熱基本達到準平衡狀態(tài)，摩擦加熱功率基本保持不變。

(4)減速階段：當焊接接頭達到合適的溫度，并產(chǎn)生較大的塑性變形時，兩工件迅速對中(小于0.1 s)并施加頂鍛壓力來形成牢固的焊接接頭，這一階段被振動摩擦焊的研究者認為是最重要的階段。

對振動摩擦焊接動態(tài)過程中接觸面的連接進行深入的分析和合理的抽象簡化，對其建立有效的動態(tài)仿真是十分必要的。

1.2.2 ANSYS中模擬振動摩擦焊的接觸分析

摩擦接觸是一種高度非線性的問題，需要耗費較大的計算資源，為了進行更精準更有效的計算，合理模型的建立也是非常重要的。其中接觸問題存在兩個難點：首先，在求解問題之前并不知道具體接觸區(qū)域大小，表面接觸狀態(tài)是接觸或分開是未知的，而且是突然變化的，這與載荷、材料、邊界條件和其它因素有關；其次，接觸問題大多數(shù)需要計算摩擦，由于這種接觸是非線性的，所以摩擦問題使接觸的收斂性變得困難。大型有限元ANSYS具有強大的網(wǎng)格處理能力、高精度非線性問題求解以及強大的耦合求解能力，并且得到了廣泛的應用，實踐證明ANSYS是一種非常有效的數(shù)值方法，而且理論上也已經(jīng)證明。

本次研究應用ANSYS的接觸分析能力和隱式算法對尼龍電池殼接觸面處振動摩擦生熱問題進行了分析和研究。具體模型中采取面—面的接觸方式，選擇目標單元為TARGE169，接觸單元為CONTA172；利用四節(jié)點平面熱-結構耦合單元PLANE13來進行網(wǎng)格劃分；在接觸算法方面采用擴張的拉格郎日算法；計算中采用不對稱求解器和等效熱源法來求解摩擦關系中的復雜摩擦生熱問題，從而改善了收斂；模型中考慮了對流換熱以及接觸間的熱傳導。

2 模型的建立

按照真實尺寸利用Solidworks建立尼龍電池殼的三維實體模型如圖2所示，電池殼由上端蓋和箱體兩部分組成，各部分的尺寸也標注在圖2中。

將Solidworks建立好的實體模型無縫導入到ANSYS中，賦予其材質屬性。通過軟件自適應網(wǎng)格劃分功能，建立的有限元模型如圖3所示。

采用必能信MINI II型振動摩擦焊接機對工件進行焊接。尼龍電池殼振動摩擦焊接的工藝參數(shù)為：振動頻率220 Hz，焊接壓力2～3 kgf/cm2，焊接深度1 mm，焊接時間20 s，振動振幅1.6 mm。在建立實體模型與劃分網(wǎng)格之后，對焊接過程的仿真如圖4所示。

圖2 尼龍電池殼的尺寸與三維建模

圖3 尼龍電池殼模型及網(wǎng)格劃分

圖4 仿真過程示意圖

在分析動態(tài)焊接過程中，對電池殼箱體任意不共線的三點施加位移約束以便分析其在焊接過程中的熱應力情況。其中三維傳熱模擬是通過Solid70單元實現(xiàn)的，采用瞬態(tài)熱分析模式進行傳熱過程的求解。在溫度場的模擬仿真中，選用只有一個自由度的實體單元Solid70對焊接過程中的溫度場進行分析。

3 模擬結果與分析討論

通過對尼龍電池殼振動摩擦焊接過程中的溫度場進行分析，得到如圖5所示結果。其中：(a)為焊接至穩(wěn)定階段的溫度梯度分布；(b)為焊接穩(wěn)定階段的熱流密度分布；(c)為焊接至穩(wěn)定時期的三維溫度場分布；(d)為焊接整個過程中，上端蓋與箱體接觸面處的升溫曲線。由于在振動摩擦焊接過程中，振動的線速度并不是一個恒定值，因此其產(chǎn)熱也是斷續(xù)的，如圖5(b)所示。

通過對溫度場的分析可知，在振動摩擦焊的初期，溫度提升較快隨后接近尼龍的熔點的溫度。材料此時處于流變狀態(tài)，生熱與散熱形成動態(tài)平衡。在隨后的過程中，摩擦焊接進入一個相對穩(wěn)定的時期，溫度緩慢上升近似持平。尼龍在其熔點附近進行高速的摩擦切邊會使其分子鏈發(fā)生裂解從而降低力學性能。因此，在焊接之后的焊縫處將成為整個尼龍電池殼的薄弱環(huán)節(jié)。

對于振動摩擦焊接過程中的應力場的模擬結果如圖6所示，其中(a)為焊接至穩(wěn)定時電池殼上端蓋處的切應力場，(b)與(d)為焊接穩(wěn)定時期整體的應變能密度分布，(c)為焊接穩(wěn)定時期的切應變分布。從模擬結果可以看出在整個焊接過程中材料所受切應力主要集中于焊縫處，這也印證了尼龍在焊接受熱過程中因切變而發(fā)生裂解現(xiàn)象。

圖5 溫度場模擬結果

圖6 應力場模擬結果

4 結論

經(jīng)分析，尼龍電池殼在焊接過程中由于高速的摩擦切邊會產(chǎn)生大量的熱，使尼龍分子鏈發(fā)生裂解從而降低力學性能，為阻止以上現(xiàn)象，可以用輔助措施對焊接面進行處理如焊接時用高壓氣體對焊接面吹氣，降低尼龍制件的溫度以提高焊接后電池殼的力學性能。

[1]蘭偉，宋學兵，劉效疆.熱電池熱模擬研究[J].電源技術，2012，36(1)：88-88.

[2]李興田.聚酰胺6納米復合材料的研究進展[J].化學工業(yè)與工程技術，2001，22(2)：29-29.

[3]陳興華，李躍文.尼龍66/無機物納米復合材料的研究進展[J].化工與材料，2007，6(6)：23-24.

Thermal analysis under nylon battery shell welding

ZHANG Xi-jun1,ZHANG Qing2,LUO Zhen3
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.Chinese people's Liberation Army 91362th,Ningbo Zhejiang 315000,China;3.Material College,Tianjin University,Tianjin 300372,China)

The process of nylon battery shell welding was analyzed by the simulation software of Solidworks2012 and ANSYS 14.5/Multiphysics.By the thermal analysis,it can be concluded that the temperature of the battery shell quickly rises to nylon melting point at the earlier stage of welding.The temperature of the battery shell gently rises at the relatively stable period.

simulation;nylon;welding;thermal analysis

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1643-02

2016-01-22

張錫軍(1977—)，男，安徽省人，高級工程師，主要研究方向為鋅銀電池。