不等厚鍍鋅鋼板的點焊模擬和熔核偏移

嚴　愷，余　進，余群鋒，易明輝，劉　超，羅　滏

不等厚鍍鋅鋼板的點焊模擬和熔核偏移

嚴愷1，余進1，余群鋒2，易明輝2，劉超1，羅滏1

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇南京211100）

利用有限元分析軟件ANSYS建立1/2二維鍍鋅鋼板點焊計算模型。特殊處理鍍鋅層，先進行點焊預(yù)壓分析，然后進行溫度場的模擬分析，得到點焊接頭應(yīng)力分布和熔核尺寸以及溫度場分布云圖。分析不等厚板點焊過程中的熔核偏移現(xiàn)象，通過設(shè)計模擬并加以實驗驗證，證明了點焊硬規(guī)范能明顯改善熔核偏移的結(jié)論。

鍍鋅鋼板；電阻點焊；有限元分析；溫度場；熔核偏移

0　前言

環(huán)境日益惡化，酸雨和其他惡劣環(huán)境時刻考驗著汽車的耐腐蝕性能，鍍鋅鋼板以其優(yōu)越的耐腐蝕性能被大量使用于汽車零部件上。大部分汽車零部件是由點焊連接而成，鋅層雖能增強鋼板耐腐蝕性能，但嚴重影響鋼板的焊接性能，其可焊性較普通鋼板差了很多[1]。因此，改進鍍鋅鋼板點焊工藝，提高車身焊接質(zhì)量已成為各大汽車企業(yè)日益重視的問題。

以厚度分別為0.6 mm和1.2 mm的兩塊汽車用零部件鍍鋅鋼板為研究對象，在ANSYS中進行結(jié)構(gòu)分析，得到點焊預(yù)壓階段的應(yīng)力分布，并以此確定點焊初期的接觸電阻分布和導(dǎo)電區(qū)域分布；然后進行點焊溫度場的模擬分析，將應(yīng)力場所得結(jié)果存儲成物理環(huán)境作為載荷施加到熱電模型上，用這種間接耦合的方式實現(xiàn)整個點焊過程的模擬分析。針對實際生產(chǎn)中不等厚板點焊熔核偏移嚴重的現(xiàn)象，提出改善意見，通過模擬和實驗驗證了方法的可行性。有限元軟件的模擬分析可為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)作用。

1　ANSYS有限元模擬方法

1.1模型建立和有限元網(wǎng)格劃分

為簡化模型，點焊模擬均建立1/2對稱的2D模型。取工件半徑為20 mm的圓形區(qū)域進行分析，采用半球形銅電極，主體部分直徑D=16mm，端面直徑d=6mm，上板厚度0.6mm，下板厚度1.2mm。對于模型網(wǎng)格的劃分采用不均勻網(wǎng)格劃分方法，對接觸區(qū)域這些重點部位進行網(wǎng)格細分，而其他部位則劃分較粗，以便保證計算精度的前提下提高運算效率。有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，局部放大如圖2所示。

圖1　網(wǎng)格劃分Fig.1Meshing

1.2分析單元和接觸電阻

在點焊預(yù)壓模擬分析中，選取CONTA171單元和TARGE169單元分別定義電極面和工件表面兩個面為接觸對的接觸面和目標面，對于模型主體則采用PLANE42單元；在溫度場模擬中，模型的主體單元選取PLANE67單元，在工件與電極之間以及工件與工件之間建立僅工件厚度1/30的薄層單元，在該單元上施加接觸電阻率來定義接觸電阻。

圖2　局部放大Fig.2Enlarged view

1.3材料屬性

模擬所采用的工件材料為普通低碳鋼，電極為銅電極，鍍鋅層為鋅。三種材料的各種電熱物理參數(shù)值如表1～表3所示[2]（其中鍍鋅層的物理性能則因缺少高溫數(shù)據(jù)完全采用純鋅常溫下的數(shù)據(jù)）。

表1　低碳鋼和銅電極電熱物理屬性Tab.1Electric physical properties of low carbon steel and copper electrode

2　模擬結(jié)果和分析

2.1應(yīng)力場分析

設(shè)置一定的邊界條件和載荷，對模型進行應(yīng)力場分析，得出預(yù)壓模型的等效應(yīng)力分布云圖、兩工件之間以及工件與電極之間接觸面沿徑向的接觸壓力變化曲線。

應(yīng)力分布云圖如圖3所示。由圖3可知，當電極為球形時，電極邊緣及其對稱軸為大應(yīng)力主要分布區(qū)域，電極邊緣處的壓力最大，這能很好地解釋在實際點焊預(yù)壓過程中電極邊緣對工件表面造成的壓痕現(xiàn)象，證明模型建立準確。

表2　低碳鋼和銅電極的力學(xué)性能Tab.2Mechanical properties of low carbon steel and copper electrode

表3　鋅的物理性能Tab.3Physical properties of Zinc

圖3　等效應(yīng)力分布Fig.3Equivalent stress distribution nephogram

電極與工件的接觸壓力沿徑向的分布如圖4所示。在電極與工件接觸界面上最大應(yīng)力出現(xiàn)在電極外邊緣處，達到129.1 MPa。這是因為此處電極端面突然消失，在力傳導(dǎo)的尖銳處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，這個結(jié)果與實際點焊過程中電極邊緣處形成環(huán)狀壓痕的現(xiàn)象吻合，但這種壓痕的存在影響了點焊質(zhì)量和焊點美觀。工件與工件間的接觸壓力沿徑向的分布如圖5所示。由圖5可知，雖然工件與工件接觸區(qū)域規(guī)則平整，但是接觸界面上接觸壓力的分布并不均勻，隨著離對稱軸距離的增加先增大后減小，當距離對稱軸6 mm以上時，接觸應(yīng)力基本消失。工件間接觸應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在接觸區(qū)域邊緣靠近對稱軸位置，為49.2 MPa。雖然此力遠不及電極與工件接觸壓力的最大值，但會使工件內(nèi)部這些區(qū)域的金屬發(fā)生變形，在此部位形成點焊初期塑形環(huán)，塑形環(huán)的產(chǎn)生可以減小焊接過程中的飛濺[3]。

圖4　電極與工件間的接觸壓力Fig.4Contact pressure between electrode and workpiece

圖5　工件與工件間的接觸壓力Fig.5Contact pressure between workpieces

2.2溫度場分析

以焊接電流8 500 A、焊接時間0.28 s（14 cyc）的焊接參數(shù)對不等厚鍍鋅鋼板點焊溫度場分布進行模擬，這種焊接規(guī)范參數(shù)下不同時刻的點焊溫度場分布如圖6所示。

由圖6可知，在點焊初期溫度上升很快，在焊接第一周波結(jié)束時，工件與工件接觸面區(qū)域的最高溫度達到200℃以上。這是因為此處接觸面積較小，電流通過時密度很大，產(chǎn)生的強烈邊界收縮效應(yīng)使接觸電阻很大，由焦耳定律可知，此處的產(chǎn)熱量非常大，故接觸面區(qū)域的溫度較其他部位上升更快。與此同時，電極端面邊緣與工件接觸的區(qū)域形成次高溫區(qū)，原因可由前面的預(yù)壓分析結(jié)果來分析。電極端面邊緣部位所受壓力較大，接觸情況較與其平行的其他部位更好，電流密度大，產(chǎn)熱量大，所以電極邊緣接觸區(qū)域溫度上升也很快。在點焊進行到7 cyc時（見圖6b），隨著溫度的上升，工件本身的電阻產(chǎn)熱成為熔核形成的關(guān)鍵。工件之間沿徑向的散熱較好，而沿厚度方向散熱較慢逐漸形成橢圓形的熔核。在焊接進行到14 cyc即焊接結(jié)束時，熔核的完整形貌呈現(xiàn)。不同厚度工件點焊時，薄板的散熱效果更好，熱量損失較大，而厚板的電阻大析熱多，熱量損失較小，所以隨著焊接的進行，熔核中心會逐漸向厚板移動，造成熔核偏移現(xiàn)象。

圖6　不同時刻溫度場分布Fig.6Temperature field distribution at different times

3　改善熔核偏移

3.1熔核偏移的后果及解決辦法

不等厚金屬板的點焊在實際焊接生產(chǎn)過程中的應(yīng)用更為廣泛，熔核偏移是不等厚板焊接時最常見的問題。在實際點焊生產(chǎn)中，如果出現(xiàn)熔核偏移現(xiàn)象有可能導(dǎo)致工件在貼合面上的尺寸比熔核直徑小，使薄板側(cè)的焊透率小于生產(chǎn)規(guī)定值，這均會降低焊點承載能力，嚴重時甚至產(chǎn)品有安全隱患。改善熔核偏移的方法有以下兩種[4]：（1）采用硬規(guī)范；（2）采用不同直徑的電極。

3.2模擬結(jié)果

實際生產(chǎn)中，一臺焊機要焊不同的工件，電極不可能隨時更換，所以在此主要討論第一種方法即焊接參數(shù)的影響。采用軟、硬兩種焊接參數(shù)再加一組過渡參數(shù)對比三種規(guī)范對熔核偏移量的影響，參數(shù)選擇依據(jù)見文獻[5]，三組參數(shù)組合如表4所示。

表4　點焊規(guī)范Tab.4Spot welding parameters

采用如表4所示焊接參數(shù)對模型進行點焊過程的溫度場數(shù)值模擬，得到的三種規(guī)范參數(shù)下的溫度場分布和熔核形貌如圖7所示。采用軟規(guī)范焊接工藝參數(shù)的溫度場分布（見圖7a），熔核明顯偏向厚板一側(cè)，這是因為此種焊接規(guī)范加熱速率較慢，電極在薄板處的冷卻作用更好，且薄板散熱相對厚板快，同時薄板厚度低電阻小，通電時析熱量也較小，由此造成了兩側(cè)熱量的不均勻，熔核中心向析熱量更高的厚板一側(cè)移動，產(chǎn)生嚴重的熔核偏移現(xiàn)象，造成薄板一側(cè)的熔透率下降。熔核偏移也會使得電極端面的溫度較高，不僅造成電極的磨損加快，還使焊接質(zhì)量下降。當采用較硬規(guī)范的焊接工藝參數(shù)時，熔核偏移現(xiàn)象逐漸消失，熔核在接觸面處呈對稱分布，如圖7b、圖7c所示。

3.3驗證實驗結(jié)果

模擬結(jié)果受多個因素（模型選擇建立方式、接觸設(shè)置、邊界條件、材料性能參數(shù)等）影響，因此其準確性和可靠性都需要實際的點焊工藝實驗進行驗證。電阻點焊過程較為復(fù)雜，而且通常只需零點幾秒的時間就能完成整個焊接過程，并且整個焊接過程無弧光等產(chǎn)生，因此無法直接觀察，使得其溫度場實際測量比較困難。本研究采用比較點焊熔核大小和熱影響區(qū)的范圍來進行側(cè)面的對比驗證。即在相同電極形狀尺寸和工藝參數(shù)等條件下，將實際點焊實驗所得熔核尺寸以及熱影響區(qū)的范圍與模擬結(jié)果進行對比。

圖7　三種規(guī)范參數(shù)下的溫度場分布Fig.7Temperature field distribution of the three standardized parameters

點焊實驗結(jié)束后，觀察試樣表面的焊點，未發(fā)現(xiàn)明顯的焊接缺陷。觀察分析接頭熔核區(qū)域，其顯微金相如圖8所示。

由圖8可知，當采用規(guī)范1時，規(guī)范太軟，熔核偏移嚴重，析熱區(qū)基本都處于厚板，而上面的薄板未完全熔合，不能保證產(chǎn)品質(zhì)量。當采用后兩種規(guī)范時，熔核直徑均能達到6 mm，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。特別是第三種規(guī)范時，熔核飽滿，呈較規(guī)則橢圓形，熔核偏移現(xiàn)象得到明顯改善。但在實際大批量零件生產(chǎn)中，參數(shù)的選擇還應(yīng)考慮電極的磨損更換、焊接飛濺、生產(chǎn)成本等因素，應(yīng)在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下最大程度地降低生產(chǎn)成本。ANSYS軟件模擬結(jié)果是在理想的環(huán)境下得到的，而實際點焊接頭的形核狀態(tài)受諸多方面的影響，如電極磨損、工件表面處理狀態(tài)以及上下電極位置關(guān)系等。因此，在試驗驗證中只要能夠看出熔核偏移現(xiàn)象有明顯改善，即可說明模擬結(jié)果的準確性和可行性。

4　結(jié)論

（1）通過預(yù)壓分析得到點焊接頭的應(yīng)力分布云圖，在電極端面和工件接觸的邊緣部位應(yīng)力最大，電極端部在力的作用下壓入工件表面形成壓痕。工件與工件接觸面之間的最大壓力出現(xiàn)在電極半徑稍微靠近對稱軸的部位。在實際焊接過程中，接觸區(qū)高應(yīng)力部位形成點焊初期塑形環(huán)，塑形環(huán)的產(chǎn)生可以減小焊接過程中的飛濺。

（2）分析得到的焊接溫度場，點焊初期溫度升高很快，高溫區(qū)分布在電阻較大的三個接觸面附近。繼續(xù)通電，呈扁平的棗核狀的熔核雛形顯現(xiàn)。這是因為工件內(nèi)部在徑向的散熱效果更好，熔核沿著熱量傳遞快的徑向方向的增長速率大于軸向。隨著焊接的進行，熔核繼續(xù)增長擴大，直至焊接結(jié)束時形成飽滿的橢圓形熔核。

（3）采用三組不同的規(guī)范參數(shù)，模擬得到三種規(guī)范下的溫度場分布圖，發(fā)現(xiàn)硬規(guī)范能夠明顯改善熔核偏移情況。通過驗證實驗，觀察宏觀金相照片，得到與模擬結(jié)果一致的結(jié)論，即硬規(guī)范能明顯改善不等厚板點焊時熔核偏移嚴重的問題。

圖8　三種規(guī)范下的金相圖像Fig.8Phase diagrams of three standardized parameters

[1]雷鳴，王敏，殷美慶.鍍鋅鋼板點焊過程的有限元模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，39（7）：1033-1037.

[2]王璐.鍍鋅鋼板點焊溫度場及動態(tài)過程的數(shù)值模擬[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[3]楊巍華.不等厚板電阻點焊熔核形成過程的數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會，電阻焊(IV)專業(yè)委員會.電阻焊理論與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[5]趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.

Research on spot welding simulation and nugget offset of galvanized steel sheets with different thickness

YAN Kai1，YU Jin1，YU Qunfeng2，YI Minghui2，LIU Chao1，LUO Fu1
（1.School of Materials Science and Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China；2.NanjingWeld Automobile Parts Co.，Ltd.，Nanjing211100，China）

This paper adopts finite element software ANSYS to establish 1/2 2-D welding point calculation model of galvanized steel sheet.With special processing to the galvanized coating，the prepressing analysis and temperature field simulation analysis are conducted successively to obtain the graphs of stress distribution among contact joints of point welding，the fused-core size and temperature field distribution.In addition，fused-core shift phenomenon is analyzed in process of point welding to steel sheet. Simulation designed and verification experiment conclude that point-welding hard specification can dramatically improve fuse-core shift phenomenon.

galvanized steel；resistance spot welding；finite element analysis；temperature field；nugget offset

TG453+.9

A

1001－2303（2016）01－0056-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.13

2015-08-31；

2016-01-07

嚴愷（1991—），男,安徽合肥人,在讀碩士,主要從事點焊模擬和生產(chǎn)方面的研究。