基于有限元的焊接精密鋼球工藝研究

趙小健

摘 ?要：針對(duì)焊接精密鋼球強(qiáng)度、精度和表面質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)內(nèi)凹半球銅電極并開展了中頻點(diǎn)焊焊接試驗(yàn)，獲得焊接缺陷情況。然后利用ansys的電流仿真功能，獲得了點(diǎn)焊過程中電流分布規(guī)律，確定了產(chǎn)生球面局部缺陷的原因，進(jìn)而優(yōu)化仿真參數(shù)，獲得電流分布情況，確定優(yōu)化參數(shù)，指導(dǎo)了焊接電極優(yōu)化，最終優(yōu)化上電極并進(jìn)行焊接試驗(yàn)，獲得各項(xiàng)指標(biāo)合格的理想樣件。

關(guān)鍵詞：中頻點(diǎn)焊 ?焊接試驗(yàn) ?電流分布 ?焊接電極

中圖分類號(hào)：TG115 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（b）-0112-03

Research on welding technology of precision steel ball based on finite element method

ZHAO Xiaojian

（Institute of physical and Chemical Engineering of nuclear industry， Tianjin， 300180 China）

Abstract：According to the requirements of strength，precision and surface quality of welding precision steel ball，the concave copper electrode was designed and intermediate frequency spot welding test was carried out to obtain the welding defects. Then，by using the current simulation function of ansys，the current distribution law in the process of spot welding was obtained，and the cause of the spherical local defects was determined，then the simulation parameters were optimized，the current distribution was obtained，and the optimized parameters were determined，the welding electrode was optimized，and finally the upper electrode was optimized and the welding test was carried out，and the ideal sample with qualified indexes was obtained.

key words：Intermediate frequency spot welding，Welding test; Current distribution; Welding electrode

機(jī)械加工行業(yè)中常采用精密車削、磨削和研磨等手段加工球形軸結(jié)構(gòu)件，成本較高，而采用焊接精密鋼球的方法獲得高精度球形軸結(jié)構(gòu)件，成本較低。為探索焊接精密鋼球技術(shù)，國內(nèi)曾采用純銀電極進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，獲得焊接樣件，但球面因局部過熱產(chǎn)生氧化變色甚至退火軟化而無法使用;曾采用低熔點(diǎn)材料設(shè)計(jì)電極，焊接樣件能滿足扭矩需求[1]，但電極因先于鋼球熔化而難以重復(fù)使用。目前關(guān)于電流等參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響研究很多[2-3]，通過有限元方法取得了較大進(jìn)展，尤其是王士軍等應(yīng)用ansys對(duì)焊接電流分布進(jìn)行研究[4]，周婷等對(duì)平面接觸電阻點(diǎn)焊過程進(jìn)行研究[5]。以上均對(duì)焊接精密鋼球研究很有幫助。

本研究選用中頻點(diǎn)焊技術(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)紫銅電極進(jìn)行改制，設(shè)計(jì)環(huán)狀接觸面[6]，然后進(jìn)行點(diǎn)焊鋼球試驗(yàn)，以獲得球形軸結(jié)構(gòu)件表面缺陷情況及其分布規(guī)律;然后利用ansys軟件的電流仿真功能模擬焊接過程電流分布，指導(dǎo)焊接工藝優(yōu)化。

1 ?工件簡介

精密鋼球結(jié)構(gòu)件包括鋼球和軸桿，兩者通過焊接方法連接到一起。作為高精度球形軸結(jié)構(gòu)件，需要兼顧精度和強(qiáng)度，故焊接指標(biāo)為球面無氧化變色，球面精度無顯著降低，工件可以承受200N拉拔力。

2 ?焊接試驗(yàn)

2.1 裝置

焊接設(shè)備為專用設(shè)備，該設(shè)備具備連續(xù)多次脈沖放電的功能;上電極為標(biāo)準(zhǔn)紫銅電極端部改制球型凹槽;下電極為帶圓柱狀貫通槽的圓盤狀結(jié)構(gòu)，槽徑等于軸桿直徑。焊接裝置局部如圖1所示。

2.2 焊接參數(shù)

試驗(yàn)表明，較小電流導(dǎo)致焊接強(qiáng)度過低;較大電流導(dǎo)致焊口金屬飛濺。在不考慮重復(fù)壓力微變對(duì)焊接的影響[7]，穩(wěn)定壓力值為3kg的條件下，篩選放電焊接參數(shù)見表1。

2.3 焊接試驗(yàn)結(jié)果及初步分析

當(dāng)焊接電流較?。?-5A），放電時(shí)間短（0.01-0.025S），焊后鋼球表面無氧化變色和劃痕，但焊接強(qiáng)度很低，經(jīng)檢測，焊口斷裂時(shí)拉拔力不超過350N;單獨(dú)增大焊接電流（8-11kA），焊后鋼球表面發(fā)生局部氧化變色和壓痕，如圖2（a）所示;繼續(xù)增大焊接電流（13-15A），放電瞬間焊口處產(chǎn)生較大爆炸飛濺，威脅操作人員安全;保持小焊接電流，單獨(dú)延長放電時(shí)間（至0.05-0.2S），焊后鋼球表面發(fā)生嚴(yán)重氧化變色，無明顯壓痕，如圖2（b）所示。

為提高焊接強(qiáng)度，采取增大焊接電流或延長焊接時(shí)間的措施后，鋼球表面始終存在氧化變色或壓痕。氧化變色均位于球面的中下部，壓痕位于球面的中部。分析球面上部完好的原因?yàn)殂~電極的包裹作用分散了球面的電流和熱量;球面壓痕的原因?yàn)榍蛎婢植侩娏鬟^大，引起鋼球相應(yīng)部位的表層金屬溫度過高而發(fā)生軟化，相應(yīng)部位的銅電極在壓力的作用下擠壓鋼球軟化表面，使球面產(chǎn)生內(nèi)凹變形。為明確鋼球內(nèi)部電流分布對(duì)焊接質(zhì)量的影響，通過有限元軟件ansys的電流仿真功能，對(duì)放電過程中的電流分布進(jìn)行分析。

3 ?有限元分析電流分布

金屬內(nèi)部電流分布不可見，也沒有設(shè)備能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確檢測。而有限元仿真是呈現(xiàn)電流分布的最佳方法，選取ansys workbench中的二維仿真功能進(jìn)行電流仿真。

在創(chuàng)建有限元模型時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行了簡化，忽略接觸電阻以及電流的趨膚效應(yīng)。建模并施加載荷，求解獲得電流分布如圖3所示。

從圖3中看出，焊接電流在導(dǎo)體中非均勻分布，B處電流密度最大，A處電流密度高于周邊，AB之間電流密度較小，A處以上電流密度最小。綜合圖2和圖3，由于電流生熱與電流密度正相關(guān)，B處的大電流產(chǎn)生較大熱量，使鋼球與軸桿接觸面處的金屬充分熔化，鋼球與軸桿間產(chǎn)生良好的結(jié)合，利于焊接;A處的電流集中使該處金屬受熱過大與空氣發(fā)生氧化甚至軟化，如圖2（a）。AB之間的電流使鋼球表面與空氣發(fā)生氧化變色，與圖2相符。A處以上球面的電流最小，生熱也最少，加上銅電極與其充分接觸散熱，有效保護(hù)了球面。

通過ansys分析獲得了接觸面邊緣電流集中的現(xiàn)象，解釋了鋼球表面局部氧化變色問題。解決鋼球表面氧化變色問題，獲得光滑表面的焊接工件，因此開展了上電極結(jié)構(gòu)仿真分析，以接觸面的包裹角度為變量，逐漸將接觸面的包裹角度由180°增大到270°，仿真獲得電流分布情況。仿真結(jié)果表明，隨著包裹角度增大，電流集中隨A下移，向B靠近。圖4所示為270°度包裹角度時(shí)電流分布情況。此時(shí)已有過半球面（A處以上區(qū)域）無電流集中，從中隨機(jī)取點(diǎn)顯示電流密度不足A處的1/10。

根據(jù)仿真結(jié)果，逐漸增大上電極包裹角度，電流集中位置隨接觸面邊緣下移而下移至充分靠近軸桿。考慮鋼球與軸桿的尺寸，結(jié)合焊接熔融區(qū)域壓潰現(xiàn)象，優(yōu)選上電極的包裹角度為270°，此時(shí)上電極與軸桿之間有適當(dāng)間隙，用于焊接過程鋼球與軸桿接觸區(qū)域熔融金屬壓潰擴(kuò)展。

4 ?電極優(yōu)化與試驗(yàn)

根據(jù)有限元分析結(jié)果，重新設(shè)計(jì)了270°包裹角度的專用上電極。按照表1的參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，獲得焊接樣件如圖5所示。

從圖5可以看出，焊接樣件的過半球面光亮無氧化變色和壓痕，僅焊口局部和軸桿有氧化變色現(xiàn)象，與有限元分析結(jié)果一致。軸桿因焊接熱而與空氣中氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成暗褐色氧化層，后期采取精密磨削可去除氧化層。設(shè)計(jì)專用裝置檢測焊口抗拉強(qiáng)度，樣件斷裂時(shí)的拉拔力為（1.36-2.98）kN，滿足強(qiáng)度要求。用儀器檢測焊后鋼球精度，符合球面輪廓精度±0.0005mm要求。

5 ?結(jié)語

本研究通過焊接試驗(yàn)確定了鋼球表面氧化和壓痕的位置及狀況。利用ansys的電流仿真功能進(jìn)行了焊接電流分布分析，確定了電流不均勻分布是產(chǎn)生鋼球表面缺陷的原因，并仿真進(jìn)行了焊接上電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，指導(dǎo)了上電極優(yōu)化;設(shè)計(jì)了專用上電極并進(jìn)行焊接試驗(yàn)，獲得了強(qiáng)度、精度和表面質(zhì)量均符合要求的樣件。

參考文獻(xiàn)

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