异质金属Fe-Ni电阻点焊熔核形成过程三维数值模拟分析

1、异质金属Fe-Ni电阻点焊熔核形成过程三维数值模拟分析     王春生赵熹华殷世强 摘要：介绍了异质金属Fe-Ni电阻点焊熔核形成过程的三维电、热学有限差分模 型，提出了异质金属点焊过程导电、传热三维耦合作用的模拟方法、接触电阻分析方法和产 热结构处理方法。模型中也考虑了随温度变化的材料性能以及各种边界冷却条件的影响，模 拟过程分析了改善异质点焊接头的办法。数值模拟结果与实验吻合良好 。该模型提供了一种有效的异质点焊过程理论的分析手段。关键词：异质金属；电阻点焊；有限差分；数值模型中图分类号：TG402文献标识码：AAn Analytical 3D Ca

2、lculation Model for Resistance Spot Welding Nugget Process of Dissimilar Metal Fe-NiWANG ChunshengZHAO XihuaYIN Shiqiang(Jilin University of Technology,Changchun,China)Abstract: A three-dimensional finite difference electric-thermal models for resistance spot welding nugget process of dissimilar met

3、al Fe-Ni is introduced. A simulatio n method of the interaction between electrical and thermal factors is presented. Mean while, calculation method of contact resistance and treatment method of heater s tructure is provided. The influence of the temperature dependent material proper ties and various

4、 cooling boundary conditions on welding process is also taken in to account in the model. An improved method is analyzed on dissimilar joint by numerical simulation process. Experimental verification shows that the model pr ediction agrees well with the practice. The model provides a useful theoreti

5、cal tool for analysing the resistance spot welding process for dissimilar metals.Key words:dissimilar metalresistance spot weldingfinite differencenumerical model异质材料在点 焊过程中，材料的热物理性质的差异及金属间化合物的形成，使异质点焊熔核形成过程与同 质 材料有所区别。由于点焊熔核形成过程的不可见性，对其检测相当困难，数值模拟分析理论 的建立对其分析研究具有重要价值。英国学者Greenwood1发表了第一个数值模 拟方法，此后，

6、各国学者不断建立新的数学模型，计算方法、处理边界 条件方法不 断完善，由最初的一维热模型，只考虑到电、热数值模型差分求解2,3，到二维轴对称模型，并进行电、热、力耦合有限元求解47，但异质金属点焊的数 学模型的理论研 究尚没有文献报道。本文建立了以Fe-Ni异质金属点焊为研究对象的三维数值模型有限差分 电热耦合模型，并协同力学因素考虑了接触电阻变化对焊接过程的影响，并开发了计算软件 ，为进一步开展点焊理论研究提供了条件。1三维模型的建立点焊过程的模拟是一个多因素及多重非线性的复杂问题，为简化计算，考虑到电极形状及对 称性并决定了电势和温度分布的对称性，同时考虑异质金属热物理性质的差异，建立三维

7、差分求解模型(见图1)。模型根据产热结构设计为非均匀网格结构，网格计算前处 理自动形成。图1异质金属点焊3D差分模型1.1控制过程方程根据电磁场理论，导体内电势在x、y、z方向分布满足Laplace方程，它的求解区 域包括异质金属Fe-Ni液态熔核和周围固体及电极，电阻率随温度发生变化，电场控制方程为(1)式中,为电阻率。温度分布采用传热理论中有内热源非稳态的热传导方程描述，材料的导热系数k、比热c 和密度都随温度T而发生变化，材料的相变及熔化时存在潜热，模型中系数在相变温度期 间均匀折算成比热的方法来模拟，温度控制方程为(2)1.2接触电阻的处理及发热量的处理工件接触面和电极与工件接触面上的

8、接触电阻c，对点焊熔核形成前期有较大影响，由 于 接触电阻变化规律复杂，工件及工件与电极在前期有较大的接触电阻。文献3、4 认为接触电阻(3)式中，c(T0,P)为在室温电极压力条件下的接触电阻率；H(T)为不同温度下的硬度；H(T0)为室温下的硬度。接触面的节点所控制单元的内部电阻 视为该节点的内部电阻与接触电阻之和。单元节点n热传导控制方程的源项发热率(4)单元节点n的电流密度(5)1.3边界条件的处理当x=0,y=0时(6)单元节点n的水冷表面和空冷表面(7a)(7b)单元节点n的Fe-Ni非焊接接触表面(8a)(8b)2三维电-热耦合模拟计算2.1有限差分法电热耦合计算有限差分法是在离

9、散控制方程的基础上求解连续体问题，按图1所规划的差分网格的节点代 表控制体单元，每个节点的数值受周围6个节点数值影响并构成有限差分方程。在温度和电 压变化 较大的焊接区及接触区规划较小的单元网格，接触电阻影响电压分布及产生的热量视为接触 区节点的内部节点的内部电阻。在非焊接区及电极区使用按比例扩大节点网格。模拟计算从 室温开始，同时计算电阻率、密度、热容和硬度，并由硬度计算接触电阻率且转化为内部电 阻 率，解差分方程组得到电势分布，并得到节点的电压降、产热率、电流密度。在模拟过程中 ，把焊接时间划分为若干个时间步长，计算热物性参数，求解温度差分方程组得到所有节点 温度及分布状况。循环上述计算过

10、程，就得到不同时刻的计算结果，计算流程见图2。求解巨型方程组使用隐式差分的迭代方法，以使得到的数据误差小、结果收敛。在求解过程中，不同计算块之间的参数影响通过数据文件耦合，每次的计算结果作为下一个循环有关参数取值的依据。图2模拟计算流程该模型取工频50 Hz交流点焊，初始温度取为20，循环步长在第一个周波取0.1周波， 以后均取0.25周波，直到焊接结束。模拟由一过程软件控制，计算过程中在指定的时间点 存储各种计算结果，考虑异质金属点焊，熔核形成产生偏移而影响点焊质量，可根据计算要 求设定下电极的热物性参数，使熔核的长轴位于贴合面上，且保证熔核上下对称。模拟提供 的计算结果包括各节点电阻、动态

11、电阻、电流密度、节点电压降和节点温度等，并在此基础 上对电压分布、电流密度分布和温度分布由绘图软件绘图。3计算结果及讨论用所建模型对厚度Fe2.0mm-Ni2.0 mm、长宽各为40 mm板材的点焊进行了模拟计算，电极 直径取为8.0 mm,焊件Fe-Ni及电极的有关热物性参数及性能数据依据资料和手册选取，水 冷电极通过冷却水的散热系数取3800 W/(m2K)，不同温度下的电极，工件表面的对 流和热辐射换热系数按传热方式折算为散热系数,焊接电流为恒流，分别为8000 A、10 000 A、12 000 A和13 000 A，焊接时间分别为50周波、30周波、24周 波和18周波。图3为典型强

12、规范条件下(12 000 A，24周波)不同时间熔核及热影响区计算结果与实测 结果的比较。焊后试件沿焊核中心切开，制成宏观金相 试样，然后用显微镜测得熔核尺寸，可以看到计算结果与实际吻合良好。且熔核的长轴基本 处于贴合面处，但熔核形状有差异，由材料热物性在 高温中的差异决定。图3熔核和热影响区计算结果 与实测结果比较图4不同规范下熔核偏移量图4为不同规范的熔核计算偏移量，可以看到随焊接电流变大，熔核的偏移量逐渐减小 甚至消失，这是因为焊件热物性有差异，强规范对接触电阻依赖性增加，而散热困难；当规 范减弱时，产热依赖于内部电阻，散热加强，则产热量高且热容较低的金属优先熔化，致使 熔核偏向该侧。在

13、异质金属实际点焊中确有此现象发生。4结论 通过异质金属Fe-Ni点焊过程三维有限差分求解，具有合理的处理电热耦合作用模 型中分析了异质金属点焊的接触电阻变化及材料的热物性参数变化对数值模拟结果的影响， 并确定了合理的边界条件。试验结果表明，模型结果与实际焊接过程基本吻合。该模型的大量模拟结果为点焊研究提供了重要 的手 段，同时以模型计算分析手段证明了改善异质金属点焊质量的措施是可行的。(编辑马尧发)基金项目：国家自然科学基金资助项目(59875033)作者简介：王春生，男，1965年生。吉林工业大学（长春市130025）材料学院 讲师、在职博士研究生。主要从事焊接材料开发及焊接热过程控制方面的

14、研究。 完成省部级以上科研项目4项，在研项目6项，发表论文20余篇。赵熹华，男，1942年生。吉林工业大学材料学院 教授、博士研究生导师。殷世强，男，1956年生。吉林工业大学材料学院工程师。参考文献：1Greenwood J A.Temperature in Spot Welding.British Welding J，1961.(6)8:3163222Kim E W,Eagar T W.Measurement of Transient Temperature Response dur ing Resistance Spot Welding.Welding Journal,1989，68:3

15、03s311s3HAN Z,Indacochea J E,CHEN C H et al.Neld Nugget Development and I ntegrity in Resistance Spot Welding of High-strength Cold-Rolled Sheet Steels. W elding Journal,1993，72:209s216s4Alcini W V.Experimental Measurement of Liquid Nugget Heat Convection in Spot Welding.Welding Journal,1990，69:177s180s5Bowers R J,Sorensen C D,Eagar T W.Electrode Geometry in Resistance Spot Weldin