继电器电阻点焊飞溅物控制研究(可编辑)

继电器电阻点焊飞溅物控制研究(可编辑) 继电器电阻点焊飞溅物控制研究 长春理工大学 硕士学位 继电器电阻点焊飞溅物控制研究 姓名:程艳香 申请学位级别:硕士 专业:材料加工 指导教师:刘景和 20100301摘 要 继电器作为一种重要的自动控制元件,是电子信息业的支撑,是涉及未来国 际竞争、综合国力和军事实力的重要战略元件。由于继电器的输入、输出部分广 泛使用高导性的铜合金材料,并且属于薄壁构件,因此电阻点焊得到了广泛应用。 但是由于铜合金的高的导热性、导电性能,而且对焊接参数的变化敏感,导致焊 接质量不稳定,因此研究电阻点焊过程机理是解决这些问题的基础和关键。 但是在电阻点焊中,熔核形成过程是不可见的,并且焊接过程是 瞬时完成的, 这给电阻点焊的试验研究带来了很大困难。所以本文采用数值模拟方法,通过模 拟来再现焊接过程,从而达到对铜合金点焊熔核形成过程机理的研究,本文分析 了铜合金点焊过程中的力、电、热之间的耦合行为,为解决继电器中关于铜合金 电阻点焊易出现的质量问题提供了理论依据。 本文基于有限元分析软件,建立了锡青铜电阻点焊熔核形成过程力、热、 电耦合行为的三维模型。通过数值模拟揭示了铜合金点焊中预压阶段接触压力的 变化规律,分析了电极压力变化对预压行为的影响,描述了焊接不同时刻温度场 的变化规律,从理论上探明了铜合金点焊过程熔核的形成机理。 另外,继电器的可靠性一致被认为是常规及高性能元件的最重要选择, 而继电器中的多余物是影响其可靠性的重要因素。本文通过数值模拟结果分析了 熔核长大速度与塑性环长大速度的关系,从而对点焊过程中易出现的内部喷溅进 行了控制,进而保证了继电器的可靠性。 本文还建立了非等厚板的普通点焊模型,分别对普通点焊、不等 直径电极和 硬下的电阻点焊过程进行了动态模拟。比较了三种焊接过程 中熔核的形成特 点,证实了不等直径电极和硬规范方法对于防止不等厚板熔核偏 移的有效性。 关键词:继电器铜合金 电阻点焊数值模拟有限元温度场 ,, . ? , , .,.,., .,., . ,, . , ?,,?., ’ . . ? ., . , ,. ,, . 功 。, 。 似 。. : 。啪 。 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的硕士学位论文,《继电器电阻点焊飞溅物控制研 究》是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名:擅撬查?垃年土月盟日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权 使用规定”,同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和系列数据库及其它国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名:逊上生年三月丝日 导师签名: 丝竺年上月出第章绪论 .课题背景及研究意义 ..继电器电阻点焊研究的必要性 继电器是用来接通、断开或转换电路的一种具有继电特性的自动控制元件。 由于它具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点,广泛应用在 家电、通信、汽车、仪器仪表、机器设备、航空航天等自动化控制领域。 最近的统计数据显示,随着电子信息产业的飞速发展,在电子元件产品中, 继电器已经成为第一大产品。继电器根据应用领域可以分为通讯继电器、汽车 继电器、家用继电器和密封继电器。通信业是继电器第一大应用领域,由于通 讯技术的迅速发展使整个继电器的应用增加。而汽车作为继电器应用的第二大 市场,在汽车中是仅次于传感器的第二大器件,据了解,年世界生产汽车 将近万辆,全世界汽车保有量达到.亿辆,如以每辆汽车上平均继电器 平均用量只、每辆汽车每年维修用继电器平均用量为只、汽车修配量按 保有量%计算,则年世界汽车继电器需求量达到.亿只。到年, 如以每辆车平均生产用量只、维修用量只、汽车修配量按保有量%的 参考数字计算,汽车继电器市场需求量就将突破亿只。由此可见,随着单车 用量不断增加,汽车继电器的生产和销售也大幅度增加。目前,我国已是家电 大国。年,全球家电电子市场增长.%,更推动了我国家电的高 速增长,因此未来继电器在家电应用领域增长较快。总体上来看依据市场对继 电器的需求的增大,与时具进的发展继电器技术是推动新兴技术产业发展的重 要措施之一。 继电器作为一种重要的自动控制元件,其可靠性一致被认为是常规及高性 能元件的最重要选择标准。随着我国工业生产中过程自动化水平 的不断提高, 生产工艺对自动化控制系统的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性 不仅直接影响生产效率和产品质量,而且直接关系到生产设备和操作人员的安 全。其中产品的多余物是产品质量的一大隐患。其中有些多余物是可以自由活 动的,这些活动的多余物一旦进入继电器驱动部位,会引起继电器动作受阻而不 能正常工作:非金属多余物若进入触点之间,会引起触点不通或接触电阻大等失 效模式,而金属多余物则会引起触点间短路或击穿等失效模式。这些失效都是隐 性失效,对整机的潜在危害很大。而对于航天产品特别是箭上设备的结构很紧凑,微小的尘粒、碎屑等多余物会使正常工作的仪器、设备短路或开路,机械 连接失灵,管道堵塞,运转部件卡死。轻者降低产品的可靠性、安全性:重者会 使整机失效,导致爆炸,危及人身安全。因此,在继电器的生产中必须采取有效 措施,预防和控制多余物,消除或尽可能减少多余物带来的隐患心 。 继电器中金属多余物主要来源之一是继电器的零、组件在点焊过程中产生 的焊接飞溅物。这些焊接飞溅物虽附着在零、组件上,但附着力差,在环境应力 的作用下,也会脱离附着机体而形成自由活动的金属多余物。因此控制在焊接生 产过程中所产生的飞溅物对提高继电器的质量与可靠性具有重要意义。从本质 上说,焊接过程的飞溅问题与其焊接过程中熔核形成机理紧密相关,要想从根 本上解决飞溅等质量问题就必须从点焊熔核形成过程机理入手,因此继电器电 阻点焊过程机理的研究是解决继电器电阻点焊飞溅问题的基础和关键。 继电器属于薄壁金属壳体的焊接,而这种薄壁金属壳体的焊接,是一个典 型的焊接技术问题。常用的焊接方法有为氢弧焊、钎焊、电子束焊、电阻焊、 激光焊等。氩弧焊方法焊接薄壁零件时,质量不高,电弧过程不稳定、焊接速 度低、容易过热。氧化、烧穿、损伤内部元件、致密性不好、变形大。钎焊接 头强度一般比较低、耐热能力较差,需要加钎料、钎剂;电子束焊需要真空室; 激光焊设备太复杂。 电阻点焊是一种高效的焊接方法,具有能量集中、加热时间短、变形和应 力小、辅助工序少、无须填加填充金属、生产效率高、劳动条件好,操作简便 和易于实现自动化等特点,是一种高效、低成本的重要焊接方法,在工业领域 被广泛地应用。在继电器生产中,正采用点焊技术逐步取代以往的锡焊、钎焊等 工艺,例如在继电器的触点、簧片、支架、推杆、外壳密封、安装板、隔磁片 等部件中大量使用了电阻点焊工艺。 总体上来看,继电器是涉及未来国际竞争、综合国力和军事实力的重要战 略元件。近年来市场竞争日趋激烈,使得继电器已经超出传统意义上简单的时 域基础元件的概念,尤其是高科技先进技术性能指标产品的出现,更给继电器 提供了一个广阔的舞台。但我国继电器对于核心技术、关键技术的自主开发能 力较弱,整体技术落后,且仿制多于创新,高端继电器仍须国外进口。并且随 着微电子技术、电子计算机技术、现代通讯技术、光电子技术以及空间技术的 飞速发展,对继电器质量与可靠性要求更高,因此研究继电器的电阻点焊 对于促进继电器新技术的发展、推动传统技术改造,提高继电器行业竞争 具有实际意义。..继电器电阻点焊所存在的问题 继电器电阻点焊所存在的问题从两大方面来看,一是从原材料上,一是从 工艺技术上来看。因此原材料和工艺上的突破是继电器开发成功的关键。 继电器原材料对电阻点焊质量的影响 铜及铜合金由于其电导率和热导率好、抗腐蚀能力强、易于加工、抗拉强 度和疲劳强度好而被广泛应用于电气、电子、交通及航天航空等高科技应用。 而继电器产品作为一种转换元器件,输入、输出部分广泛需要使用高导性的铜 合金材料,但是由于铜合金的很高的导电性、导热性、耐蚀性和良好的塑性等 特点,使电阻点焊质量下降: .铜合金的高导热性能。 由于铜合金的导热性强,与低碳钢的导热系数相比,紫铜约大倍。如果 采用与焊接低碳钢相同的焊接规范,则母材难以熔化,填充金属与母材不能良 好熔合、产生焊不透现象; .热胀冷缩性大。 铜及其合金的线胀系数几乎比低碳钢大形以上。液态转变为固态时的收 缩率也较大。因此,工件焊后易产生严重变形。 .氢气在液态铜中的溶解度。 铜在液态能溶解较多的氢气,在凝固和冷却过程中,溶解度大大减小。如 果焊缝金属冷速较快,过剩的氢来不及逸出,便在焊缝或熔合区产生气孔或在 金属内部造成很大的压力,促使形成裂缝。 .铜的氧化。 铜在液态容易氧化,形成氧化亚铜,溶解在液体铜里;结晶时,形成熔点较 低的共晶体,存在于铜的晶粒边界上,从而降低接头性能,形成裂缝。 .合金元素的氧化与蒸发。 铜合金中的合金元素,~般比铜更容易氧化,使有用的合金元素烧损。 继电器电阻点焊工艺存在的问题 由于电阻点焊具有工艺过程简单、焊接生产率高、污染小等优点而被广泛 的使用,在继电器尤其是小型电磁继电器的制造中大量采用了电阻点焊工艺。 但是在点焊过程中,熔核的形成是处于封闭状态,所以无论在焊接期间还是焊 后都无法直接观测到熔核,并且在电阻点焊过程中,熔核的形成过程是瞬时完 成的,正是由于这不可见性和瞬时性的特点,所以通过试验研究电阻点焊的过 程是很困难的,目前焊接质量只能通过工艺试样和破坏性试验来检查,尚缺乏 可靠的无损检测方法,这也给试验研究带来一定困难。所以单纯通过理论或实验方法很难对其进行全面深入的研究。由于对点焊的测量和分析的困难,长期 以来,点焊理论发展始终落后于应用晡。 电阻点焊的焊接过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用,又由于铜合 金材料的特殊性,所以人们对铜合金电阻点焊的过程机理一直缺乏较为深入的 理解阳。另外电阻点焊中存在大量随机不确定因素,如焊接规范参数的设定、 接触面的表面状态、电源的稳定性及工作环境等都会对焊接质量产生影响。 在点焊过程中,由于铜合金具有良好的导电性和导热性,所以点焊时一般 使用大电流、短时间的硬规范进行焊接。但是当焊接电流过大或者通电时间过 长时,使输入的热量增加,加热过于强烈,引起金属过热,使过多的熔化金属 冲破塑性环包围而造成飞溅。另外设计不当和表面状态也容易引起飞溅。 由于铜合金电阻点焊是采用硬规范进行焊接,而在焊接初期,电极与工件 间的接触电阻较大,所以电极与工件间接触面的温度较高,容易发生电极的粘 连。因此铜合金电阻点焊时铜电极的烧损非常严重,这样将大大降低了电极使 用寿命。 对于特殊的继电器,例如通讯继电器,其中接点与簧片的尺寸都 非常小, 人工点焊非常困难,且效率低小,品质难以保证。 .点焊过程数值模拟研究进展 ..电阻点焊数值模拟的必要性 采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面,并 以实验为基础,采用分析法或数值方法求解,从而获得对焊接过程的定量认识, 即是焊接数值模拟,其中定量认识的焊接过程包括焊接温度场、焊接热循环、 焊接热影响区的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等,一旦各种焊接现象能够实 现计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最 佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。因此对研究对象的物理模型及其控制方程 的确定是焊接数值模拟的关键?。 电阻点焊过程包括焊接时的电磁作用、传热过程、金属熔化和凝固、冷却 时的相变、焊接应力与变形等,因此它是一个涉及电磁学、传热学、材料冶金 学和力学等多学科交叉的复杂过程,要得到一个高质量的焊接结 构必须要控制 这些因素。但是电阻点焊的形核过程无论在焊接过程中,还是焊接终了时刻, 都无法直接观测,焊点熔核始终处于封闭状态,并且焊接过程是瞬时完成的, 因此通过试验来研究电阻点焊具有很大难度。随着现代科学技术的发展,人们 期待着更加准确、便利的研究方法。以往人们通常通过一系列实验,或者根据经验来确定焊接结构的经济性和 可靠性,凭借经验来确定焊接工艺,但是如果只依靠实验方法来积累数据,不 仅周期长,而且花费高。并且在此过程中,试验过程的任何尝试和失败,都将 需要人力、物力支持,从而造成经济的重大损失。此时数值方法由于自身的优 点,将发挥其独特的作用。通过数值模拟方法进行模拟之后,只需要进行少量 的实验来验证就可以,具有很大的经济效益。并且随着现代科学技术的发展, 数值模拟技术的地位越来越重要,在众多研究领域得到越来越多的应用。 由于电阻点焊的复杂性,因此通过分析电阻点焊过程,建立数学 模型,模 拟电阻点焊过程的理论研究就受到人们的重视。近年来,数值方法和计算机技 术的发展速度很快,在差分法、有限元法、蒙特卡洛法等诸多数值方法中,有 限元法是适应使用电子计算机而发展起来的一种比较新颖而有效的数值方法, 它已经成为焊接领域中数值模拟研究的主流,并得到广泛的运用。点焊数值模 拟是一种分析理论的手段,对点焊的研究和发展有着重要的作用,只要用计算 机能够实现对各种焊接现象的模拟,那计算机系统就可以确定各种结构和材料 焊接时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。还可以用于指导新材料点焊工 艺制定九巾。 另外,采用数值模拟方法进行研究时,我们必须正确和真实地掌握和阐明 焊接现象的本质,这样才能建立准确的数学模型,从而模拟结果才能更接近实 际,有利于我们对复杂的焊接物理现象的本质和规律进一步深入了解,为解决 焊接问题带来新思路和新方法,因此计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创 造了有利的条件。 ..电阻点焊过程数值模拟的发展 近几十年来,国内外都对数值模拟技术在电阻点焊中的应用进行许多研究, 取得了不少成果,在国外,..早在年就进行了点焊的研究,当时 他对点焊过程的温度场建立了一维传热模。由于采用的是一维模型,故它只可 以用来模拟非常薄的板,认为热量单向传递,并且..认为材料的电阻 率、热传导率、比热等热物理参数都是常数,因此该模型存在很大的局限性, 具有误差较大的特点引。随后,..于年首次建立了电阻点焊 过程的轴对称热传导模型,在该模型中,他采用了有限差分方法,并且考虑了 工件内部的焦耳热和温度对材料物性参数的影响,模拟结果得到了电阻点焊熔 核的形状,其中熔核的特征等温线是椭圆形。但是..没有考虑熔 化潜热和接触电阻等因素的影响?。所以,..等人指出上述模型所做出的简化势必给模拟结果带来很大的误差,并且认为要在充分了解接触电阻行为 的基础上才有可能准确地对点焊温度场进行数值模拟引。基于上述建议, .等人于年,发表了一篇文章,建立了另一个数值模型,即为一维 多层热交换模型。他在模型中作了一系列的假设,考虑了材料热物理性能参数 随温度的变化、体电阻产热和接触面产热等。虽然充分考虑了热量的源头,但 忽略了热量向周边的传递。.在该篇文章中采用了下式来模拟接触电阻 ..?’. . 式中为接触电阻单位:,为界面平均温度。.所建立的模型不 足之处就是该模型是一维,并且没有考虑在焊接过程中发生的相变会产生熔化 潜热,另外公式中的难以获得,公式误差大。但是该模型考虑材料的物理参 数随温度变化所带来的影响,并且首次在计算模型中引入接触电阻,这种对接 触电阻的考虑为以后模拟工作提供一个很好的借鉴。这个模型由于存在很大的 。 局限性,所以没有被后人沿用 ..美国通用汽车公司学者,他在年也建立了电阻点焊过程 的一维模型,在该模型中,既没有考虑接触电阻的影响,也没有考虑力的因素, 因此缺少接触电阻的有关数据,所以也存在一定的局限性。但是这个模型也有 很多可取之处,例如,他考虑了相变潜热的影响、材料物理性能参数随温度变 化,并且建立了热、电耦合的有限差分模型,该一维模型对熔核生长的动态过 。 程进行了很好的分析 总结七十年代采用数值模拟方法对点焊过程的模拟,所建立的模型主要是 有限差分模型,并且大多数是局限在一维模型上。大多数学者考虑了材料热物 理性能随温度的变化、电极的产热与散热,但是很少模型考虑接触电阻,并且 所做的研究比较重于热传导,考虑了热电耦合,而完全忽视了热一力耦合行为。 在八十年代,对于电阻点焊过程的数值模拟有了很大的突破,在年, 美国学者..建立了二维轴对称模型,充分考虑了电、热、力耦合行为, 最重大的突破是首次采用了有限元法。在这个二维模型中,对点焊过程中的三 个阶段进行了模拟,即加压、焊接和保持阶段,故该模型更接近现实电阻点焊 过程。但是该模型也存在它的不足之处,一是没有考虑焊接熔核的长大过程, 二是在电阻点焊过程中,接触电阻并不是一成不变的,而该模型没有考虑接触 电阻的变化别。德国学者.在同年也建立了点焊过程的轴对称模型,不 过该模型采用的是差分法。该学者在这个轴对称差分模型中充分考虑了材料物 理性能参数随温度的变化,在球形电极条件下,他利用试验结果对接触面积随 时间的变化进行了假设别。在年美国学者.等对电阻点焊过程建立 了二维模型,该模型和.所建立的模型一样,也是轴对称差分模型,但是.等人考虑材料物性参数随温度变化,认为熔化潜热为等温吸热,并且假 定工件间接触电阻与接触压力成线性关系。.等人所考虑的接触电阻与接 触压力的关系,是指在静态这个特殊情况下,而在实际过程中接 触电阻是变化 的,而这篇文章中并没有考虑。接触电阻在静态下的公式为?: . ?. 式中为界面接触电阻率,为电极压力单位:, ?。 年韩国学者..也建立了与.等人类似的轴对称差分模型,该模型较 之突出的地方是,不仅考虑了接触电阻静态时的变化,而且考虑了接触电阻随 温度的变化。该模型的接触电阻采用了..引等人的结果,表达式为: . 反愿? 式中为室温、为计算时刻的温度、为材料硬度,而。则为界面电 阻率。..学者虽然考虑了接触电阻随温度的变化,但是该模型中所涉及 到的接触电阻,他只考虑了收缩电阻,而忽视了表面膜电阻,另外他还假设接 触面积和接触压力不变,这与实际接触电阻的变化规律存在一定误差引。 九十年代,随着科学技术的发展,对电阻点焊过程的数值模拟技术进一步 提高。..等人在年建立铝合金电阻点焊过程数值模型,其特点 是采用混合模型进行模拟,既采用了有限差分模型又采用了有限元模,分别是 有限差分模型针对热电模型,而有限元模型针对力学模型。在该模型中,假设 工件间的接触电阻为恒定值,考虑电流的分流作用对点焊过程的影响,因为采 用了有限元法,所以该模型的计算过程和各个计算量的解更易收敛,从而具有 精确性口。该模型虽然有很大突破,但是也存在不足,例如..忽略了 在点焊过程中接触面随时间的变化、变形以及电极.工件间的接触电阻等影响因 素。.和..于年建立了电一热一力之间相互耦合的模型。 在该模型中,这两位学者认为是由于两工件接触表面凹凸不平,所以产生了收 缩电阻,并用一个微观模型描述接触面,假设接触电阻是载荷、材料屈服强度 和温度的,即。,,具体表达式为: 气 . 届肛【?:士?三】 斗,口 ,, 式中 , 是指接触体两者的体电阻,是接触微区中心与中心之间平 均距离,是单位面积的接触微区的数目,是微区的平均接触半径。其中式中 的和与接触压力,屈服强度有关。由此可看出,他们更为全面 的考虑了接触电阻的影响因素,不足之处就是只考虑了收缩电阻晗川。同年, 工业大学和州立大学联合研究电阻点焊数值模拟技术,开发了针对电阻点焊的有限元仿真软件旧。 在该软件中,将接触电阻按下述方 式进行处理: 仃 . ; 一 式中,是常数;为材料的屈服强度;为电极压力;。是 指接触面上的接触电阻率?;在年心建立了铝合金点焊的模 型,该模型考虑了电一热一力之间的耦合行为。认为接触电阻的影响很重 要,所以在该模型中他考虑了接触电阻,并且还考虑了接触热阻和摩擦系数。 提出的接触电阻的算法是如下式: . 足焉 对式中的接触电阻的处理做了改进。在年,. 和.建立了点焊过程的电、热、力耦合模型,在该模型中,他们利用 有限元程序编成一个具有针对性的专业软件,但是他们把数学模型分成三个部 分,分别是电模型、热模型以及机械模型,并将这些模型互相强烈耦合。该模 型对接触电阻的处理为曙: . 。:立掣旦学 么 \ 八 /, 式中,是指接触电阻率;。啪是温度、应变和应变率的函数,表示较软 金属的流动应力; 是接触面上在轴向方向上的接触压力。.等 人针对电阻焊所编成的专业软件不仅可以用来分析点焊,而且可以分析凸焊。 在国内,对电阻点焊的数值研究起步比较晚,但是在国外的基础 上,发展 速度却很迅猛。哈尔滨工业大学的曹彪博士在年建立了二维轴对称模型, 考虑了电阻点焊过程中电、热、力之间耦合行为。曹彪巨大的贡献是提出了新 的接触电阻计算公式: ” . 对接触电阻的计算采用如下的计算公式: 式中, 在常温下是常数,它是指材料性能和膜性能的综合系数; 。 是接触电阻;是接触压力;是膜破碎因子。从该等式可以看出,考虑了点 焊过程中接触面的变化和接触压力对接触电阻的影响,较好地反映了接触电阻 的变化规律,但该公式也存在很大的不足,例如和。较难确定,这给计算 带来了一定的难度担引。吉林大学博士王春生在年对电阻点焊数值模拟进 行了研究,接触电阻是采用了..的研究结果。,提出了传热学理论的重 要地位,利用该理论去研究电阻点焊熔核形成过程中的传量、传热和传质过程,这在国内外是首次被提出陋刮。王春生博士还首次提 出了洛伦兹力是熔核形成过 程中,液态金属流动和物质分布的重要原因,第一次提出不同材料进行电阻点 焊时,电磁效应形成了行为。随着数值模拟技术的发展,人们运用该技 术处理的材料越来越宽泛,不再局限于同种材料、铝合金、钢材等,而是扩展 到异质材料、有镀层的材料,因此不断的完善了有限元模型。上海交通大学的 龙昕于年对镀锌钢板的点焊进行了研究,建立了轴对称有限元模型。在 该模型中,接触电阻采用了..等人模拟中所采用的理论。龙听在模拟温 度场分布的过程中,对接触电阻的产热问题采用了标定法,并且运用生死单元 技术来处理镀锌层首先熔化问题的模拟乜。吉林大学杨黎峰在年建立了 铝合金电阻点焊过程中力、热、电耦合模型。在该模型中,综合地考虑了接触 压力、温度和接触区域三者的影响,在电极.工件间和工件间人为地增加了一层 极薄的实体单元,采用电阻率的形式来处理接触电阻,从而提出 了新的接触电 阻模型乜】。在这个全新的接触电阻模型中,对于温度对接触电阻率的影响采用 提出的接触电阻模型。综合考虑接触压力与温度的影响,最终接触电阻 的计算采用下述形式: . 舻耻朋?葛 对于不能直接测定的接触电阻率与接触压强之间的关系,则采用精度比较 高的多项式拟合公式来计算接触电阻率。首次考虑了铝合金电阻点焊时接触面 变化对接触电阻的影响,更加近点焊实际。 ..电阻点焊过程数值模拟存在的问题及发展趋势 从点焊数值模拟的发展过程来看,模型越来越精确,从一维发展到三维; 计算方法越来越完善,从有限差分法发展到有限元法;考虑的因素也越来越多 且越来越接近于焊接实际,从单物理场分析发展到力、热、电多物理场耦合分 析,考虑了接触电阻和材料物理性能参数随温度的变化。因此随着科技的飞速 发展,有限元模拟技术得到快速发展,数值模拟精度和准确度提高,计算时间 也缩短。但是要想数值模型接近实际焊接过程,模拟结果更具有参考性,那么 必须正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质,才能建立起准确的数学模型。 目前对电阻点焊过程数值模拟所建立的模型与理想还有很大差距,因此需要对 电阻点焊的模型进一步完善,这也是点焊过程数值模拟的发展方向。 建立电阻点焊过程的三维数值模型。目前大多数模型局限于二维轴对 称模型,因此在二维模型中,对于两个电极的压力不在一条线上、电极与工件的不对称接触问题不能进行模拟。从这一方面来看,对电阻点焊数值模拟模型 需要进一步完善。 建立完全意义上的点焊过程数学模型,即能够充分反映电阻点焊过程 中电、力、热耦合行为。目前的电阻点焊过程数值模拟大多为热电耦合模型, 并且对点焊中的接触行为进行了假设,即假设点焊过程中电极.工件间、工件. 工件间接触面积不变,没有充分考虑接触面积的变化对热电分析的影响。忽略 了电阻点焊预压阶段对电阻点焊过程的影响,而力学行为对电、热的影响是显 而易见的。由此可见,只有正确和真实地掌握焊接现象的本质,建立准确的数 学模型,针对电阻点焊即是建立完全意义上的电、热、力耦合模型,才能让数 值模拟面向实际的焊接生产过程,从而解决焊接生产中存在的实际问题。 材料参数的确定。焊接是一个热加工过程,在焊接过程中材料的温度 非常高,超过了中所给出材料参数所对应的温度。由于缺乏高温下的材料 性能参数,所以在数值模拟中会造成一定的误差他们叫。 数值模拟中接触电阻的考虑方法有待于进一步发展。接触电阻是点焊 中一个重要影响因素,目前对接触电阻的处理方法很多,但是对焊接过程中接 触电阻变化规律仍然没有进行非常系统的研究,相反,对它的变化规律都进行 了假设,通常被假设为恒值,或假设为温度的线性函数。接触电阻 的计算公式 虽多,但是直到如今,仍然没有一个非常理想的接触电阻模型以及计算公式。 因此在今后的数值模拟中,应进行更深入的探索,结合试验来完善接触电阻模 型。 将数值模拟方法应用到更多的领域。目前电阻点焊过程的数值模拟多 数还限于两层等厚板的焊接,对非等厚板点焊、异种材料的点焊等一些特殊情 况下的点焊研究还较少有人涉及,因此对这些特殊过程熔核形成机理模拟、用 数值模拟方法选择合适的焊接参数方面还远远不如等厚板完善。另外对继电器 中铜合金点焊研究较少,目前还没有专门适用于铜合金点焊条件下的接触电阻 模型,公开发表关于采用数值模拟方法研究其焊接过程机理方面的文献很少。 进一步面向生产实际应用。理论的最终目的是指导实践,对电阻点焊 过程进行数值模拟,是为了更深入了解熔核形成过程机理,从而解决实际焊接 中出现的质量问题。因此对电阻点焊过程的数值模拟需要面向实际生产过程, 对出现的焊接质量问题给予预测,从而采取有效措施进行控制,提高效率。 .本课题主要研究内容 本课题将利用有限元技术结合试验方法,针对继电器点焊过程中飞溅多余物的产生机理和控制技术问题,研究继电器点焊过程的工艺参数,通过控制点 焊工艺中的焊接电流、通电时间、压力、电极材料和电极端部形状等因素,建 立飞溅物与这些因素间的关系,从而优化点焊过程的焊接工艺,有效控制继电 器点焊过程中飞溅多余物的产生。本课题具体分为以下几方面的研究: 针对继电器点焊过程,建立合理的三维有限元模型,进行热、电、力 多场耦合分析。确立热传导、电传导本构关系,研究点焊过程中的接触行为、 电学行为和热学行为,揭示继电器点焊过程中熔核形成时的机理; 建立接触电阻的物理模型和数学模型,判定继电器点焊过程中焊件与 焊件和电极与焊件的界面接触状态及其对电流、熔核的形成和成长的影响。研 究继电器点焊过程中接触压力:接触区域、接触电阻和本体电阻的变化规律; 数值模拟结果分析内部飞溅时刻的力的特征与温度场变化的关系,揭示 继电器点焊过程中飞溅的产生机理,有效提高继电器的可靠性。 建立继电器中非等厚板的普通点焊模型,分别对普通点焊、不等直径 电极和硬规范下的电阻点焊过程进行了动态模拟,比较了三种焊接过程中熔核 的形成特点,从而控制熔核偏移现象。第章继电器电阻点焊过程数值模拟 继电器的输入、输出部分广泛使用高导性的铜合金材料,因此继电器的点 焊过程实质上是铜合金电阻点焊过程,研究继电器点焊过程机理及解决继电器 点焊问题实质就是研究铜合金点焊机理及解决其点焊问题 .继电器电阻点焊过程 焊件组合后,通过电极施加压力,利用电流流过焊接区所产生的电阻热加 热工件,使要焊接部位达到局部熔化或高温塑性状态,通过热和 机械力的联合 作用完成连接的方法。加压和通电是点焊过程的重要条件,不同的加压和通电 时间,不同的电极压力、电流强度及变化形状等组成各种不同的点焊循环。但 是,无论哪种点焊循环,都包括点焊过程的四个基本阶段:预压、焊接、维持 和休止。图.中蓝色线表示电极压力,红色线表示通电电流。 一.工一.: 一口一 图.点焊过程焊接过程循环图 预压阶段 图.中,段,预压是通电之前对焊件的加压,预压对焊接过程的 作用是不可忽视的。通过预压,使工件表面的氧化膜破碎,从而使工件间具有 良好的接触行为和导电通路,接触电阻稳定,为获得良好的焊接接头作准备。 通常情况下,预压力等于焊接压力,若预压力不足,则由于接触电阻太大而引 起强烈的焊前飞溅,严重时会烧毁电极很焊件。 焊接阶段 图.中,段,即通电加热阶段。是点焊过程的最重要阶段,也是焊接 过程最复杂的阶段,它是在热和机械力联合作用下,形成塑性环和熔核, 直到熔核长到所要求尺寸。 维持阶段 图.中,段,即冷却结晶阶段。保证熔核在压力状态下进行冷却 结晶,冷却结晶时间很短一般~周波,但是结晶凝固过程符合金属学的 凝固理论,其作用是保证熔核在压力状态下结晶,减少出现缩孔裂纹等组织缺陷 的几率。 休止阶段 ,,此阶段为恢复到起始状态所必须的工艺时间。所以从电阻点焊 过程的特点可以看出,点焊过程中电、热、力等因素间存在复杂的、互动的相 互作用,只有选择合理的点焊工艺,各参数之间取得较合适的配合,才能获得 优质的点焊接头。 .继电器电阻点焊过程有限元模型的建立 ..建模过程中的假设与简化 电阻点焊过程的模拟是热、电和力等多因素影响的复杂问题,必须考虑 所有这些因素的相互作用和耦合效应。本文建立了三维有限元数 学模型,由于 建立了三维模型,加大了模拟的复杂性、计算时间和内存的占用量。另外涉及 到材料非线形和边界非线形问题,这些问题都加大了模拟的计算量和收敛的难 度。考虑到所要研究点焊的实际情况,必须将一些对求解结果准确性影响不大 的因素做一些假设。 假设电极表面和工件表面是光滑、连续的,电极.工件及工件.工件间的接触 行为属于无滑动接触; 假设电极和工件材料均为各向同性、匀质双线性强化材料,遵循.屈 服准则、流动准则和各向同性硬化准则。 假设电极下端面不产生轴向位移。 假设焊接电流为恒流,忽略工件中的电磁作用,不考虑电流趋表面效应和 熔核内部液态金属的流动。 电极压力施加在电极轴截面上,假设该压力在焊接过程中恒定不变,且均 匀分布;忽略工件材料和电极的质量载荷。 电极和工件表面辐射和对流散热用一个综合的散热系数代替。.. 建立继电器电阻点焊数学模型的基本方程 电阻点焊是一个复杂的过程,存在着力、热、电多物理场耦合,因此电阻 点焊过程的基本方程包括力、热、电三个方面,分别是电势方程、热传导方程 和应力.应变方程。电势方程是描述点焊过程中,通入电流时的电压分布;热传 导方程是描述通入电流后,工件的产热和散热以及温度场的分布情况;应力. 应变关系方程是描述焊接过程中的力学行为的。 电势方程 点焊时决定电流和电流密度的是电场分布,它是影响热源强度的重要因素。 因此,研究点焊电场分布对了解和控制熔核形成与长大具有重要意义。根据电 磁场理论,给定电流时,导体内电势在、、方向分布可由眵” 方程来描述。 . 亿。, 、 ’ ??一?????一???一一??? 芘/ 去争等杀争等未争警。 觋,穷/砂, 砂/玉,. 式中,为电势;为电阻率?。它的求解区域包括工件、液态熔核 和周围固体及电极。 热传导方程 在能量守恒的基础上,对于均匀且各向同性的连续体介质,电阻点焊 这类典型的有内热源的瞬态传热问题的方程表达式为拈引: 力 印等未七芸专卜等丢尼誓等 ;为密度 式中为温度?;为时间;为比热/? / ;为热导系数/.?;为单位体积逸出或消耗的热能,警 为内热源强度。 热弹塑性应力.应变关系 在点焊过程中,电极端部及工件焊接区均会瞬间达到很高温度,物体受热膨 胀,但是发生膨胀的工件同时受到较大电极压力作用,因此高温区域会发生热 弹塑性变形。由于存在塑性变形,则几何和材料存在非线性特点。根据塑性增 量理论,弹塑性应力一应变的增量关系可表示为口: . 嗣仃忱胁 式中仃是指应力增量;。】指弹塑性应力应变矩阵;忸指全应变增 量。 其中【印】弹性矩阵与塑性矩阵之差,可表示为: . 【。】。一式中【。】、。】分别为弹性、塑性应力应变矩阵。 式.中的全应变增量忸可表示为: 船忸。协口协 . 式中娩表示弹性应变、协。表示塑性应变、鼢表示热应变增量。 又 因为鼢与温度有关,可用下式表示: . 鼢 是线膨胀系数,它是随着的变化而变化;为温度增量。 所以根据有关文献推导,最后的应力.应变关系式为?钔: 留仃忙乙把一丁翻仃。 . 其中,印】【。】.【,陋。.赫矗拇; 要 ‰蔫林 。南; 式中指剪切弹性模量;指弹性模量、 为塑性模量; 。是等效塑性应变和温度的函数,指后继屈服应力;指偏斜应力张 量; 为泊松比。 ..有限元网格的划分 本论文中,继电器工件材料采用的是锡青铜,其尺寸长宽高参数为. .;电极材料采用的是铬锆铜材料,其尺寸参数为:电极 本体直径为、电极冷却水孔直径和电极锥面直径数值相同,都为.。 在进行有限元计算时,单元的划分密度与计算结果紧密相关。单元密度越 高,计算的精度也越高,但如果网格过于细致,不仅无益于精度的提高,相反 还会花费很长的时间,浪费计算资源,甚至不能计算。如果网格过于粗大,可 能导致结果的不精确。因此,权衡精度和资源的耗费,在精度影响不大的前提 下,节省计算时间,提高效率,对焊接区的网格划分密一些,因为焊接区温度、 应力、电场变化较大,而周边区域温度变化不大的地方可以划分的稀疏一些, 这样既加快了计算速度,减少了运算时间,又确保了计算结果的精度,另外网 格的减少还节省了内存空间。本论文电阻点焊过程中几何模型的网格划分如下 图.,共生成个节点,个单元。圈 有限元网格划分图 . 边界条件及载荷 数学模型是用数学语言描述某个现实的模型,对焊接现象的准确、真实的 阐明,是保证数学模型的准确性,由此可以看出,模拟对象的精确描述是数值 模拟的重要环节。但是数学模型的求解方法无论是解析法还是数值分析都希 望得到的结果是唯一解。为了使有限元网格中的每一节点豹三个基本平衡方程 具有唯一解,需要附加定解条件,即根据实琢情况,对方程附加一定的初始条 件和边界条件。初始条件和边界条件不仅对模拟运算求解有重要作用,对计算 结果的准确性也有重大影响.因此在进行有限元分析时,尽量真实和准确的掌 握焊接本质,使边界条件的设定符合实际情况,为得到正确的计算结果奠定基 础。 力学边界条件;由于为三维,所以在三个方向都要进行位移约束。在下电 极底端施加方向的位移约束,铷;在上、下电掇的端部和工件对称部位节 点施压方向的位移约束,。在上、下电极的端部和工件对称部位节点施 加方向的位移约束,在上电极的端面上均匀掩加电极压强,该压强数 值可由所施加的电极压力和受力面积求出。 热场边界条件:冷却水对电极的冷却考虑为管内强制对流换热,其冷却水 对流换热系数为/??;电极和工件表面为空气对流散热和热辐射 敖熟环境温度假设为恒温?。 电场边界条件:在上电极端面上均匀施加电流密度,其值可由焊接电流和 接触面积求得;对下电极端面上的所有节点电压约束为。..材料性能参数 工件和电极所涉及到的各种材料性能参数如比热、电阻率、密度、屈服强 度等数值,在相应的工程材料手册中只给出较低温度点的数据,但是在数值计 算过程中,需要对焊接实际现象准确的描述,而实际过程中,材料 的性能参数 并不是一成不变的,它是随着温度的变化而变化的,因此需要考虑材料的各种 性能参数的变化情况。由于高温下获取这些数据较困难,而且目前还没有确定 的理论方程准确描述,又由于铜合金在高温下的性能参数无法确定,因此在文 章中将材料的性能参数设定为初始温度下的值。本文选择继电器工件材料为锡 青铜,电极材料为铬锆铜,两种材料的各个性能参数的数据来源于工 程手册和资料。 .材料力学性能 设定电极和工件材料的硬化模式为双线性各向同性模式,初始屈服条件服 从屈服准则。在初始假设温度下材料的力学性能参数如线膨胀系数、弹性模量、 屈服强度及泊松比如表.所示: 表?材料力学性能参数 .材料的电性能 材料的电性能参数,是指材料的导电性,由于电阻率影响导体中的导电规 律,因此本文用电阻率来表示。电极和工件的电阻率如表.所示: 表?材料电性能参数 电阻率不仅影响导体中的导电规律,而且它产生的电阻热是电阻点焊的内 部热源,是形成温度场的重要因素。 .材料的热物理性能 材料的热物理性能参数包括传热计算需要用到的密度、导热系数、比热。 具体参数值如表.所示:表材料热性能参数 ..接触电阻的处理 电阻点焊是将夹持工件的两电极连在回路上,通入电流后,电流经过电极 和工件,利用电阻热熔化工件金属,最终形成焊点的一种焊接方法,因此电阻 点焊的一个最显著的特点是采用内部热源,即利用电流通过焊接区的电阻产生 的热量进行加热。由于电阻点焊中的电阻是工件内部产生热源的基础,因此电 阻是影响电阻点焊最重要的因素。电阻点焊的焊接区电阻由接触电阻和焊件电 阻组成,这两部分电阻在焊接过程中起着不同作用。 接触电阻在电阻点焊过程的初期起着决定性作用,因为在焊接初 期,由于 表面的凹凸不平及状态决定各个接触面只能是个别点的接触。因此通入电流后, 电流并不是均匀通过各个接触面,而是存在导电斑点。所以初始温度场的分布 情况是由接触面内导电斑点的分布及接触电阻的大小所决定,而初始温度场则 直接决定了电阻点焊熔核形成过程的特点。因此,在焊接过程中,接触电阻是 熔核形成过程中重要的影响因素。 接触电阻是一种附加电阻,是导体接触面上特有的电阻值。产生接触电阻 的主要原因旧别是: 由于接触表面微观的凸凹不平所致。因此,两个导体相接触时,只能在 个别点上建立物理接触点,使导电面积减小。而电流线弯曲又使导电路径加长, 从而使两接触面间的电阻增加。 在导体表面上由于存在氧化膜、油污和其它脏污等物质,导致导电面积 减小,使接触面上具有很大的电阻率,表面层电阻增大。 .电极压力的影响影响接触电阻的主要因素有表面状态、电极压 力和加热温度。其中接触电 阻在冷态下计算可用下列关系式表示: 八? . 式中,。?一系数,当压力为时的接触电阻值可由试验测得,。与材料 性质及表面状态有关,质软、导电性好的以及粗糙度细的材料表面,较小;电极力或接触面承受的压力; ?~指数与材料性质和表面状态有关,一般在..范围内变化。 铜与铜接触 灭。.吨 ,、 实际上接触电阻还与温度、接触区域有关。本文综合考虑了温度和接触区 域的影响。 .温度的影响 对于温度对接触电阻的影响采用等人提出的基本接触电阻模型。在该接 触电阻模型中,接触电阻是在口叫等人的工作上得出,即通过金属接 触面的电压降与它的电阻存在一定关系来计算,根据该模型,接触面的电压降 可以用下面的公式计算: . 孵一彳 式中,是通过接触面的电压降,和分别指接触面的熔点和材料温度, 是洛伦兹常数大约为.×/?。在当前计算中,工件/工件接触面的 指定为青铜固相线温度。,电极/件接触面的为电极的熔点。。 由等式.关系式,可以得到低于的任一温度下通过接触面的电压降,将 得到的电压降除以焊接电流,就可计算出接触面间随温度变化的接触电阻。并 且,通过接触面间接触单元的几何信息,可将接触电阻值转化为等效的接触电 阻率。当温度高于时,接触电阻消失,接触区的电阻率为青铜的电阻率。 .焊接区域的确定 目前对于接触区域的确定可以归纳为两种方法:一是在点焊数值模拟中, 假设工件间的接触区域半径为电极端面半径,并且在焊接过程中该接触区域保 持不变眵卜口副;一种是考虑了焊接过程中接触面变化对接触电阻的影响。 第二种方法确定接触区域的步骤是首先进行焊接的预压力分析, 计算出应 力分布规律,确定接触面积,然后再进行热.电耦合分析,得出温度场分布,根 据温度场的分布,进行热一力耦合分析,计算下一个周波的接触面积,不断的 循环这样更加接近电阻点焊的实际情况。由于接触面的变化对焊接热电分析的影响显而易见,因此本文将接触区域 的确定作为本文研究的一个关键问题。由于本文采用的是锥形电极,在焊接过 程中接触区域的变化很小,并且建立的是三维模型,,因此加大了建模、收敛求 解的难度,所以在尽量满足精度的条件下假设接触区域为电极端面半径,并在 焊接过程中保持不变。 .数值计算及结果分析 计算条件:焊接电流为直流.:预压时间。:焊接时间;电 极压力。 ..预压阶段力学行为分析 ...预压阶段接触面上应力分布 电阻点焊过程的第一阶段是预压,虽然预压过程不通入电流,但是它具有 一定的实际意义。接触面的表面状态和凹凸不平,使两导体之间 的接触是个别 点之间的接触,但是在焊件间希望有良好的接触和导电通路,从而获得稳定的 接触电阻,这时电阻点焊过程中的预压阶段发挥重要作用,它清除接触表面上 的不平和表面氧化膜,为焊接过程所需的良好导路奠定基础。由于预压阶段决 定了点焊过程的初始导电区域,因此它决定了初始温度场分布情况,对熔核形 成、形核起始位置、喷溅产生及电极烧损等有很大影响?,从而影响点焊焊接 接头质量。用一句话来概括就是接触电阻决定着点焊温度场分布形态并影响整 个点焊热过程引,但是接触压力是决定接触电阻的主要因素?, 下图.为预压后电极一工件和工件间接触面上接触压力的曲线图。 由图可以看出,工件.工件接触面上,接触压力在电极尺寸对应的区域内分布较 均匀,而在电极尺寸对应的边缘区域,接触压力急剧上升,出现较大的应力集 中。工件间接触压力的分布形态很好的解释了在通电初期,工件在电极尺寸对 应的边缘区域出现局部高温区。在实际的点焊过程中,接触区的边缘有较高的 压力,可以有效的防止飞溅,提高焊接质量,因此实际是很希望这样的压力分 布的。电极一工件接触面上在电极的边缘区域也存在接触压力峰值,而在实际 生产中常见使用锥形电极时,焊件表面焊点周边存在压痕,这一结果与文献】 的分析结果相吻合。从上图中我们还能看出,在电极尺寸对应区域内,电极一 工件接触面上的接触压力要大于工件一工件接触面,这主要是因为在预压过程 中,电极与工件之间的接触面要远远小于工件之间的接触面面积,因此分布的 应力也要大很多。。 ? 皇 茕? 宴。 辅 亡 径胄半径, 厝 预压后接触压力曲线图 . 预压阶段电极压力对接触压力的影响 .?最譬鞲 ,? 坐檬半径/一 电掇一工件间接触压力分布?目“;?? 。:。。酽酽:: 径舟坐标 ,? 工件一工件间接触压力分布 不同电极压力下接触面上接触压力分布 在电阻点焊过程中,在焊接电流、焊接时间、电极压力、电极端面尺寸等 诸多工艺参数中,电极压力作为主要参数,不仅对预压接触行为有着重要影响, 而且始终影响着电阻点焊全过程。在本章节中,考虑电极压力对焊接过程第一 阶段的影响,研究不同的电极压力对接触行为的影响,从而选择合适的电极压 力参数,达到指导实际生产的目的。 在电极作用条件下,不改变接触分析模型的几何参数,而只改变施加的电 极压力值大小,对预压过程进行模拟,得到预压结束时电极一工件接触面、工 件一工件接触面上的接触压力分别如上图.中、?所示。由图可知,电极 压力的改变对接触面的大小影响不太。 由图可以看