互锁式电极电阻点焊数值模拟

摘要

电阻点焊是工程制造领域中应用最广泛的一种连接技术，具有成本低、效率高、应用范围广等优点。基于传统电阻点焊的研究，本文提出了一种新型的互锁式电极电阻点焊连接方法，将电阻点焊和铆接相结合，熔化连接和机械互锁相复合的连接机制，大幅提高了焊接接头的质量。然而电阻点焊是一个高度非线性、涉及热电力等多物理场多因素耦合作用，伴随着大量随机因素影响的过程。同时其形核过程的不可见性和点焊过程的瞬时性都会给点焊机理的研究造成极大困难，单纯通过理论或实验方法很难对预压过程和形核过程机理进行全面深入的研究。 本文通过ABAQUS有限元分析软件建立三维轴对称数值模型，采用有限元数值模拟分析方法对铝钢异质金属互锁式电极电阻点焊焊接预压接触过程和通电加热熔核形成过程进行数值模拟。通过对模拟结果中预压阶段各个时刻接触面上接触应力的分布状态和熔核形成中各个时刻温度场的分布状态来研究焊接过程机理。首先，根据实际电极结构尺寸建立数值模型，并对模型进行必要的前处理和各项材料参数及接触参数的确定；其次，对铝钢异质金属互锁式电极电阻点焊预压接触过程进行数值模拟分析，分析各个时刻接触面上应力场分布，确定初始导电区域；然后，对铝钢异质金属互锁式电极电阻点焊通电阶段熔核形成过程进行数值模拟分析，分析熔核形成过程中各时刻电势分布和温度场分布，研究熔核的成形规律并确定熔核的形状和尺寸；最后，在数值模拟的参数条件下进行互锁式电极电阻点焊实验，与模拟结果相对比，确定数值模拟分析的可靠性和误差来源，通过实验和模拟相结合的方式探究其焊接机理。 数值模拟结果显示：与传统点焊相比，互锁式电极点焊应力场和温度场具有与其结构相适应的特点。各接触面上应力分布均不均匀，且在上凸下凹电极棱边处存在明显的应力集中并出现应力峰值；上电极和钢板接触面上的接触应力峰值最大，下电极和铝板次之，钢板和铝板间接触应力峰值最小；钢板和铝板接触面上温度在焊接中心区域分布均匀，在互锁式电极凸台边缘部位温度会陡升并出现温度峰值，熔核最先在凸台边缘处产生，随着通电时间的延长，逐渐向内部扩散，沿轴向和径向逐渐生长形成最终的熔核。将实验结果与数值模拟结果相比较，在误差允许的范围内最终熔核的形状和尺寸基本保持一致，进一步验证了数值模拟结果的可靠性。本文通过对铝钢异质金属互锁式电极电阻点焊数值模拟，探究点焊预压接触过程和通电熔核形成过程的焊接机理，同时为点焊质量实时控制模型的研究提供理论依据。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 互锁式电极点焊过程分析

1.3 点焊数值模拟研究的意义

1.4 点焊数值模拟研究现状及存在的问题

1.5 本文主要研究内容

2 互锁式电极电阻点焊有限元模型

2.1 问题的描述与简化

2.2 建立互锁式电极点焊有限元模型

2.3 有限元网格划分

2.4 接触电阻的影响因素

2.4.1 温度

2.4.2 接触压强

2.4.3 接触区域

2.5 接触属性和接触参数的选择

2.6 材料性能参数

2.7 熔核形成过程中的相变潜热问题

2.8 本章小结

3 互锁式电极点焊预压接触模拟分析

3.1 应力场有限元方程

3.1.1 几何方程

3.1.2 物理方程

3.1.3 平衡微分方程

3.2 预压阶段数值模拟边界条件和加载条件

3.3 预压接触模拟分析材料参数

3.3.1 密度

3.3.2 弹塑性

3.3.3 线膨胀系数

3.3.4 屈服应力与塑性应变的关系

3.4 铝钢异质金属互锁式电极点焊预压接触模拟分析

3.4.1 位移

3.4.2 Mises等效应力

3.4.2 沿路径上的应力分布

3.5 互锁式电极与原始电极点焊数值模拟的比较分析

3.6 本章小结

4 互锁式电极点焊热电力耦合模拟分析

4.1 温度场有限元方程

4.2 通电阶段数值模拟边界条件和加载条件

4.3 热电力耦合模拟分析材料参数

4.3.1 表面散热系数

4.3.2 热、电性能参数

4.4 铝钢异质金属互锁式电极点焊热电力耦合模拟分析

4.4.1 电势分布

4.4.2 温度场分布

4.5 互锁式电极与原始电极点焊数值模拟的比较分析

4.6 本章小结

5 实验结果与模拟结果的对比验证

5.1 实验方法及条件

5.2 实验验证

5.3 数值模拟误差分析

5.4 本章小结

结 论

参 考 文 献

致 谢

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