差强差厚多层汽车钢板胶焊熔核形成机理及工艺优化

摘要

安全、节能和环保是汽车技术发展的永恒主题，汽车轻量化是满足上述要求的有效手段和方法。双相钢等先进高强钢材料以其良好的成形性及耐撞性等优点正在轻量化车身制造中得到越来越广泛的应用。例如:在车身前纵梁、B柱等关键部位低碳钢内外板与双相钢加强件的差强差厚三层钢板匹配工况显著增加，应用比例达33％。而采用传统电阻点焊工艺连接差强差厚多层钢板时常常会带来焊接飞溅严重、工艺窗口狭窄和电极磨损剧烈等问题。为此，汽车制造商试图采用韧性结构胶接技术部分替代电阻点焊工艺，但受环境温度、湿度和胶粘剂老化等因素影响，胶接接头强度波动大，难以满足车身承载能力要求。因此，电阻点焊与胶接的复合连接工艺（简称胶焊技术），因其综合了上述两种连接工艺的技术优点，是目前多层钢板连接的首选工艺方法。然而，在差强差厚多层钢板胶焊过程中，受胶层和钢板材料属性的影响，熔核形成规律及质量控制复杂。例如:胶层的高粘稠性使钢板间接触不充分，引起通电生热异常，甚至难以焊接。差强钢板材料电阻率、导热率等物理属性的差异，使胶焊熔核区温度场分布不均匀，带来熔核偏移问题，熔核尺寸难以保证。因此，迫切需要开展差强差厚多层钢板胶焊熔核形成机理及质量控制方法的研究。
　　为解决上述问题，本文以差厚差强三层钢板胶焊过程为研究对象，从胶层入手，分析了胶焊预压过程中胶层耦合作用下的钢板间接触电阻变化规律、焊接通电过程中钢板-胶层间的传热行为及其对胶焊动态电阻的影响，建立了三层钢板胶焊熔核形成过程的有限元模型，揭示了差强差厚三层钢板胶焊熔核形成机理及熔核偏移的内在原因。基于上述理论研究结果，提出了用于改善熔核偏移的不对称电场输入方法，形成了三层钢板胶焊工艺规范，推动了多层钢板胶焊技术在汽车车身制造中的应用。全文开展的主要研究工作如下:
　　1)胶焊预压过程中胶层耦合作用下的钢板间接触电阻变化规律
　　针对韧性胶层的高粘稠性导致的钢板间接触不充分问题，建立了考虑胶层膜电阻的钢板间接触电阻模型，获得了预压阶段中钢板间接触电阻变化规律，确定了保证钢板间充分接触的胶焊临界预压力。研究结果显示，预压后残留于钢板表面的胶粘剂形成的胶层膜电阻会使得钢板间接触电阻增大。高粘稠度的胶层种类引起的钢板间接触电阻上升更明显;而胶层厚度(0～1.4 mm)对于钢板间接触电阻影响不显著。对于厚度为0.8mm的DC04，1.4 mm的DP600和1.8 mm的DP780钢板，使其充分接触的临界预压电极力分别约为1.0 kN，3.0kN和4.5kN。
　　2)胶焊通电过程中钢板-胶层间的传热行为及动态电阻变化规律
　　针对胶焊过程生热异常、飞溅严重问题，通过分析胶焊通电过程中钢板与胶层间的传热行为建立了胶焊动态电阻方程。研究发现，相同条件下胶焊过程中的电阻热由于钢板间接触电阻的增大而增多，而散热量却由于钢板表面通过空气向外散热的途径受到胶层阻碍而减少，这使得胶焊动态电阻比传统电阻点焊有所上升:粘稠度较大的胶层引起的动态电阻上升量更大;而胶层厚度并无显著影响;且同时涂有两层胶粘剂的三层钢板胶焊接头具有最大的动态电阻。
　　3)差强差厚三层钢板胶焊熔核形成规律
　　针对差强差厚三层钢板胶焊熔核偏移问题，建立了考虑胶层作用下界面接触状态的三层钢板胶焊过程有限元模型，分析了三层钢板胶焊熔核形成过程，揭示了差厚差强三层钢板熔核形成机理及熔核偏移的内在原因。研究发现，差厚差强三层钢板胶焊熔核在两个钢板间接触面上的形成时刻不同是造成熔核偏移的关键原因。对于厚度为0.8 mm DC04+1.4 mm DP600+1.8 mm DP780的三层钢板胶焊，熔核在两个钢板间接触面上的形成时间差约80 ms，胶层的存在使得相同电流下三层钢板胶焊熔核的形成时刻比无胶层存在时提前约40 ms。粘稠度较大的胶层能获得较大的熔核尺寸;而胶层厚度对于熔核尺寸的影响并不显著。
　　4)差强差厚三层钢板胶焊工艺优化
　　基于上述研究结果，分析了胶层涂覆位置、板材厚度匹配、板材匹配顺序等工艺因素对于差强差厚三层钢板胶焊熔核偏移影响规律。研究结果发现，只在薄板侧涂覆胶层或薄板侧钢板选用高强钢能使该侧熔核增大，有利于减小熔核偏移。在差强差厚三层钢板接头中，上下层钢板的厚度比不应超过1∶3。为更好地提升胶焊质量，提出了采用4+6 mm电极的不对称电场输入工艺优化方法，此方法不仅可获得较大的熔核尺寸，还可拓宽三层钢板胶焊工艺窗口50％。
　　综上所述，本文对于差强差厚三层钢板胶焊的熔核形成过程及其质量问题的成因进行了系统地研究，并提出了三层钢板胶焊工艺优化方法，为推动三层钢板胶焊工艺在汽车车身制造中的应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、意义及课题来源

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．1．3 课题来源

1．2 多层钢板胶焊熔核形成过程及工艺优化的研究进展

1．2．1 多层钢板胶焊熔核形成过程的研究现状

1．2．2 多层钢板胶焊熔核质量的研究现状

1．2．3 胶焊工艺优化方法的研究现状

1．2．4 研究现状总结

1．3 本文研究内容

第二章 多层钢板胶焊工艺及实验研究

2．1 引言

2．2 多层钢板胶焊实验系统

2．2．1 试验材料

2．2．2 胶焊系统

2．2．3 胶焊质量检测

2．3 三层钢板胶焊工艺方法

2．3．1 胶层涂覆

2．3．2 焊接预压

2．3．3 焊接通电

2．3．4 冷却形核

2．4 本章小结

第三章 胶层耦合作用下的钢板间预压接触电阻建模

3．1 引言

3．2 预压力作用下的钢板间胶层分布

3．3 胶焊预压接触电阻的影响因素分析

3．3．1 胶焊钢板间接触电阻测量系统

3．3．2 胶层种类

3．3．3 胶层厚度

3．4 考虑胶层作用的钢板间接触电阻模型

3．4．1 钢板间接触电阻的构成

3．4．2 胶层耦台作用下的钢板间接触电阻计算

3．4．3 钢板间预压接触电阻变化规律分析

3．5 胶焊临界预压力的确定

3．5．1 不同表面状态的钢板

3．5．2 不同种类的钢板

3．6 本章小结

第四章 胶焊过程中的传热行为及胶焊动态电阻方程

4．1 引言

4．2 胶焊热场作用下的胶层变化

4．3 胶焊动态电阻的影晌因素分析

4．3．1 胶焊动态电阻测量系统

4．3．2 胶层种类

4．3．3 胶层厚度

4．4 考虑胶层作用的胶焊动态电阻方程

4．4．1 胶焊过程中的能量守恒

4．4．2 基于能量守恒原理的胶焊动态电阻方程

4．4．3 胶焊动态电阻变化规律分析

4．5 三层钢板胶焊中胶层位置的选择

4．6 本章小结

第五章 三层钢板胶焊熔核形成过程的有限元仿真

5．1 引言

5．2 三层钢板胶焊过程的有限元模型

5．2．1 有限元模型及网格

5．2．2 边界条件及计算流程

5．3 胶焊模型中胶层的引入

5．3．1 胶层的参数化处理

5．3．2 钢板间界面接触属性

5．4 三层钢板胶焊熔核形成过程

5．4．1 预压接触

5．4．2 电热场分析

5．4．3 熔核形成过程及试验验证

5．5 三层钢板胶焊熔核尺寸变化规律

5．5．1 胶层种类对于熔核尺寸的影响

5．5．2 胶层厚度对于熔核尺寸的影响

5．6 本章小结

第六章 三层钢板胶焊熔核偏移规律及工艺优化

6．1 引言

6．2 三层钢板胶焊熔核偏移影响因素分析

6．2．1 胶层位置

6．2．2 板材厚度

6．2．3 板材匹配顺序

6．3 采用不对称电场输入的工艺优化方法

6．3．1 预压接触与电场分布

6．3．2 熔核形成过程的改变

6．3．3 熔核偏移程度的改善

6．4 不对称电场输入方法的实际应用

6．4．1 应用案例

6．4．2 不对称电场输入方法的实施

6．4．3 三层铜板胶焊质量改善结果

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 本文主要研究内容与结论

7．2 本文创新点

7．3 本文不足之处与研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文