电阻点焊形核基础问题及焊点质量强化研究

摘要

电阻点焊因其在焊接过程中能量集中、变形小、生产效率高、易于实现机械化和自动化等优点,广泛地应用于航空航天、车辆制造、电子、交通等工业部门。然而,电阻点焊又是一个电、热、力、磁、流、冶金等多因素耦合的复杂过程,同时其形核过程具有不可见性和瞬时性,因此很容易导致焊点质量波动大。因此,揭示点焊形核机理和探索焊点质量强化新方法就成为了电阻点焊研究领域中热点。
　　本文分为两部分,分别就点焊形核机理和焊点质量强化新方法进行了研究。第一部分针对电阻点焊熔核形成过程中涉及到的几个尚未解决的基础问题进行研究:
　　(1)电阻点焊电极/工件界面的接触换热系数和接触产热的反演计算
　　鉴于电阻点焊过程中电极/工件接触面的接触电阻及接触换热系数的重要性,并针对目前相关研究中的不足,本文建立了二维轴对称点焊传热反演模型,利用传热反问题方法计算了电阻点焊过程中电极/工件接触面的接触产热和接触换热系数。研究结果表明,铝合金电阻点焊过程,电极/工件接触面的接触换热系数大致在106 W·m-2·K-1数量级;低碳钢点焊过程中,电极/工件之间的接触换热系数大致在105 W·m-2·K-1数量级。铜/钢之间的接触换热系数在电极/工件接触面上的分布比铜/铝的分布更加均匀。铝合金电阻点焊中,电极/工件的接触产热大致在1012 W·m-3数量级;低碳钢点焊其电极/工件的接触产热大致在1011 W·m-3数量级,均高于相应的体电阻产热。因此在点焊熔核长大的过程中,不能忽略电极/工件接触产热的作用。在整个点焊过程中,位于电极/工件接触边缘处的接触换热系数和接触产热率均大于电极/工件接触面内侧的接触换热系数和接触产热率。随着焊接时间的增加,接触换热系数和接触产热率都趋于一个较稳定的值。
　　(2)电阻点焊熔核受到的磁场力
　　首次研究了点焊过程中铁磁性工件磁化产生的磁化磁场对点焊熔核的影响。利用高速摄影直接观察了工件磁化对液态熔核流动的作用,并根据磁化理论计算了工件磁场产生的磁场。结果表明工件的磁化使得熔核变得更厚。同时,磁化磁场的强度与焊接电流的感应磁场强度在同一数量级(10-1 T)。这表明工件磁化引起的磁化磁场也是熔核受到磁场力的一个重要来源。在研究点焊熔核物理过程尤其是熔核内部流体流动时,磁化磁场不能被忽略。
　　(3)电阻点焊熔核流场的实验研究
　　首次通过实验手段研究电阻点焊液态熔核的流体流动。文章选取了钛粉、铁粉、铜箔、氧化铝粉、氧化锆粉和碳化钨颗粒作为介质,添加到点焊熔核中,观察它们的流动模式,推测点焊液态熔核中的流体流动。结果表明当采用颗粒质量小于0.3μg的介质粉末时,由于其质量过小,导致介质粉末总能在“第一时间”到达熔核边缘,从而无法观察到点焊液态熔核的流动模式,只能得到点焊液态熔核的大致流速。对于铝合金点焊,其流速至少为27 mm·s-1,远大于单纯考虑重力下流速的计算值,说明电磁力对铝合金点焊过程具有重要影响。对于低碳钢点焊,其流速至少为15 mm·s-1。在铝合金和低碳钢的点焊中,液态熔核的环向流动都很弱,大致在1 mm·s-1的量级,这与点焊液态熔核的受力情况相一致。研究还指出添加介质的质量与形状对流场的成功观察具有重要影响,有待进一步研究。
　　通过上述研究为电阻点焊数值模拟提供更准确的原始的理论依据,提高电阻点焊数值模拟的准确性,加深对电阻点焊形核机理的认识。
　　第二部分针对铝合金电阻点焊熔核质量不稳定,通过实验手段首次对外加磁场作用下铝合金电阻点焊的焊接质量进行了系统分析,包括接头尺寸、力学性能、相变冶金、断口分析等。实验结果表明外加磁场全面增加了焊点熔核的直径、提高了点焊接头的剪切拉伸强度和吸收能。在不同工艺参数下,熔核直径增长在10％~25%,剪切强度可提高10~30%。在一些焊接参数下,外加磁场可以降低焊接电流、减短焊接时间,从而提高焊接效率、降低能耗和延长电极头寿命。外加磁场引起的电磁搅拌使得熔核内部的形核质点分布更加均匀,从而促使了点焊熔核内柱状晶和等轴晶的生成。研究还发现当焊接电流很小或很大、焊接时间很短或很长时,都会降低外加磁场的效应。因此当对点焊施加外磁场时,应在合理的工艺参数下进行,以最大限度地发挥外加磁场的作用。

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第 一 篇电阻点焊中若干基础问题研究

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2电阻点焊传热传质研究现状

1.3 钢材电阻点焊熔核质量强化的研究现状

1.4 铝合金电阻点焊熔核质量强化的研究现状

1.5 本文研究内容

第二章 电阻点焊电极/工件接触换热系数与接触产热的反演计算

2.1 数学模型的建立

2.2 实验材料与方法

2.3 铝合金电极/工件接触参数反演结果

2.4 低碳钢点焊电极/工件接触参数反演结果

2.5 电极/工件接触产热分析

2.6 本章小结

第三章 电阻点焊熔核磁场力分析

3.1 点焊熔核中的感应磁场

3.2 点焊熔核中的磁化磁场

3.3 “半点焊”和常规点焊时磁化磁场的比较

3.4 本章小结

第四章 电阻点焊熔核流场的实验研究

4.1 实验材料与方法

4.2 铝合金点焊熔核流体流动观察

4.3低碳钢点焊熔核流体流动观察

4.4 本章小结

第 二 篇磁控铝合金电阻点焊质量强化

第五章 磁控铝合金电阻点焊焊接质量分析

5.1 磁控电阻点焊实验平台

5.2 永磁体磁场的计算

5.3 实验材料与方法

5.4 磁控铝合金电阻点焊熔核尺寸

5.5 磁控铝合金电阻点焊接头强度

5.6磁控铝合金电阻点焊接头组织

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

博士期间发表论文和科研情况说明

附录

致谢