镀锌钢板点焊温度场及动态过程的数值模拟

摘要

镀锌钢板以其优越的防腐蚀性能，广泛用于汽车车身等制造中，而电阻点焊是主要的连接技术。但由于镀锌层的存在，使得镀锌钢板与普通钢板相比其焊接性能有着明显的区别，其可焊性相比普通钢板差了很多。在这种情况下，点焊电极的损耗也随之加速。因此，研究电极失效机理及改进点焊工艺成为亟待解决的问题。而由于电阻点焊的不可见性，计算机模拟成为研究的主要方法。 本文介绍了近年来国内外学者用各种方法对电阻点焊特别是电极寿命的研究现状，以及计算机数值模拟用于焊接技术的发展。同时介绍了异种材料焊接过程中的扩散问题。在此基础上，进一步介绍了两种通用有限元软件ANSYS和FPEG在焊接温度场模拟上的应用和具体步骤。基于两种软件各自的优缺点，本文分别选择用两种软件来进行镀锌钢板电阻点焊温度场和电极元素扩散的模拟。 基于ANSYS，建立了两种不同的二维点焊温度场计算模型：热-电耦合和热-电-力耦合。计算结果以熔核尺寸来表现。在热-电耦合模型中，对接触电阻进行了简化，即不考虑压力导致的接触面积变化，从而引起接触电阻的变化。在热-电-力耦合模型中，利用ANSYS自带的单元生死技术和顺序物理场耦合，在热-电耦合的基础上将力学分析也进一步参与耦合。力学分析可以计算外加压力引起接触面积的变化，从而修正计算过程中的接触电阻，此为动态模拟。计算过程中所用的循环等控制程序均由作者自行开发。本文探讨了两种模型在处理接触电阻上的异同，并结合试验数据进行验证。连续点焊的试验数据可以获取关于电极寿命和熔核尺寸的相关规律，结合数值模拟对熔核尺寸的计算，可以对镀锌钢板电阻点焊电极寿命进行初步的预测。该预测结果可以为指导生产提供依据。 为了更好的研究电极失效的机理，本文针对电极失效的一个主要原因合金化进行了分析。基于FPEG，本文建立了镀锌层向铜电极扩散的简化二维模型。根据扩散控制方程和热传导方程的相似性，选择用温度场来模拟扩散过程，用温度来表示浓度的分布。用两种方式计算扩散系数：菲克第二定律和随机跳动速率（Random Walk problem）。并结合实验测得的电极中锌元素扩散深度，对两种扩散系数计算所得的结果进行比较。根据比较结果，提出可能的扩散系数，以及可能的扩散机理。该机理可以指导减少电极的合金化，提高电极寿命。