301L/Q235B异种钢电阻点焊数值仿真及试验研究

摘要

301L奥氏体不锈钢冷轧系列板是制造城际轨道客车的主材，车辆中除301L不锈钢的焊接，还存在诸多301L与低碳钢的异种钢焊接结构，目前采用的电弧焊和塞焊不仅生产效率低、成本高，强度、刚度、疲劳可靠性也有待提升，电阻点焊是改善异种钢焊接结构机械性能、降低生产成本的最佳选择。由于不锈钢与碳钢的电阻率、热导率和膨胀系数等方面的差异，电阻点焊的冶金过程更复杂，接头各区域化学成分和硬度变化大，焊接难度更大，异种钢电阻点焊也是当前国际焊接领域的研究热点之一。
　　本论文以4种等厚和不等厚301L不锈钢与Q235B碳钢板的电阻点焊为研究对象，通过对电阻点焊温度场的数值模拟，研究点焊工艺参数对温度场的影响规律，并基于仿真分析选择焊接试验的工艺参数。通过焊接试验研究异种钢点焊接头的组织结构，并与实际点焊接头对比验证数值模拟的准确性和适用性。通过拉伸试验，研究异种钢点焊接头几何结构对拉伸性能和断裂行为的影响。最终基于静拉伸性能确定301L/Q235异种钢合理的电阻点焊工艺参数和点焊接头几何结构。
　　结果表明，异种钢点焊熔核向301L不锈钢一侧偏移，有限元数值仿真的熔核几何尺寸与实际接头符合较好，在焊接热量输入较高时数值分析的误差低于10％。此外，数值模拟的点焊规律与焊接试验基本相同，电阻点焊工艺的有限元仿真结果具有重要参考价值。对于301L/Q235B两异种钢板厚度之和不超过4mm的电阻点焊接头，静拉伸失效模式有界面断裂和301L板内熔核拔出断裂两种。当Q235B的熔核直径在5√t以上时，点焊接头为拔出断裂，断裂位置在301L不锈钢板的熔核内。对于1.5mm-301L+4mm-Q235B非等厚板组合的电阻点焊接头，断裂模式是部分拔出断裂，最终沿着熔核凝固结合线发生Q235B钢熔核部分剥离。
　　与相同板厚组合的301L同种钢点焊接头相比，301L/Q235B点焊接头比相同熔核直径的301L同种钢点焊接头具有更高的断裂强度，并且更易出现拔出断裂失效模式，在断裂前有更大的塑性变形，所以具有较强的实用性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 301L不锈钢及其焊接工艺

1．2．1 301L不锈钢的特点

1．2．2 301L不锈钢的焊接工艺

1．3 异种钢的焊接特点及研究现状

1．3．1 异种钢的焊接特点

1．3．2 异种钢电阻点焊研究现状

1．4 电阻点焊工艺的数值模拟

1．4．1 电阻点焊工艺简介

1．4．2 点焊工艺数值模拟的发展概况

1．5 本论文工作的主要研究内容

2 试验材料及方法

2．1 试验材料及研究方案

2．2 点焊试件的设计与制备

2．3 试验设备与分析方法

2．4 基于Abaqus的有限元模拟仿真分析

2．5 本章小结

3 异种钢电阻点焊工艺数值分析

3．1 电阻点焊预压数值模拟分析

3．1．1 弹塑性有限元分析理论

3．1．2 预压过程有限元建模

3．1．3 预压模拟结果分析

3．2 电阻点焊热-电-力三场耦合数值模拟

3．2．1 热-电-力三场耦合模型的基本控制方程

3．2．2 问题描述及模型简化

3．2．3 分析步、边界条件和载荷的设置

3．2．4 有限元网络的划分和材料属性

3．2．5 点焊温度场模拟结果

3．3 电阻点焊工艺参数数值分析

3．3．1 通电时间对点焊温度场的影响

3．3．2 焊接电流对点焊温度场的影响

3．3．3 电极压力对点焊温度场的影晌

3．3．4 不同板厚组合的点焊温度场

3．4 焊接试验工艺参数的确定

3．5 本章小结

4 异种钢点焊接头组织结构及仿真误差分析

4．1 异种钢电阻点焊工艺试验

4．2 异种钢点焊接头组织结构

4．2．1 点焊接头宏观分析

4．2．2 点焊接头微观几何形貌和显微组织分析

4．2．3 点焊接头微区成分分析

4．3 点焊结构与模拟结果对比分析

4．3．1 2mm+2mm点焊结构与模拟温度场

4．3．2 1．5 mm+1．5 mm点焊结构与模拟温度场

4．3．3 1．5 mm+2mm点焊结构与模拟温度场

4．3．4 1．5 mm+4mm点焊结构与模拟温度场

4．4 模拟焊接结构误差分析

4．5 点焊工艺对接头结构的影响

4．5．1 焊接电流对熔核尺寸的影响

4．5．2 通电时间对熔核尺寸的影响

4．5．3 电极压力对熔核尺寸的影响

4．6 本章小结

5．异种钢点焊接头力学性能分析

5．1 点焊接头显微硬度分布

5．2 异种钢点焊接头静拉伸性能

5．2．1 点焊接头拉伸曲线

5．2．2 点焊接头断裂模式

5．2．3 点焊接头断口分析

5．3 点焊接头几何结构对拉伸性能的影响

5．4 异种钢和301L同种钢点焊接头性能对比分析

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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