基于镀层对表面条件影响的电阻点焊过程数值模拟外文翻译资料

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基于镀层对表面条件影响的电阻点焊过程数值模拟

R. Raoelisonl, A. Fuentesl, Ph. Rogeon l, P. Carreacute; l, V. Robin2, F. Dechalotte 3 ^l Laboratoire dEacute;tudes Thermiques Eacute;nergeacute;tiques et Environnement, Universiteacute; de Bretagne Sud, Lorient, France, BP 92ll6 - 5632l Lorient Cedex ² ESI Group, Le Discover, Lyon, France, 84 Bd Vivier Merle - 69485 Lyon Cedex 03 ³ PSA Peugeot Citroeuml;n, Centre Technique de Veacute;lizy, Velizy, France, Route de Gisy - 78943 Veacute;lizy Villacoublay Cedex

摘要

电阻点焊过程包含有电、热、冶金和力等现象。本文中提出了两种数值模拟模型用来模拟镀层板的电阻点焊过程：第一种数值模拟模型是利用热、电、冶金、耦合的方式进行简化模拟；而第二种方法还考虑到力学的因素。而且特别值得注意的是，本文还考虑了接触表面条件的影响，以微观视角来研究表面情况，并且在宏观上综合微观的接触表面的变化因素。本文研究的目的是分析在薄板上镀层对接触表面情况的影响。此外，随着电极形状的变化，接触表面情况也会变得很复杂。这种简单的热、电、冶金模型似乎很适用于将电极尖端变平的情况下进行模拟。然而,为可以获得一个合理的模拟结果，本文也使其用于圆形顶电极,该模型必须是成对的和要有力学分析,并且这种力学分析能够使得在焊接过程中，对热电接触表面的演进情况进行计算。

1. 引言

在汽车制造行业中，一般会对薄板钢进行热电镀处理以确保其具有耐腐蚀性。然而，对于电阻点焊过程来说，困难来源于如何对镀层薄板建立起相应的焊接规范。由于已经在数值模拟和计算机工程领域取得了进步,那种漫长和昂贵的对镀层板进行焊接可焊性测试并需要建立新的程序集的方法,今后可以有效地被建立模型和数值模拟的方法所代替。电阻点焊的过程涉及了电学、热学、冶金学与力学及其之间的错综复杂的联系[Khan and Zhang, 2000 - Feulvarch et al.,2006]。在这些数值模型中，一些建立者，诸如Wei et al也会考虑到熔池流体力学的问题，理论表明对流现象并没有对焊缝生长产生明显的影响。本文解决了对称板材组件电阻点焊过程中的模型建立和数值模拟的问题。着重研究了镀层对界面条件尤其是熔核生长的影响。

许多物理现象，诸如电动力学、热传递、冶金和力都包含在电阻点焊过程中，建立模型也应当把现象潜在的关系纳入考虑之中。在没有镀层的情况下，Murakawa和张某在1998年验证了这个电—热—金属—机械（ETMM)模型，2006年Feulvarch et a也验证了它；并且该模型的力学分析是用来计算接触表面在焊接阶段变化情况。由于此时在焊接阶段，该模型定义镀层因素的影响存在困难，ETMM模型没有考虑镀层情况。然而,在这项研究中,ETMM模型的第一种方法适用于镀层薄板。更进一步说，为了展示表面状况对焊接过程巨大的影响，ETMM模型在焊接实验中已经考虑到两种型号的电极，并且把新的问题如圆头电极和平头电极磨损的情况也考虑其中。在使用平头电极的情况下,接触表面在工件与工件之间和电极与工件之间的接触条件参数可以认为是模型中的常数。在这种情况下，机械分析不再是有用的，ETMM模型简化成一个ETM模型。另一方面,ETMM模型的方法将应用到这样的情况下：在使用新电极（圆头）时对镀层薄板的焊接中。

在这项研究中,数值模拟是在对两个双相钢镀层薄板上进行了对称焊接测试的基础上进行数值模拟。为了遵循熔核的增长规律，这项研究在不同的焊接时间点上都进行了一系列测试。

2.实验测试装置

关于这项的研究，,在相同焊接规范的条件下，对于工件—工件对称组合已经进行了两个系列的焊接测试实验,第一个系列实验是运用了新的圆形顶电极，另一个系列测试用的是磨损的平头电极。在铜合金电极加工中，电极(Cr:l %,Zr:0.3%)在室温下呈现以下的机械性能：E =122GPa(杨氏模量)和Rp0.2= 500 MPa(弹性屈服抗拉强度的0.2%)。

图1：新的电极和受到磨损的电极的电极尖端配置文件的比较。

室温力学性能为（E = 211 GPA，Rp0.2 = 400 MPa）的高强度钢（HSS）镀层板dp6g,被用于焊接试验。 该组件由双镀层0.77毫米厚片构成。镀层的厚度约为 l0micro;m。对于这种对称的装配结构，它的焊接参数根据汽车集团公司推荐的焊接参考而定: 力为290 daN，电流10.1kA , 第13阶段焊接频率为50Hz，第11阶段为锻造阶段。

根据熔核的形成和生长情况，已经成功模拟了在不同时期两系列的中断焊接点的情况（如图5、图6所示）。样品的制作步骤是：通过焊接中心的横截面截取焊接样品，再进行切割，打磨、抛光步骤，最后用硝酸（2%）蚀刻。

1. 数值模拟模型ETM和ETMM的定义

这里使用的ETMM模型的方法，其中在每一个时间点的模拟方案是根据机械分析计算得到的，并且这个机械分析也结合了电、热、冶金分析情况。这种技术和Khan et al等人所使用的方法类似（2000年）。其中，对组件的几何形状作一个二维轴对称的假设。并且这里描述了ETMM模型中的不同方程的其他一些细节[ feulvarch等人描述，2006 ]。而对于ETM模型，同样的方程是用来描述耦合、电、热和冶金现象。在模型中还考虑了某些情况下材料具有相同的物理性质和一些冶金动力学的因素。特别注意的是还考虑了模型中电极与工件、工件与工件的接触表面的的界面条件。这两个模型在有限元软件sysweld中实施。

3.1微观尺度上接触电阻的模型

由于粗糙表面导致的接触不良、氧化物和介电材料，产生的微收缩对交叉接触面的电流和热通量的影响等现象，在微观尺度上引起局部热电阻和电阻的增加，因此，焦耳效应产生了热并且在干扰区内扩散。发生在E/S 和 S/S接触面电流交叉的现象能够导致焊接开始加热电极，并且对熔池生成和发展扮演着巨大作用。在这两个模型中，电热接触条件，在微观尺度上认为都是具有相同的通过接触表面的接触参数 [Feulvarch et al., 2006 -Rogeon et al, 2006]：热接触电阻TCR和一个能量消散在ECR与TCR界限的分配系数[Rogeon et al, 2006 -Le Meur, G., 2002]。接触参数的设置可以由接触温度和接触压力的变化而定。

依据温度(550°C)和压力(80 MPa)，一些实验设备被设计出来用来测量接触电阻ECR和TCR[Rogeon et al., 2007]。 测量结果显示，主要影响镀层的接触电阻变化（如图2,3所示）。在室温下，与无镀层的工件相比，有镀层薄板基于（电极、工件）和（（工件、工件）顺序的接触电阻的相关数值比较低。在室温下，对于镀层板，,由于这些低力学性能的镀料,在80 MPa的压力下,接触率已经很高进而导致ECR的值比较低。对镀层薄板和无镀层薄板来说ECR的值随温度的变化是很重要的。在高温下，(温度达到450°C)对于(电极、工件)和(工件/ 工件)这两种镀层工件和无镀层工件的所有ECR的演绎是收敛的。然而,在镀层工件和无镀层工件之间的实验结果的主要差别，特别是在ECR的演绎方面，根据温度主要是（（工件、工件）的接触面状况差异。与无镀层工件正好相反，镀层工件 ECR (（工件、工件）的变化，一开始随温度上升，当接近镀层熔点时，突然快速下降（如图3所示）。涂料材料的融化(400°C)还涉及到一个很重要的方面，就是接触率的增加。此外,ECR值,特别是在工件/ 工件接触面,明显高于薄膜电阻，它的温度低于400°C并且和电极 / 工件顺序具有相同的界面(如图2、3所示)。此实验装置用于测量热接触电阻(电极 / 工件)顺序下的值，和测量电阻ECR的值是基于同样的原理[Rogeon et al .,2007)。与ECR的变化相反，TCR的值随温度的变化是非常小的;在室温下和压强在 80MPa的情况下，TCR的值已经非常低了（约5.l0-6°2 / W），其值仅由三个在高温（350℃）点分。这证明，跨越接触区的热通量和电流的界面机制是不同的。电流仅利用凹凸之表面间的接触部分通过，并且可能受氧化物的影响，这个氧化物是指热流量可以穿过介质的地方出现的物质。

图2：在80 MPa下，镀层工件和无镀层工件ECR（电极 /工件）变化与温度的关系。

图3：在80 MPa下，镀层工件和无镀层工件ECR（工件/ 工件）变化与温度的关系。

此外，我们发现镀层的和无镀层的工件的TCR在（电极/工件）顺序下的变化情况是相当一致的，这主要是由于在用于不同材料进行实验时的热导率值的精度不足导致的[Rogeon et al., 2006]，其中涉及在TCR值的确定上的重要错误。

在最近的研究中作者们已经通过理论微观的方法[Le Meur, G., 2002]，确定铜-钢或铜-锌接触面的热量分配系数的值可以取为恒定并等于0.5。关于接触温度在电极/工件接触面的情况，从工件中传出的一股很重要的热流迅速穿过该接触面，该电热接触是一个经典的热接触，其接触温度可识别，其一侧具有更高的热导率（铜这边）。

3.2明显的接触表面模型化演进过程

然而,在两个模型中，宏观范围内接触表面的电阻变化是不同的。事实上,大量的注意力应该放在电极极头的参数上，它对接触表面的电流密度和熔核的形成影响非常大。因为镀层融化相关的复杂现象通常都发生在接触面上。在镀层的融化温度升高时，镀层沿接触区域的边缘喷射形成一个可以延伸到电热接触区域的环状区域，虽然在我们的模型中这些现象没有被精确的考虑进去，但在焊接成形过程中，通过实验与理论结果的比较，得到了这些现象的更多细节。

在ETMM模型中，镀层薄板工件在进行数值模拟时仅考虑在无镀层情况下利用热机械分析计算所得的接触参数（ECR，TCR）和热电接触表面的参数[Feulvarch et al., 2000]。

在ETM模型中，电极/工件 和工件/工件的接触界面被认为是不变的。其中接触半径的定义是基于实验观察和理论分析所得。这种简化的方法更适合用于在使用平头电极的情况下的焊接试验检测。因此，它是用来模拟受到磨损的电极情况下焊接实验的首选。而且，磨损的活性电极凸体和焊接过程中锌层的复杂变化行为不利于E/S接触面的演化。然而在焊接过程中通过数值调整得到的当量半径应当保持不变，因为实验的最终所得熔核尺寸和数值在第十三周期是相同的。本实验中，当量半径为2.85㎜。

虽然这个时候,ETMM模型并没有把接触表面上的镀层的演化的影响考虑在内,但在用圆头电极情况下，仿真结果与相关实验中熔核形成现象吻合。

此外，在焊接阶段后期，中断焊接点的镀层环的直径仍然等于约3.6毫米，在整个焊接阶段，在工件/工件界面处，以接触半径RC（工件/工件）=3.6毫米的接触面将被假定恒定。并且在电极/工件接触面，只有在第四周后期才观察到接触面周边固化的锌环外观。（图4）

图4：焊点的在第一周期和第四周期图形。

4.实验与焊缝生长动力学理论的比较

在焊接过程中，我们对本次实验进行仿真模拟所得熔核的形成和生长情况和进行实验所观察的结果是相关的，也是就相符合的。从实验样品的宏观切口上和数值模拟结果上来看两个系列的测试情况，并与电极尖端的配置相对应的前提下，本文比较了在使用平头和圆头电极的情况下熔核尺寸在不同时期的数值模拟情况（如图5、6所示）。再把实验样品用硝酸蚀刻处理后，然后在宏观上观察所得，削减亮区对应给予最大冷却后熔区大小。本区的极限数值等温线l5l5°C，这个等温线等于DP6G钢的固相线温度。

4.1平头电极的焊接试验

第一个实验系列（平头电极）表明，在焊接第八阶段熔核的形成之后，其规模增长到焊接阶段结束。对焊接过程中，第八，第十和第十三阶段的实验结果和数值模拟熔核的生长结果进行比较（如图5所示）。模拟ETM模型的实验也揭示了熔化区在第八阶段并且导致一个可接受希望得到的熔核尺寸的演变。这第一协议表示这个模型假设的一个恒定的等效接触半径接触面的相关性。在这里，这些假设是可用的，因为受到磨损的电极的平面轮廓导致钢筋混凝土（电子）的高初始接触半径；在焊接阶段，由于钢筋混凝土（电子）的镀层现象，压痕也应保持非常低。此外，热动力学的比较也间接地验证了我们的模拟。在热影响区附近，将微型热电偶植入熔核，如图所示，在下表中3个50micro;m K 类型的热电偶，在这里命名为Tl3, Tl4 and Tl5。通过电容放电焊接成0.4mm直径和0.6mm深度的孔。

第8阶段 第10阶段 第13阶段

图5：ETM模型实验研究的数值结果对比。

4.2圆头电极焊接测试

在进行圆头电极焊接测试等一系列实验时，在焊接过程中的第二阶段之前过早的出现了的熔核组织（如图6所示）。在这种情况下,ETM模型所假设的接触半径连续的情况下电极 / 工件和工件/工件接触面并不能符合这一变化。对于ETMM模型，熔核组织也出现的较

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