电触头电阻钎焊温度场模拟

赵亚楠，彭 丽

（1.陕西广播电视大学工程管理教学部，陕西 西安 710072；2.西安通信学院 ，陕西 西安 710106）

0 引言

电触头电阻钎焊过程中，焊接时间较短且加热迅速，其温度场模拟属于典型的瞬态热分析。因此，需要根据实际焊接情况，确定加载电流与时间之间的关系，用不同的载荷步分别表示预热和焊接2个阶段[1-3]。采用ANSYS进行数字模拟时，应按照前处理、加载求解、后处理的分析步骤对相应问题依次进行处理，在保证计算精度的同时兼顾计算效率。在ANSYS有限元分析中，应根据实生产情况，将一些对温度场求解结果影响不大的因素进行简化[4-5]。

1 有限元模型的建立

在ANSYS有限元分析中，建立合适的有限元模型是十分重要的步骤，它是正确求解问题的基础。在电阻钎焊过程中，涉及到电场的分布、热传导问题以及电极压力对接头的影响等，并且应该综合考虑这些问题的相互联系及耦合作用。应根据实际生产情况，将一些对温度场求解结果影响不大的因素进行简化[4-5]。针对电阻钎焊的模拟作出如下简化：忽略电极力的作用并简化为热电耦合分析；将接触电阻等效为极薄的实体单元；假定焊接电流为恒流并忽略电磁作用；用散热系数表示对流散热和表面辐射作用。

1.1 三维实体建模

系统研究对象几何形状并不复杂，利用ANSYS自带的建模功能创建模型。参照工件实物的相关尺寸，结合ANSYS的布尔运算功能，利用APDL语言进行三维建模。

1.2 网格划分

1.2.1 热电耦合单元SOLID226

首先，选用SOLID226作为分析单元，它具备热电耦合分析功能；其次，它的几何结构为六面体，便于后期网格划分时对重点分析区域选用映射网格划分的方式。

1.2.2 定义相关材料属性

依据SOLID226的相关要求，需要定义每种材料的密度、电阻率、导热系数和比热等属性。其中，电阻率、导热系数和比热等参数均随温度变化而变化，需要建立它们与温度之间的关系，同时应注意各物理量之间单位的统一。

a.铬铜电极的材料属性。所用电极材料为铬铜，其材料参数随温度变化而变化。参考吉林大学杨黎峰的论文[6]，可知其电阻率与温度之间的关系为：

ρE为电阻率（×10-8Ω·m）；T为温度（℃）。

此外，参考文献[6]中也对铬铜电极材料的比热进行了计算，它的比热与温度之间的关系为：

Cp为比热（J／（kg·℃））；T为温度（℃）。

再结合铬铜在不同温度下的导热系数及其密度。

b.紫铜基体的材料属性。对于紫铜基体，同样可以依据温度的不同建立其材料参数性能表。

c.银触点的材料属性。研究对象所用银触点材料为银碳化钨石墨，结合JB／T7779-2008《银碳化钨（12）石墨（3）电触头技术条件》中的相关参数及纯银的性能，得出其在室温下的材料参数性能，如表1所示。

表1 银触点材料属性

d.钎料的材料属性。所用钎料为Ag25CuZn，由于缺乏其高温时的相关数据，在温度场的模拟过程中暂不考虑其材料参数随温度的变化。按照混合物的相关计算公式对比热和导热系数进行推算[7]。参照混合物比热计算公式：

M为各混合物的质量；C为相应混合物的比热。推算出该钎料的比热约为347.25J／（kg·℃）。

e.接触电阻层的材料属性。对接触电阻的处理方式为等效成极薄的实体单元。根据参考文献[8]，可以计算出温度为20℃时，接触电阻率为4.5×10-7Ω·m。忽略温度对电阻率的影响，将接触电阻层的电阻率定义为4.5×10-7Ω·m，导热系数、比热和密度等参数，用2种接触材料的平均值表示。

对与钎焊面接近的钎料层、接触电阻层、银触点以及部分铜基体进行映射网格划分，以确保分析的精度及准确性。而对于铬铜电极和远离钎焊面的铜基体，为降低网格划分复杂度及减少时间，采用自由网格划分方式，如图1所示。

图1 三维实体模型网格划分

1.3 加载并求解

在电阻钎焊温度场模拟过程中，最为关键的载荷为电流大小，如表2所示。

表2 电阻钎焊电流值测定

在其整个焊接过程中，预热的平均电流值为12.32kA，焊接的平均电流值为14.80kA。依据电阻钎焊流程，采用3个载荷步的方式对有限元模型进行加载，3个载荷步均为阶跃加载，初步加载之后的模型如图2所示。

图2 有限元模型加载

对有限元模型进行加载后即可求解，故采用多重求解法对3个载荷步进行依次求解。指定分析类型为瞬态分析，打开瞬态效应功能，并将每个载荷步的时间步长值设定为0.02s。再利用“OUTRES，ALL，ALL”命令将每个子步的求解结果均写入到数据库中，以便于后期分析。

2 温度场的数值模拟结果分析

2.1 钎焊面不同时刻的温度场分布

钎焊面的温度场分布及变化如图3所示。由于电触头电阻钎焊的加热过程为预热0.08s，再焊接0.22s，所以总的加热时间为0.30s。故选取钎料层的温度场作为研究重点，分析其在0.14s，0.18 s，0.22s，0.26s和0.30s时的温度场分布与变化规律，也就是焊接周波数分别为3，5，7，9，11时的温度场分布与变化规律。

图3 钎焊面的温度场分布及变化

在图3中，将温度场的标尺设定成800℃以上为钎料已熔化区域。从图3中可以看出，钎焊面的温度场分布是上下对称的，并且所有焊接时刻均是钎焊面四周的温度高于中心区域温度。当焊接周波数为3时，钎焊面的温度均低于800℃。当焊接周波数为5时，有2个角附近温度高于800℃，钎料最先在这2个位置开始熔化。随着焊接时间的增加，钎焊面温度不断上升，钎料已熔化的区域由四周逐渐向中间区域扩展。在焊接周波数为11，也就是焊接结束时，钎焊面大部分区域的钎料均已熔化，但其中心区域仍有部分钎料因为温度低于800℃而未能熔化。

上述温度场分布及变化规律，主要与铜基体的几何形状以及铜基体与下电极的接触形式有关。由于铜基体在冲压制备过程中形成了一个凹坑，导致它与下电极接触时主要是钎焊面四周对应的地方接触，并且左侧的接触面积大于右侧。

2.2 钎焊面四边中心点的热循环曲线

选取钎焊面四边的中心点作为分析对象，描绘其热循环曲线。各点的位置如图4所示。

图4 热循环曲线各点所在位置

利用Origin软件描绘出每个点的热循环曲线，并对高温区域进行放大处理，如图5所示。从图5a中可以看出，各点的热循环曲线变化规律基本一致。由于加热过程分为预热和焊接2个阶段，并且焊接电流值比预热电流值大，因此，热循环曲线在0.08s时发生突变，加热速度陡增。然后由于钎焊面的温度上升，热量传导增多，其升温过程逐渐变缓。在0.3s时，温度上升到最高值，接着随着冷却时间的增加，温度急剧下降。此外，第2点和第4点的热循环曲线几乎重合，主要是由于这两点所在位置相互对称。从图5b中可以看出，各点的最高温度值有所不同，第3点的最高温值最大，第1点的最高温度值最小，与钎焊面的温度场变化规律相吻合。

图5 电触头电阻钎焊热循环曲线

3 结束语

在电触头的电阻钎焊过程中，温度场的分布与变化直接影响着钎料的熔化过程，进而对钎缝的形成以及电触头的质量产生至关重要的影响。目前，并不能直接利用实验手段，测量出电阻钎焊过程中钎焊面的温度场分布与变化。因此，可借助数值模拟的方法，观察钎焊面上的温度变化规律，分析出缺陷产生的原因并得出相应结论，为实际生产提供理论依据。

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