尼龙电池壳焊接过程中的热分析

张锡军，张青，罗振

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.中国人民解放军第91362部队，浙江宁波315000；3.天津大学材料学院，天津300072)

尼龙电池壳焊接过程中的热分析

张锡军1，张青2，罗振3

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.中国人民解放军第91362部队，浙江宁波315000；3.天津大学材料学院，天津300072)

利用Solidworks2012和ANSYS 14.5/Multiphysics模拟软件，对电池壳的焊接过程进行仿真分析。通过对温度场的分析可知，在振动摩擦焊的初期，电池壳温度提升较快随后接近尼龙的熔点。随后，摩擦焊接进入一个相对稳定的时期，温度缓慢上升近似持平。

模拟仿真；尼龙；焊接；热分析

计算机模拟是指通过建立实际物理现象的数学模型，运用合适的数学计算方法，在计算机上对真实物理现象进行计算模拟。目前随着计算机软硬件技术的飞速发展，大量原来运行于小型机平台上的大型模拟软件逐渐移植到PC平台上，一般工程技术人员也拥有了计算机模拟的手段，使得近年来计算机模拟在工程技术中的应用迅速扩大[1]。

尼龙即聚酰胺纤维，简称PA，是指分子主链含有酞胺键(—CONH—)的一类高分子材料[2]，PA具有良好的机械物理性能及优越的性价比，如自润滑性能好、强度高、耐磨、耐溶剂等，广泛应用于纺织、造船、汽车制造、航空航天、医疗器械和精密仪器仪表等领域[3]。在尼龙电池壳的制造过程中，各部件之间的连接不可避免，因此常采用焊接的方式对其制品进行封装。尼龙属于热塑性高分子，在温度提升至一定临界值以上时，材料变为完全塑性，施加一定的压力后，可以使各长分子链接近至范德瓦尔斯作用力的范围内，从而实现连接。

为了探寻尼龙电池壳在振动摩擦焊接过程中的温度分布，利用Solidworks2012以及ANSYS 14.5/Multiphysics为基础平台，对电池壳的焊接动态过程进行仿真分析。

1 研究内容及方案

1.1 有限元数值模拟

有限单元法起源于20世纪50年代航空工程中飞行结构的矩阵分析，而现在它已经被用来求解几乎所有连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛地用于焊接热传导的分析中。在目前众多有限元仿真分析软件中，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计(CAD，computer Aided design)软件接口，实现数据的共享和交换。

1.2 振动摩擦焊接仿真基本原理

1.2.1 振动摩擦焊接过程分析

振动摩擦焊的过程中，摩擦中的一侧工件被一对往复机构驱动着，相对于另一侧被夹紧的工件表面作相对运动，并在其轴向施加的压力下，摩擦表面被清理并产生摩擦热，摩擦表面的材料逐渐达粘塑性状态并产生变形，形成飞边。然后，停止往复运动并施加顶锻力，完成焊接。目前普遍认为，尼龙电池壳接触面在形成连接的过程中由如下几个阶段组成，如图1所示。

图1 振动摩擦焊的连接机理

(1)初始阶段：从初始阶段起，两个工件在摩擦压力的作用下作线性往复运动，摩擦生热的同时，摩擦表面的摩擦系数也在发生着相应的变化。在这一阶段，随着摩擦过程的进行，实际接触面积不断增加，但并没有发生焊接粘连的现象。如果这一阶段的摩擦生热不充分，那么下一阶段就难以继续，因此，这个阶段非常关键。

(2)过渡阶段：在此阶段，摩擦界面处的尼龙开始出现明显的塑性变形，摩擦面的接触面积及摩擦系数均达到最大。从宏观上，可以观察到结合面处的塑性流动区域逐渐扩展到整个摩擦界面。

(3)稳定阶段：在高频线性往复运动和摩擦压力的作用下，摩擦界面处的尼龙被加热到热塑性流动状态并被挤出摩擦界面，形成飞边。在此阶段，加热和散热基本达到准平衡状态，摩擦加热功率基本保持不变。

(4)减速阶段：当焊接接头达到合适的温度，并产生较大的塑性变形时，两工件迅速对中(小于0.1 s)并施加顶锻压力来形成牢固的焊接接头，这一阶段被振动摩擦焊的研究者认为是最重要的阶段。

对振动摩擦焊接动态过程中接触面的连接进行深入的分析和合理的抽象简化，对其建立有效的动态仿真是十分必要的。

1.2.2 ANSYS中模拟振动摩擦焊的接触分析

摩擦接触是一种高度非线性的问题，需要耗费较大的计算资源，为了进行更精准更有效的计算，合理模型的建立也是非常重要的。其中接触问题存在两个难点：首先，在求解问题之前并不知道具体接触区域大小，表面接触状态是接触或分开是未知的，而且是突然变化的，这与载荷、材料、边界条件和其它因素有关；其次，接触问题大多数需要计算摩擦，由于这种接触是非线性的，所以摩擦问题使接触的收敛性变得困难。大型有限元ANSYS具有强大的网格处理能力、高精度非线性问题求解以及强大的耦合求解能力，并且得到了广泛的应用，实践证明ANSYS是一种非常有效的数值方法，而且理论上也已经证明。

本次研究应用ANSYS的接触分析能力和隐式算法对尼龙电池壳接触面处振动摩擦生热问题进行了分析和研究。具体模型中采取面—面的接触方式，选择目标单元为TARGE169，接触单元为CONTA172；利用四节点平面热-结构耦合单元PLANE13来进行网格划分；在接触算法方面采用扩张的拉格郎日算法；计算中采用不对称求解器和等效热源法来求解摩擦关系中的复杂摩擦生热问题，从而改善了收敛；模型中考虑了对流换热以及接触间的热传导。

2 模型的建立

按照真实尺寸利用Solidworks建立尼龙电池壳的三维实体模型如图2所示，电池壳由上端盖和箱体两部分组成，各部分的尺寸也标注在图2中。

将Solidworks建立好的实体模型无缝导入到ANSYS中，赋予其材质属性。通过软件自适应网格划分功能，建立的有限元模型如图3所示。

采用必能信MINI II型振动摩擦焊接机对工件进行焊接。尼龙电池壳振动摩擦焊接的工艺参数为：振动频率220 Hz，焊接压力2～3 kgf/cm2，焊接深度1 mm，焊接时间20 s，振动振幅1.6 mm。在建立实体模型与划分网格之后，对焊接过程的仿真如图4所示。

图2 尼龙电池壳的尺寸与三维建模

图3 尼龙电池壳模型及网格划分

图4 仿真过程示意图

在分析动态焊接过程中，对电池壳箱体任意不共线的三点施加位移约束以便分析其在焊接过程中的热应力情况。其中三维传热模拟是通过Solid70单元实现的，采用瞬态热分析模式进行传热过程的求解。在温度场的模拟仿真中，选用只有一个自由度的实体单元Solid70对焊接过程中的温度场进行分析。

3 模拟结果与分析讨论

通过对尼龙电池壳振动摩擦焊接过程中的温度场进行分析，得到如图5所示结果。其中：(a)为焊接至稳定阶段的温度梯度分布；(b)为焊接稳定阶段的热流密度分布；(c)为焊接至稳定时期的三维温度场分布；(d)为焊接整个过程中，上端盖与箱体接触面处的升温曲线。由于在振动摩擦焊接过程中，振动的线速度并不是一个恒定值，因此其产热也是断续的，如图5(b)所示。

通过对温度场的分析可知，在振动摩擦焊的初期，温度提升较快随后接近尼龙的熔点的温度。材料此时处于流变状态，生热与散热形成动态平衡。在随后的过程中，摩擦焊接进入一个相对稳定的时期，温度缓慢上升近似持平。尼龙在其熔点附近进行高速的摩擦切边会使其分子链发生裂解从而降低力学性能。因此，在焊接之后的焊缝处将成为整个尼龙电池壳的薄弱环节。

对于振动摩擦焊接过程中的应力场的模拟结果如图6所示，其中(a)为焊接至稳定时电池壳上端盖处的切应力场，(b)与(d)为焊接稳定时期整体的应变能密度分布，(c)为焊接稳定时期的切应变分布。从模拟结果可以看出在整个焊接过程中材料所受切应力主要集中于焊缝处，这也印证了尼龙在焊接受热过程中因切变而发生裂解现象。

图5 温度场模拟结果

图6 应力场模拟结果

4 结论

经分析，尼龙电池壳在焊接过程中由于高速的摩擦切边会产生大量的热，使尼龙分子链发生裂解从而降低力学性能，为阻止以上现象，可以用辅助措施对焊接面进行处理如焊接时用高压气体对焊接面吹气，降低尼龙制件的温度以提高焊接后电池壳的力学性能。

[1]兰伟，宋学兵，刘效疆.热电池热模拟研究[J].电源技术，2012，36(1)：88-88.

[2]李兴田.聚酰胺6纳米复合材料的研究进展[J].化学工业与工程技术，2001，22(2)：29-29.

[3]陈兴华，李跃文.尼龙66/无机物纳米复合材料的研究进展[J].化工与材料，2007，6(6)：23-24.

Thermal analysis under nylon battery shell welding

ZHANG Xi-jun1,ZHANG Qing2,LUO Zhen3
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.Chinese people's Liberation Army 91362th,Ningbo Zhejiang 315000,China;3.Material College,Tianjin University,Tianjin 300372,China)

The process of nylon battery shell welding was analyzed by the simulation software of Solidworks2012 and ANSYS 14.5/Multiphysics.By the thermal analysis,it can be concluded that the temperature of the battery shell quickly rises to nylon melting point at the earlier stage of welding.The temperature of the battery shell gently rises at the relatively stable period.

simulation;nylon;welding;thermal analysis

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1643-02

2016-01-22

张锡军(1977—)，男，安徽省人，高级工程师，主要研究方向为锌银电池。