铝合金薄板凸焊温度场有限元分析

徐光晨

(芜湖职业技术学院机械工程学院，安徽 芜湖 241000)

0 引言

电阻焊属于压力焊，是通过两个电极对两块金属板料进行预压和通电，由于材料的电阻热将接头融化，最后凝固成焊核而形成冶金结合的一种焊接工艺。[1]。凸焊是电阻焊的一种，凸焊的特点在于其中一侧的金属板会加工一个或几个凸焊筋，凸焊过程中电流通过凸焊筋时密度增大，优先将凸焊筋压溃后形成焊核。这个过程包括了热量的传导、金属的融化与凝固、电—热耦合以及材料的相变等复杂过程[2]。如果仅通过实验验证，既不能准确地对工艺变化进行控制，又会消耗企业大量的时间与资源。因此，通过计算机数值模拟对凸焊的工艺参数进行设计与优化，从而节约成本，成为在焊接领域被广泛应用的一种方法。

铝合金由于诸多优势，被广泛应用于制造业、航空航天等领域，由于铝合金的线膨胀系数很大，且表面氧化铝的熔点很高，因此，铝合金的焊接存在一定难度[3-4]。目前，凸焊仿真的研究较少，上海交通大学的罗爱辉等[5]人对整个凸焊工艺过程进行了完整的分析，得到了凸焊凸点压溃过程、凸焊焊核成形过程以及焊后温度场分布等一系列结果。武汉工程大学的卢霞等[6]人分析了真空电阻凸焊的热电耦合过程，得到了焊接过程的热历程以及焊件各部位的温度分布，得出凸焊筋距离对温度场分布的影响。上海交通大学的万子轩等[7]人定性及定量地分析了两种材料在电阻凸焊过程中温度场、应力场的参数变化规律以及最终凸焊接头的熔核直径。华中科技大学的王成刚等[8]人通过对不同预压力和不同角度凸焊筋顶角的有限元接触分析，得出不同预压力和凸焊筋顶角的凸焊筋塑性变形和接触压力分布状况等结果。

本文针对6063铝合金薄板的凸焊问题，使用simufact-welding软件，建立凸焊有限元模型，考虑模型的散热过程、材料随温度变化的热物性参数以及铝合金融化—凝固过程的热力耦合等因素，得到凸焊成形过程中的实时温度场分布，为实际加工过程提供指导。

1 有限元模型的建立

1.1 数字模型

在三维建模软件中建立了凸焊几何模型，电极为圆柱形C型电极，端面直径13 mm，上下薄板长宽为50 mm，厚度为1.5 mm，其中下薄板预制一个近半球形凸焊筋，尺寸如图1所示。

1.2 有限元模型

在Hypermesh软件中对铝合金薄板凸焊进行有限元网格划分，为了提高收敛性，采用四面体网格。为了提高计算的精度，在变形量大的凸焊筋上采用密度大的网格，薄板采用密度小的网格，在两者的连接区域采用过渡网格划分。凸焊筋网格尺寸范围为0.1～0.2 mm，上下薄板网格尺寸范围为0.3～0.5 m(如图2)。

图2 铝合金凸焊有限元模型

1.3 温度场基本方程

在进行电阻凸焊的电—热耦合分析时，在给定电流参数的前提下，内部的电压可以用Laplace方程来描述，其微分方程如下：

(1)

式中：r，z为圆柱坐标系中点的径向和轴向坐标；U为电压；ρ0为材料的电阻率。

铝合金的凸焊本质上属于电阻焊，其焊接过程的温度场被定义为非线性瞬态热传导问题，传热机制包括电极与薄板之间的热传导，薄板之间的热传导，薄板内部的热传导以及薄板与空气之间的热对流。根据傅里叶定律和能量守恒定律可以得到如式(2)的传热方程[9]：

(2)

式中：λ为导热系数；T为温度；t为时间；Q为潜热；ρ为材料的密度；Cp为比热容。

1.4 材料热物性参数与相变潜热

薄板使用的材料为6063铝合金，其化学成分见表1。

由于实际成形过程中，材料的性能变化一般都是非线性的，这个变化与温度有关，因此需要在material模块中输入与温度相关的材料参数。6063铝合金基于温度变化的热物性参数由JMatPro软件计算得到(如图3)。

图3 6063部分热物性参数

2 焊接工艺

凸焊的工艺过程如图4所示，凸焊过程总计0.6 s，全程保持5 kN的焊接压力，预压阶段为0～0.2 s，通电阶段为0.2～0.5 s，最大电流为35 kA，0.5～0.6 s继续保持焊接压力不变，最后移开电极完成凸焊过程。

图4 凸焊工艺参数

3 模拟结果与讨论

图5为焊接电流35 kA时各个典型时刻的温度场对比，图5(a)是刚刚结束预压环节，此时凸焊筋高度从1 mm被压缩至0.65 mm，0.2 s开始进入通电阶段。图5(b)和5(c)分别为0.293 s和0.386 s时的温度场，两个时刻的凸焊筋高度分别为0.59 mm和0.31 mm，随着温度升高，凸焊筋进一步被压缩，0.479 s时(如图5(d))凸焊筋被压溃，焊核达到最高温度943 ℃。图5(e)和5(f)分别是断开电流后的保持阶段，温度逐渐降低。从温度场可以看出，整个焊接过程中焊核大小为温度场的白色区域，最高温度位于以凸焊筋为中心的区域，冷却后，此处形成焊核，周围为热影响区。此过程符合实际凸焊的加热与凝固过程，形成的焊核尺寸适中。

图5 焊接电流35 kA不同时刻凸焊筋温度场

图6为凸焊筋顶点随时间变化的温度变化曲线，在接近0.5 s时，也就是电极开始通电阶段，跟踪点的温度持续升高，最终在断电前达到最高温度1 049 ℃。断电后，跟踪点位于焊核中心，其散热方式主要依靠铝合金内部的热传导，由于铝合金导热率高，因此跟踪点温度迅速下降，在约0.6 s后温度下降至100 ℃附近并开始缓慢降温，最终在2 s时温度下降至50 ℃附近。由于电流采用35 kA的大电流，因此跟踪点温度迅速超过6 063的熔点。结合图5不难发现，大约在0.386 s时焊核内部出现温度超过600 ℃的区域，0.479 s焊核尺寸达到最大值，也与本图中顶点温度最高点的时间相吻合。

图6 凸焊筋顶点温度变化曲线

为了观察整个凸焊筋以及其附近区域的温度变化，在如图7所示的位置放置了一系列的跟踪点进行数据采集，经过拟合后的曲线即为这些跟踪点在整个凸焊过程中最高温度的曲线。以凸焊筋中心点为中心，两侧各延伸3.4 mm进行观察。在某些位置的最高温度会产生一些波动，可能由于这些位置在模拟过程中变形或位移较大造成，但整体趋势与实际吻合，最高温度在凸焊筋顶点位置，达到1 049 ℃。整个曲线的最高温度区间集中在凸焊筋与上薄板的优先接触区域，从该区域向两侧的最高温度持续降低，在曲线末端的最高温度约100 ℃。

图7 凸焊筋附近区域最高温度曲线

4 实验验证

为了验证仿真结果的准确性，对实验得到的焊核的金相照片(如图8(a))与仿真得到的焊核(如图8(b))进行了对比，发现仿真焊核中的白色区域为完全融化区域，其尺寸与实验得到的焊核尺寸接近，因此，我们认为该仿真方法能够较为准确地反映实际凸焊过程。

(a)与仿真焊核对比 (b)金相照片对比图8 35 kA时实际焊核

6 结语

经过仿真焊核与实际焊核的尺寸对比，发现该仿真方法与实验结果接近，能够较为准确地反映实际焊接过程。在焊接压力5 kN、焊接电流35 kA的参数下，观察凸焊筋及其附近区域的温度变化曲线，发现在整个凸焊过程中，温度最高的区域集中在凸焊筋上部即优先与上薄板接触的区域，温度最高达到了1 049 ℃，在凸焊筋顶点位置。对比焊核尺寸后认为该温度曲线与实际温度曲线较为吻合，但由于该模型没有将铝合金的相变参数加入到仿真过程中，因此这将是后续研究需要解决的问题。