三层钢板胶焊熔核形成过程的有限元分析

沈 洁， 张延松

(1. 上海海洋大学 工程学院， 上海 201300； 2. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

目前，胶焊技术作为电阻点焊技术与胶接技术的复合工艺，已广泛用于汽车车身的生产制造过程中[1].胶焊结构综合了电阻点焊接头强度高、性能稳定、生产效率高和胶接接头耐疲劳等优点，解决了电阻焊点周围易出现应力集中及腐蚀的问题，克服了胶接接头剥离强度较低的缺点，实现了电阻点焊和胶接技术在力学性能上的互补[2].

有关采用力学性能实验或有限元数值模拟方法研究胶焊接头力学性能的报道较多.例如：文献[3]中对比分析了双相钢胶焊与点焊的接头力学性能和显微组织特征，发现在低电流条件下，胶焊具有更大的焊核直径、更优异的接头抗拉剪性能，而在高电流条件下，由于焊接飞溅的产生影响了胶焊熔核的形成与生长，从而导致接头抗拉剪性能降低；文献[4]中对超低碳无间隙原子钢的胶焊接头进行了实验研究，发现胶焊比点焊的接头具有更优异的抗剪切性能，且胶层厚度对胶焊接头的力学性能具有较大的影响；文献[5-6]中分别对镀锌钢板及不锈钢板胶焊、点焊的接头疲劳特性进行了对比分析，发现胶焊工艺能够有效提高两种钢板焊后接头的疲劳寿命；文献[7-8]中通过数值模拟方法分析了两层钢板及三层钢板点焊与胶焊的接头应力分布，发现胶焊接头比点焊接头疲劳特性优异的原因是胶焊熔核周围的应力分布更均匀.

综上所述，胶焊接头的宏观力学性能与胶焊熔核的形成与生长、胶层特性、接头应力分布以及所焊板材的基本物理特性有关，而在这些因素中，胶层的引入是导致胶焊接头与点焊接头性能差异的根本原因.目前，围绕着胶焊接头宏观力学性能的研究较多，而针对胶层影响胶焊熔核形成过程的研究还不多见，因此，本文采用ANSYS有限元软件建立考虑胶层作用的三层钢板胶焊过程的有限元模型，从结构场、电场、温度场分布等方面分析三层钢板胶焊熔核的形成过程及特点，以揭示胶层对三层钢板胶焊熔核形成过程的影响.

1 三层钢板胶焊过程的有限元模型建立

1.1 有限元模型及网格

针对差厚差强三层钢板胶焊的焊接过程进行模拟分析.建模对象由三部分组成，即上、下电极帽及三层钢板和胶层.电极帽和钢板的建模通过实体网格来实现，各部分的几何尺寸与胶焊实物相同，如图1所示.电极帽外径16 mm、端面直径5 mm.焊接接头所用三层钢板分别为厚度 0.8 mm DC04低碳钢、厚度 1.4 mm DP600双相钢和厚度 1.8 mm DP780双相钢，模型中的各板材宽度均为30 mm.

图2所示为采用有限元分析软件ANSYS建立的1/2轴对称三层钢板胶焊模型，包括 2 656 个单元和 2 651 个节点.图中，上、下浅色几何体为电极帽模型，中间三层深色几何体为三层钢板模型.整个模型都采用四节点网格进行划分，同时，为提高计算的精度和效率，对焊接区和电极端面的网格进行细化，其他部位的网格则较粗.

图1 三层钢板胶焊的实物状态及尺寸Fig.1 Experimental status and dimensions of weld-bonding of 3-sheet

1.2 模型计算方法及边界条件

本文所建立的三层钢板胶焊模型主要针对通电过程中的电场、温度场与结构场进行模拟分析.为保证计算过程的高效性及计算结果的准确性，本文借助于ANSYS软件的相关分析模块，将电场、温度场与结构场之间的直接耦合关系简化为两两之间的间接耦合关系，即通过一次电-热分析完成了电场和温度场的计算，再通过一次热-结构分析得到了结构场受温度场作用的计算结果.计算过程中的电-热与热-结构分析所用的加载与边界条件不同，图3示出了整个模型在迭代计算中所用加载与边界条件.在电-热分析中，载荷为焊接电流，且均匀分布在上电极顶部，与之相关联的电压零点设置在下电极的底部.电-热分析的其他边界条件包括电极内部的水冷换热、电极外部与钢板表面的空气冷却，整个模型的环境温度为室温(25 ℃).在热-结构分析中，设置载荷为焊接压力，且均匀分布在上电极顶部，其边界条件包括模型轴线上节点的x方向位移为0，下电极底部节点的y方向位移为0.模型中的计算参数分别为焊接压力 5.5 kN、焊接电流 9.0 kA、预压时间200 ms、通电时间420 ms、保持时间100 ms，模型中所用钢板材料的属性均定义为随温度而变，具体物理属性及数值详见文献[9-10]中.

图3 有限元模型的边界条件与加载Fig.3 Boundary conditions and load for finite element model

1.3 胶层所致钢板接触电阻的参数化处理

本模型中的胶层引入方法是将胶焊动态电阻进行参数化来实现的[11].研究表明[12]，胶焊过程中动态电阻增大的原因是胶层使得钢板表面的接触电阻显著升高.因此，本模型中将由胶层引起的钢板间接触电阻的增量ΔR近似为胶焊动态电阻的增量，即

ΔR=Rwb-Rsw

(1)

式中：Rwb、Rsw分别为相同焊接参数下胶焊和点焊过程中的动态电阻，其具体数值详见文献[12]中.根据电阻率的定义，所推导出电阻增量对应的电阻率增量为

(2)

式中：s与钢板间的接触面面积；l为钢板间接触层的特征长度.

在ANSYS软件中，描述钢板间界面接触属性的参数为ECC，其定义为

(3)

式中：ρ=ρ0+Δρ，为钢板界面的总接触电阻对应的电阻率；ρ0为无胶层时钢板间的接触电阻率.

由式(3)所得钢板间接触电阻内的等效电流密度为

J=ECC(Ut-Uc)

(4)

式中：Ut、Uc分别为两侧钢板接触面的电压.进一步计算所得接触电阻产生的等效电阻热为

Q=αJ(Ut-Uc)

(5)

式中：α为ANSYS软件中的电阻热转换系数，其默认值为1，即认为接触电阻产生的电阻热全部转化为接触单元内的热能，并不考虑这一过程中的热损失.另外，在有限元模型计算中，需将接触电阻的等效电阻热加载于钢板间的接触单元上，故需将等效电阻热按比例分配给对应的接触对，其基本表达式为

式中：Qc、Qt分别为按比例分配后加载于两侧接触单元上的热量；β为ANSYS软件中的电阻热分配系数，其默认值为 0.5，即将等效电阻热平均分配给上、下钢板表面的接触单元上.

通过以上理论推导，完成了胶焊过程中胶层接触电阻的参数化处理，从而近似考虑了胶层的引入对传统点焊过程的有限元模型的影响.

2 三层钢板胶焊熔核形成过程分析

2.1 预压接触

在胶焊预压阶段，位于钢板之间的胶层将会受到焊接压力的作用而流动排开，使得三层钢板之间相互接触，从而使得整个模型出现明显的应力分布.图4所示为厚度 0.8 mm DC04低碳钢+厚度 1.4 mm DP600双相钢+厚度 1.8 mm DP780双相钢三层钢板胶焊时在电极压力为 5.5 kN下的应力分布情况.由图4可见，上、下电极的应力分布基本相同，但三层钢板内的应力分布存在明显的上、下不对称性，这是由于上层钢板(DC04低碳钢)与下层钢板(DP780双相钢)的厚度和强度存在较大差异的缘故.整个接头的最大应力出现在上层钢板内、距轴对称线约 2.5 mm的区域(图中黄色区域)，这是由于应力产生了边缘集中现象的缘故.DC04低碳钢在受到端面直径为5 mm的电极帽压紧后，在电极与钢板接触面的边缘处产生的内应力最大，导致该区域的钢板最先达到屈服点而产生一定的翘曲变形.这种受压变形有助于钢板间胶层迅速排开.

图4 三层钢板胶焊预压(5.5 kN)阶段的应力分布Fig.4 Stress distribution after squeezing with 5.5 kN electrode force

图5 三层钢板之间的接触压力分布情况Fig.5 Contact pressure distributions between weld-bonding of 3-sheet

为进一步研究胶层在预压后的应力分布情况，图5示出了三层钢板上、下接触界面上的压力分布情况.由图5(a)可见，在预压完成后通电阶段刚开始的20 ms时，DC04低碳钢与DP600双相钢钢板之间的上接触界面在距轴对称线约3 mm的内部区域都存在较大的接触压力，这意味着大量的胶层会在电极力作用下排挤出这一区域.由图5(b)可见，相对应的下接触界面(DP600双相钢与DP780双相钢)的胶层排挤区域略大于上接触界面，接触半径约为 3.5 mm，这是由于下层的DP780双相钢强度较高、受压时不易产生较大变形的缘故.由图5还可见，在通电420 ms时，三层钢板之间的接触半径都达到约4 mm，且两个接触界面在焊接过程中将有所扩大，胶层也会进一步排挤出焊接区域.

2.2 电热场分析

胶层经过电极力的预压排挤后，使得三层钢板之间能够形成稳定的物理接触，以保证焊接电流的正常通过.图6(a)所示为三层钢板胶焊时在通电电流为 9.0 kA下形成的电场分布.由图可知，整个电场分布主要集中在上、下电极之间，并在电极端面边缘处出现了明显的电流集中现象，但由于铜电极电阻很小，所以不会产生大量的电阻热而影响钢板之间的焊接.

三层钢板在电场的作用下会产生电阻热，从而使其温度上升，直至熔化而形成熔核.然而，由于上、下层板材的不同，导致上、下接触界面面积出现差异而影响整个接头内的电场分布，从而使得各层板材内部产生不等量的电阻热.图6(b)所示为上、下接触界面上的电流密度分布情况.可见，DC04低碳钢与DP600双相钢钢板接触面的电流密度大于DP600双相钢与DP780双相钢钢板接触面的电流密度，这是由于上接触界面的接触半径小于下接触界面的缘故.

根据焦耳原理，电阻热的形成与电流密度的平方、电阻率成正比，故上、下接触界面上的不同电流密度将产生不同的电阻热.图7示出了焊接通电时间分别为100和400 ms时的电阻热分布情况.可见，在通电100 ms时，上接触界面和上层DC04低碳钢内部的电阻热明显多于下接触界面周围的电阻热；而当焊接通电持续到400 ms时，下接触界面以及下层DP780双相钢内部的电阻热多于上部的电阻热，说明焊接过程中电阻热的产生不仅与电场的分布有关，而且与钢板厚度及其种类有关.

图6 三层钢板之间的电场分布情况Fig.6 Electric field and current density distributions in weld-bonding of 3-sheet

图7 不同焊接时刻三层钢板胶焊的电阻热分布情况Fig.7 Heat generation distributions of weld-bonding of 3-sheet

2.3 熔核形成过程及实验验证

在胶焊过程中，胶层受到焊接压力的作用而发生了一定的流动，但由于胶层本身的黏滞性，使得受焊接压力排挤的胶层残留在钢板表面，改变了钢板之间的接触状态，进而影响焊接过程.图8所示为焊接初期(20 ms)三层钢板胶焊与点焊的温度场分布.可见，三层钢板胶焊的温度场主要分布在三层钢板之间的两个接触界面上，且比点焊的温度场更加集中、温度较高.这是由于受胶层的影响，钢板之间的接触电阻增大，在焊接初期，因焊接电流的作用而在接触界面上产生了更多的焦耳热，所以胶焊的温度更高、更集中.同时还可以看出，下接触界面的温度大于上接触界面的温度，这一现象同时存在于三层钢板胶焊与点焊的接头中.

图8 焊接初期(20 ms)三层钢板胶焊与点焊的温度场对比Fig.8 Comparison of temperature distributions at the welding time of 20 ms in weld-bonding and resistance spot welding

在焊接电流的持续作用下三层钢板接头的温度不断升高，直至达到钢材的熔点(约 1 500 ℃)，从而形成熔核.为准确描述三层钢板之间的两个接触界面周围的温度上升过程，图9示出了采用三层钢板胶焊与点焊时两个接触界面中心点的温度变化曲线.由图9可见，在胶焊过程中，两个接触界面中心点的温度上升速度比点焊过程中的温度上升速度快.其中，中心点2在胶焊200 ms时达到熔点，较其在点焊情况下提前了约40 ms，从而导致胶焊比点焊更早地形成熔核.这主要是由于胶层在通电初期改变了钢板间接触电阻、产生了更多电阻热的缘故.同时，熔核在DP600双相钢与DP780双相钢间接触面的形成时刻比在DC04低碳钢与DP600双相钢间接触面的形成时刻提前约80 ms.进一步比较可知，位于DP600双相钢与DP780双相钢接触面的中心点2的温度总是高于DC04与DP600接触面的中心点1的温度.这是由于DP780双相钢的电阻比

DC04低碳钢的电阻大，能够产生更多的焦耳热；同时，DP780双相钢钢板的厚度较大，使得下接触界面周围的热损失较少，从而有助于温度的上升.

图10所示为焊接通电时间为240 ms下三层钢板胶焊与点焊时熔核形成的初始状态图.由图10可知，对于厚度 0.8 mm DC04低碳钢+厚度 1.4 mm DP600双相钢+厚度 1.8 mm DP780双相钢的三层钢板接头，胶焊和点焊的熔核都从下接触界面(两层双相钢之间)开始形成，这主要得益于双相钢较大的电阻率及较厚的板材厚度.此外，在相同焊接时间下，胶焊的熔核尺寸比点焊的熔核尺寸大，这是由于胶焊熔核的形成时刻比相同条件下点焊熔核的形成时刻早的缘故.

三层钢板在电阻热的作用下会逐渐熔化，相应地熔核区将会不断扩大，直至焊接电流断路，最终形成三层钢板胶焊熔核.图11所示为有限元模型计算的三层钢板胶焊与点焊的熔核形态对比.可见，由于胶层引起的钢板间接触电阻的上升而使相同焊接参数下的胶焊熔核大于点焊熔核，其熔核直径的增幅约为8%.另一方面，三层钢板胶焊熔核尺寸在厚度方向存在明显的不对称性，即中层与下层钢板之间的连接尺寸明显大于上层与中层之间的连接尺寸.

图10 胶焊与点焊时熔核初始形成时刻的形态对比Fig.10 Comparison of the initial weld nugget in weld-bonding and resistance spot welding

焊点熔核的形态与最终尺寸决定了焊接质量.图12所示为有限元模型计算的三层钢板胶焊及点焊所形成的熔核形态与其实验结果对比.图中：右半部分为模拟计算结果，其中三层钢板中间的灰色区域为熔核区；左半部分为实际三层钢板经胶焊或点焊后的熔核金相显微照片，其中虚线为焊点熔核边界.可以看出，模型计算结果与实验结果基本相符，从而验证了本文所建模型的可靠性.

图11 三层钢板胶焊与点焊的最终熔核形态对比Fig.11 Comparison of the final weld nugget between the weld-bonding and resistance spot welding

图12 三层钢板胶焊与点焊的模型计算结果与实验结果对比Fig.12 Experimental validation of the finite element model in weld-bonding and resistance spot welding

3 结论

(1) 所提三层钢板胶焊熔核形成过程的有限元模型的计算结果与实验结果基本吻合，从而验证了其可靠性.

(2) 对于厚度 0.8 mm DC04低碳钢+厚度 1.4 mm DP600双相钢+厚度 1.8 mm DP780双相钢的三层钢板胶焊，胶层的存在会使相同电流下三层钢板胶焊熔核的形成时刻比无胶层的点焊熔核形成时刻提前约40 ms，最终形成的焊核直径增大了约8%.

(3) 对于厚度 0.8 mm DC04低碳钢+厚度 1.4 mm DP600双相钢+厚度 1.8 mm DP780双相钢的三层钢板胶焊，熔核在DP600双相钢与DP780双相钢间接触面的形成时刻比在DC04低碳钢与DP600双相钢间接触面的形成时刻提前约80 ms，这是造成三层钢板胶焊熔核尺寸在厚度方向明显不对称性的主要原因.