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通过三维数值模拟对单面薄板-管点焊的调查
Chris Valentin Nielsen， Azeddine Chergui， Wenqi Zhang
摘要：单面薄板-管焊缝三维数值的研究可以分析单面电阻点焊过程，在SORPASreg; 3D中进行有限元模拟，可以模拟两个级别电极压力和五种大小的焊接电流。现在正在讨论改变当前压力所产生的整体影响，而最重要的力是管内部的电极压力和熔体渗透潜力。电极压力是至关重要的,因为其大小是圆管一侧的面与管道另一面之间是否能焊接成形的关键。由于管道材料的热传导和管内部缺少一个电极，融熔体渗透潜力在冷却时间内通过管进行热传导，并导致管内表面冷却不良。
1、介绍
在密切关注重量和降低汽车制造成本的今天，当Shah 和Bruggemann 提出利用液压成形管做为车架的结构部分后，这种工艺变得普遍。相对传统冲压件，封闭的管状形状可以在更低的重量下提供足够的刚度 ，因此在汽车的设计中更具吸引力。然而Poss、Cho等人讨论提出，利用封闭的管状零件会提出新的挑战，例如装配过程等。考虑到生产成本、效率、多功能性和稳定性等因素，电阻点焊过程在汽车生产线中是首选。当使用点焊将金属板材焊接成封闭的管状组件时，是不能将焊条熔敷金属过渡到各个面的焊点中的。因此,单面点焊是为了方便利用焊接凸缘或板的管状结构的。
在单面点焊时,主电极需要从表面实施应用焊接力并且供应焊接电流，当辅助电极被引进另一个提供电气连接管结构的有效区域中时，意味着电流从焊缝区域流向辅助电极并生成温和的热量。在一些情况下,为图方便，辅助电极可能在不同的位置使用，比如将其放在管的另一面,而在其他情况下，将它放在同一面的管作为主要的电极会更为方便。
Cho等人提出，优先选择的焊接技术是单面点焊。电弧焊会诱发更大的热变形并产生质量控制问题,而激光焊接价格比较昂贵。当使用这两个替代单面点焊时，一旦板和管之间产生缝隙，没有作用力连接两部分材料，将会面临一些问题。
目前，单管与方形或圆柱管的截面组合的单面点焊实验有大量的分析成果。鲁道夫的工作重点是彻底的调查不同的焊接参数,焊接位置,板和管厚度比率,电极形状，并分析方、圆截面管的热生成、联系发展和变形。不同作者被报道的实验调查的共同点是：较差的可焊性。电极压力是获得适当的焊接的关键点。如果电极压力太低，板材和电极间可能产生飞溅，而如果电极压力太大，由于内管缺乏支持，很容易产生较大的压痕。因此局部和整体变形主要取决于管的刚度，而软化的程度则取决于温度。大型压痕会导致管内或板材环形焊缝聚拢和裂缝。
基于有限元数值模拟的建模适合进一步理解和改进过程实验的协助调查。鲁道夫提出了在SORPAS上进行数值模拟，这是致力于电阻焊的仿真和优化。当时，SORPAS只有在二维轴对称上或者进行块建模。鲁道夫的工作得出块模型并不适用于这种几何，而轴对称模型能够提供关于过程的有用信息。 Liang 等人说，尽管模拟建模时轴对称的圆柱管实际上只是球，但基于ANSYS数值分析，它是轴对称建模的简化版。
在深入了解的过程中,寻求进一步理解的细节只能在3 D模型中模拟,模型包括真正的几何学、促进接触的仿真开发、电流密度和三维热显影。包括辅助电极的位置变化引起的不对称电流、热发电和软化等典型不对称现象。
最新研究产生的新的有限元计算机程序SORPASreg; 3D，专门用于三维空间中电阻焊模拟。本文提出的SORPASreg; 3D单面点焊过程模拟应用于模拟从理论到实际生产的实验装置进行薄板-管拼接。这个过程只能由3 d效果模拟来模拟再现。
分析薄板-管点焊是SORPASreg; 3D的一个适用性例子，而由于可用性的原因，许多其他电阻焊在相同情况下有待进一步研究。电极失调、分流效果和焊接靠近边缘是包含3D效果的点焊的例子。由于各种几何图形,凸焊在本质上与三维分析相关，而在很多可能的几何图形，四方形、六边形和网格形是典型的例子。
2、数值模拟
当SORPASreg;开发成三维形变场引擎与I-Form3共享的框架，数值模拟将在新的执行计算机程序SORPASreg; 3D中进，这是一种形变场形成程序。SORPASreg; 3D目前阶段为beta版本，作为一个完整的独立的项目，它包括图形界面、六面体元素的啮合设施和除了核心有限元模块的并行信息处理技术。
2.1耦合电-热-机械有限元公式
核心模块为一个耦合电-热-机械有限元程序。力学模型负责变形和应力分布,而电气模型负责电流密度的分布引起的热代焦耳热。温度分布和材料特性的变化在温度热模型中得到解决。
该力学模型基于不可约流公式,在弱式适合有限元法可以表示如下：
delta;表示在速度场允许任意变化的量，Pi;是系统能率，V是域面积S是表面积， 是有效应力，是等效应变速率。第二项是服从体积恒定不变的可塑性制定惩罚的体积应变率 ，大量正常数K。第三项是最终表面牵引 ti ，表面速度 ui 。最后,第四项是服从机械接触对象(工件、电极等)的不正常速度差异gc 接触对c(否则导致渗透)大量正常数P 。一对触点由一面的一个结点和另一边的一个结点(见接触实现的细节)组成。
热模型温度场T是：
导热系数k ，质量密度rho;和比热容c。热沉积是发热的电气模型基于电阻和电流密度(平方)的按照电阻加热的环节。电流密度场可以从潜在的梯度 Phi; 的电气模型，通过：
其形成固定的一部分是一样的，因为瞬态的那部分电场可以忽略温度场的瞬态响应。
接触电阻，是电阻焊建模至关重要的一部分。在一定温度下，不同的材料强度、接触压力、电气性能包括限制电流和氧化物、油、薄膜表面污染等都会影响其大小。
2.2.弹性的影响
不可约流公式是一个适合大量塑料变形的刚塑性公式。它最初的形式是，更少变形的区域(应变速率低于某个值时）被视为刚性区域。在许多电阻焊接模拟中，因为只模拟焊缝周围的局部区域，这种假设是合理的。然而，在当下研究薄板-管点焊，管的整体变形比局部变形更重要，因此需要大量的数据建模。这意味着弹性效应与本研究相关，因为整体管的变形是弹性的。
弹性效应纳入流动公式是基于Mori等人所提出的观点和 SORPASreg; 3D所表现出的细节。在实际上所有元素都初始化为弹性本构定律后的元素，直到产生弹性。附近的屈服应力，元素变成了弹塑性元素最后变成了刚塑性元素，下面的方程(1)为应力超过屈服应力。焊接区周围的地区将建立与刚塑性的元素，管中绝大部分的元素将是弹塑性的，并且两部分材料通过弹塑性力相连接。
2.3 材料特性
SORPASreg; 3D与2 D版的SORPASreg;分享材料数据库。已经包括对大多数典型的钢和其他金属电阻焊的所有相关材料特性。
3.焊接安装
图1提供了一个实验性单面薄板-管焊接安装的例子。当板被从顶部通过作用力和当前主要的电极焊接时，管则放置在V形支架上。一个包含铜叶片的灵活的辅助电极可以被任意定位在管上，并通过机械的灵活性保证保持良好的电气连接。
Sun和Wang建议可以用伺服枪控制主电极，如此就可以在焊接过程中提供一个不同的电极。从而有可能在早期阶段施加一个较大的电极压力，以确保在板和管之间有一个良好的接触，并且在后期提供较小电极压力时避免由于板和管没有支撑而软化造成的严重压缩。
图2显示了一个通过点焊获得实验设置的例子。图2a中的剖面显示了在板上的主电极的压缩和相应的局部变形的管。图2 b显示了当把板从管上切除时的样子，这表现了一个充分发育的点焊熔核。
4、仿真设置
单面薄板-管点焊的分析为数值模拟实例。示例包括内径52mm、外径55mm的DP600钢管，可知壁厚为1.5mm。板材使用DX54钢所制，很厚。主电极建模原型为轮缘直径Phi;5.5mm的Phi;16mm F1-type，并且辅助电极做为建模原型放置在距离主电极中心轴40mm的地方。
如图3a所示的是一段被切下的用来分析的管，而内平面也被分析。zx面是一个纯粹的对称平面，除非样本存在缺陷或失调。yz平面更值得商榷，因为一面上只有一个二级电极(见图1)。如果这个不对称很明显，那么yz平面不能被视为对称平面。然而，在目前的分析中，这种效应被忽略了，却把关注点放在起源于板和管之间的交线的接触发展和热发展上了。因此，yz平面也被视为对称平面，并且当利用两个对称平面时，图3 b所示的有限元网格已经建立。第三个平面可以被当作一个对称面，也就是说，第三平面平行于将管分成两半的板。仿真模拟经验表明，由于局部变形传到管，变形场违反了这一对称条件。
图3 b显示了除两个提到的对称平面之外的三个面提供的边界条件。顶部和底部工具则是支撑在管底部的从电极到支架的连接物。第三个工具是为了模拟的辅助面，而用一个高效和简单的方法专门设计的。它被指定为对模拟没有机械影响的导电连接。由于辅助电极由薄铜叶片(参见图1)组成，它将模拟良好的接触条件。辅助电极造成管的偏转可以忽略。
图3 b所示的放大的图显示了板两面薄层元素的仿真，尤其是接触电阻。
图4展示了物体的每一个网格，以此来表现允许没有大量的元素的合理离散化的网格的详细信息。图4所示的是一个放大的焊点周围的网格。网格的精确度足够模拟该区域所需的梯度。除了网格细化，原理是一致的，所以他们遵循焊接区的整体形状，特别是被环形电极头所界定的接触区。环状排列确保场变量的平滑，否则需要很多更多的元素。
图4 b中的钢板网格遵循相同的条件。图4 c中，电极网格是包含在内的，也利用了网格细化。图3b所示的被放大两个接口，不是网状独立的，因为他们是在识别相关的表面和板层厚度的规范后，自动添加到SORPASreg; 3D 中的。
当加工时间保持连续，两个阶段的力和五倍目前水平的力互相组合时，十种不同的焊接条件形成的焊缝就可以分析焊接过程。图5显示了力和电流的曲线。在提供电流之前，把力提高到1.5kN或1.8 kN。当前电流需要从60 ms保持4 、5、6、7或8 kA以上，然后另外电流保持140 ms不变。当电流上升时，力是恒定的，然后在30ms内降到 1.2 kN或1.5kN。之后，力保持一定直到时间结束。
主电极的电极压力被认为是由焊枪控制的，所以 ，Sun和Wang建议，在焊接中，可以使用两个等级的电压，并且直流电流分布被假定有使用上升趋势的可能性。在焊接的早期阶段,为了确保一个成熟的接触区域达到当前水平，更高水平的力，连同上升趋势的电流都被制定要求。在焊接后期，应用力降低，以减少由于管内没有支撑而软化所引起的局部变形。
5、结果与讨论
图6中模拟了十个不同的焊缝参数，在焊接结束时出现的峰值温度，即在图5中电流被切断的260ms的处理时间内。图6中的每幅图片都显示了生成的峰值温度场，看起来类似于图3b，并且他们是有组织的,左边的包含力在较低等级时的焊缝表现(见图5)，右列包含力在较高等级时的焊缝表现。由图左侧可以看出，每一行对应一个级别的电流。
两种力的等级很明显，点焊熔核尺寸随电流增加而增加，并最终融化并穿透管。当准备推迟在7kA到8kA的电流时增加力的等级时，在力等级较低的情况下，这一点已经在电流为6 kA到7 kA之间时发生。我们必须提前论证，也有必要检查融穿管随后的冷却时间，因为管内缺乏一个电极会导致管内冷却较慢。
图6显示，同等焊接条件下，高等级的力下形成的熔核小于低等级的力形成的熔核，可以预料到，拥有更大面积和更良好的接触，那么电压就越高。更大的压缩和局部变形可以视为压力过大的结果，但是这部分由较小热量产生的少量软化得到补偿。因此，如图5所示，当压力从小变大时，增加压缩和局部变形不是问题。然而，这个结果与压力的增加幅度密切相关(早期20%和后期25%)。
由图6可知，最近研究中，由于接触面积较大，施加高压相比于低压获得的焊接接头质量更好。图7证实了这个观点，在6kA电流的情况下呈现出成熟的点焊熔核。由于在开始阶段电极压力较低，接触面积较小（图7a），发热更强烈，点焊熔核的高度和渗透到管内的风险比电极压力较高时更大（图7b）。在以后的阶段，由于管的弯曲，小接触面积与大一些的点焊熔核结合增加了薄板和管的缺口处产生飞溅的风险。图7中的两种情况中表示，为了避免飞溅，固体承载区应该要包围着液体。比较得知，在较低的电极压力（图7a时），当接触面积小的时候点焊熔核更大，焊接时更易产生飞溅。
由图6f和7b知，点焊薄板和管使用高的电极压力和6kA的电流可以保证充分的接触面积，避免飞溅，从而形成形态尺寸较好的点焊熔核。然而，考虑点焊焊点的冷却是很有必要的，冷却时间确保了在电极压力释放和电极移动之前焊点凝固并得到足够的强度。由于高导热率，电极吸收了大部分的热量然后引走。然而，单面点焊中管的内部没有电极，因此在此处冷却不良。图8描绘了在6kA的焊接电流和较高电极压力的情况下，冷却时间内的冷却过程。温度场的走向始于焊接结束终于冷却结束的30ms内。
温度场的走向表明整体温度自然降低，但也表明了由于管的热传导和管内部表面的冷却不良而导致的热度初步穿透了管厚。第三温度场，对应于6
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