電阻點(diǎn)焊形核基礎(chǔ)問(wèn)題及焊點(diǎn)質(zhì)量強(qiáng)化研究.pdf

1、電阻點(diǎn)焊因其在焊接過(guò)程中能量集中、變形小、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于航空航天、車(chē)輛制造、電子、交通等工業(yè)部門(mén)。然而,電阻點(diǎn)焊又是一個(gè)電、熱、力、磁、流、冶金等多因素耦合的復(fù)雜過(guò)程,同時(shí)其形核過(guò)程具有不可見(jiàn)性和瞬時(shí)性,因此很容易導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量波動(dòng)大。因此,揭示點(diǎn)焊形核機(jī)理和探索焊點(diǎn)質(zhì)量強(qiáng)化新方法就成為了電阻點(diǎn)焊研究領(lǐng)域中熱點(diǎn)。
　　本文分為兩部分,分別就點(diǎn)焊形核機(jī)理和焊點(diǎn)質(zhì)量強(qiáng)化新方法進(jìn)行了研究。第一部分針

2、對(duì)電阻點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程中涉及到的幾個(gè)尚未解決的基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行研究:
　　(1)電阻點(diǎn)焊電極/工件界面的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱的反演計(jì)算
　　鑒于電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電極/工件接觸面的接觸電阻及接觸換熱系數(shù)的重要性,并針對(duì)目前相關(guān)研究中的不足,本文建立了二維軸對(duì)稱(chēng)點(diǎn)焊?jìng)鳠岱囱菽Ｐ?利用傳熱反問(wèn)題方法計(jì)算了電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電極/工件接觸面的接觸產(chǎn)熱和接觸換熱系數(shù)。研究結(jié)果表明,鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程,電極/工件接觸面的接觸換熱系數(shù)大致在106

3、 W·m-2·K-1數(shù)量級(jí);低碳鋼點(diǎn)焊過(guò)程中,電極/工件之間的接觸換熱系數(shù)大致在105 W·m-2·K-1數(shù)量級(jí)。銅/鋼之間的接觸換熱系數(shù)在電極/工件接觸面上的分布比銅/鋁的分布更加均勻。鋁合金電阻點(diǎn)焊中,電極/工件的接觸產(chǎn)熱大致在1012 W·m-3數(shù)量級(jí);低碳鋼點(diǎn)焊其電極/工件的接觸產(chǎn)熱大致在1011 W·m-3數(shù)量級(jí),均高于相應(yīng)的體電阻產(chǎn)熱。因此在點(diǎn)焊熔核長(zhǎng)大的過(guò)程中,不能忽略電極/工件接觸產(chǎn)熱的作用。在整個(gè)點(diǎn)焊過(guò)程中,位于電極/

4、工件接觸邊緣處的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率均大于電極/工件接觸面內(nèi)側(cè)的接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率。隨著焊接時(shí)間的增加,接觸換熱系數(shù)和接觸產(chǎn)熱率都趨于一個(gè)較穩(wěn)定的值。
　　(2)電阻點(diǎn)焊熔核受到的磁場(chǎng)力
　　首次研究了點(diǎn)焊過(guò)程中鐵磁性工件磁化產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)對(duì)點(diǎn)焊熔核的影響。利用高速攝影直接觀察了工件磁化對(duì)液態(tài)熔核流動(dòng)的作用,并根據(jù)磁化理論計(jì)算了工件磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。結(jié)果表明工件的磁化使得熔核變得更厚。同時(shí),磁化磁場(chǎng)的強(qiáng)度與焊接電流的

5、感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在同一數(shù)量級(jí)(10-1 T)。這表明工件磁化引起的磁化磁場(chǎng)也是熔核受到磁場(chǎng)力的一個(gè)重要來(lái)源。在研究點(diǎn)焊熔核物理過(guò)程尤其是熔核內(nèi)部流體流動(dòng)時(shí),磁化磁場(chǎng)不能被忽略。
　　(3)電阻點(diǎn)焊熔核流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究
　　首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究電阻點(diǎn)焊液態(tài)熔核的流體流動(dòng)。文章選取了鈦粉、鐵粉、銅箔、氧化鋁粉、氧化鋯粉和碳化鎢顆粒作為介質(zhì),添加到點(diǎn)焊熔核中,觀察它們的流動(dòng)模式,推測(cè)點(diǎn)焊液態(tài)熔核中的流體流動(dòng)。結(jié)果表明當(dāng)采用顆粒質(zhì)量小于0

6、.3μg的介質(zhì)粉末時(shí),由于其質(zhì)量過(guò)小,導(dǎo)致介質(zhì)粉末總能在“第一時(shí)間”到達(dá)熔核邊緣,從而無(wú)法觀察到點(diǎn)焊液態(tài)熔核的流動(dòng)模式,只能得到點(diǎn)焊液態(tài)熔核的大致流速。對(duì)于鋁合金點(diǎn)焊,其流速至少為27 mm·s-1,遠(yuǎn)大于單純考慮重力下流速的計(jì)算值,說(shuō)明電磁力對(duì)鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程具有重要影響。對(duì)于低碳鋼點(diǎn)焊,其流速至少為15 mm·s-1。在鋁合金和低碳鋼的點(diǎn)焊中,液態(tài)熔核的環(huán)向流動(dòng)都很弱,大致在1 mm·s-1的量級(jí),這與點(diǎn)焊液態(tài)熔核的受力情況相一致。研

7、究還指出添加介質(zhì)的質(zhì)量與形狀對(duì)流場(chǎng)的成功觀察具有重要影響,有待進(jìn)一步研究。
　　通過(guò)上述研究為電阻點(diǎn)焊數(shù)值模擬提供更準(zhǔn)確的原始的理論依據(jù),提高電阻點(diǎn)焊數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,加深對(duì)電阻點(diǎn)焊形核機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
　　第二部分針對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊熔核質(zhì)量不穩(wěn)定,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段首次對(duì)外加磁場(chǎng)作用下鋁合金電阻點(diǎn)焊的焊接質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)分析,包括接頭尺寸、力學(xué)性能、相變冶金、斷口分析等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外加磁場(chǎng)全面增加了焊點(diǎn)熔核的直徑、提高了點(diǎn)焊接頭的剪

8、切拉伸強(qiáng)度和吸收能。在不同工藝參數(shù)下,熔核直徑增長(zhǎng)在10％~25%,剪切強(qiáng)度可提高10~30%。在一些焊接參數(shù)下,外加磁場(chǎng)可以降低焊接電流、減短焊接時(shí)間,從而提高焊接效率、降低能耗和延長(zhǎng)電極頭壽命。外加磁場(chǎng)引起的電磁攪拌使得熔核內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)分布更加均勻,從而促使了點(diǎn)焊熔核內(nèi)柱狀晶和等軸晶的生成。研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接電流很小或很大、焊接時(shí)間很短或很長(zhǎng)時(shí),都會(huì)降低外加磁場(chǎng)的效應(yīng)。因此當(dāng)對(duì)點(diǎn)焊施加外磁場(chǎng)時(shí),應(yīng)在合理的工藝參數(shù)下進(jìn)行,以最大限度地