金屬墊片輔助薄鋼板電阻點(diǎn)焊?jìng)鳠嵝袨檠芯考肮に噧?yōu)化.pdf

1、面對(duì)全球范圍內(nèi)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境壓力，作為能源消耗和二氧化碳排放大戶的汽車工業(yè)，加快推進(jìn)車身輕量化實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排已成為當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題。隨著目前車身用鋼板強(qiáng)度等級(jí)的不斷提高，汽車制造企業(yè)正在研究進(jìn)一步降低車身外覆蓋件薄板厚度的可行性，預(yù)計(jì)未來的車身薄板厚度可以減薄至0.5 mm以下。電阻點(diǎn)焊作為車身裝配的首選焊接工藝方法，在連接0.5 mm以下厚度薄板時(shí)，焊接區(qū)域的生熱/散熱模式將發(fā)生改變，出現(xiàn)熔核增長(zhǎng)停滯，熔核分層及電極

2、端面溫度過高等問題，降低電阻點(diǎn)焊過程穩(wěn)健性，制約0.5 mm以下薄板在未來車身制造中的應(yīng)用。
　　為此，本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，在銅電極與薄鋼板之間插入一層具有不同于銅/鋼材料屬性的金屬墊片，形成銅電極-金屬墊片-鋼板-鋼板-金屬墊片-銅電極的金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊裝配形式，旨在通過金屬墊片來調(diào)整焊接過程中的生熱、散熱以及溫度分布，從而達(dá)到提高焊接質(zhì)量，降低電極端面溫度的目的。針對(duì)這一目標(biāo)，本文開展的具體工作包括：建立金屬墊片輔

3、助電阻點(diǎn)焊過程的熱流平衡分析模型和電熱力多場(chǎng)耦合有限元模型，分析不同接觸界面間的溫度場(chǎng)變化規(guī)律以及鋼板間熔核形成過程，揭示墊片對(duì)焊接過程傳熱行為及溫度分布的影響機(jī)制?；跍囟葓?chǎng)變化規(guī)律，研究墊片幾何/材料屬性對(duì)墊片/電極端面之間的合金化反應(yīng)及金屬間化合物生成的影響，確定銅電極-金屬墊片界面間溫度場(chǎng)變化對(duì)微觀相變的影響。在此基礎(chǔ)上建立考慮金屬墊片屬性、鋼板屬性及焊接參數(shù)與熔核尺寸、不同接觸界面溫度之間的響應(yīng)面模型，確定最優(yōu)的金屬墊片幾何/

4、材料屬性。具體結(jié)果如下：
　　1)金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊工藝及實(shí)驗(yàn)研究
　　建立了金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)系統(tǒng)，以0.4 mm薄鋼板為對(duì)象，并在此設(shè)備平臺(tái)之上開展了金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，從焊點(diǎn)質(zhì)量以及電極磨損兩方面研究金屬墊片對(duì)提升焊接質(zhì)量的效果。結(jié)果表明，傳統(tǒng)點(diǎn)焊連接薄鋼板時(shí)，在焊接過程后程熔核增長(zhǎng)停滯，并出現(xiàn)熔核分層的現(xiàn)象；電極使用壽命僅500點(diǎn)，約為傳統(tǒng)規(guī)格鋼板的三分之一。在0.10mm AISI304不銹鋼墊片輔助

5、下，點(diǎn)焊熔核尺寸增大約20％，并消除了熔核分層的現(xiàn)象。在電極磨損方面，電極壽命延長(zhǎng)至2000點(diǎn)以上，電極端面合金層厚度降低，其成分由無墊片時(shí)85%Fe，12.5%Cu以及少量Zn，變?yōu)?8%Cu，6%Fe以及6%Ni。
　　2)金屬墊片對(duì)焊接過程傳熱行為及溫度分布的影響機(jī)制
　　建立了金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊過程的熱平衡分析模型和有限元模型，分析了金屬墊片作用下熔核形成過程及溫度分布規(guī)律。結(jié)果表明，金屬墊片的引入能夠促進(jìn)焊接過程

6、中的生熱，因此能扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)薄鋼板點(diǎn)焊過程中焊接區(qū)域溫度先升后降的變化趨勢(shì)，從而消除熔核分層，增大熔核尺寸。同時(shí)金屬墊片能起到電極端面與焊件間熱阻的作用，從而有效降低電極端面溫度。金屬墊片的作用效果取決于其電阻率、熱導(dǎo)率及厚度。熔核尺寸隨金屬墊片電阻率和厚度而增長(zhǎng)；電極端面溫度隨金屬墊片電阻率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)。
　　3)金屬墊片作用下電極端面合金化反應(yīng)規(guī)律
　　借助實(shí)驗(yàn)分析手段，通過對(duì)磨損后電極的宏觀形態(tài)與電極頭部再結(jié)

7、晶以及端面合金化反應(yīng)層的微觀分析，從冶金學(xué)角度探索了金屬墊片電熱屬性、幾何特征等對(duì)電極端面合金化反應(yīng)過程及其特點(diǎn)，揭示金屬墊片作用下電極端面合金化反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明，隨著金屬墊片材料電阻率的升高，電極端面合金化反應(yīng)程度有所降低。金屬墊片厚度的增長(zhǎng)會(huì)加劇電極磨損的程度。從合金元素角度考慮，鐵、鋅元素與銅電極形成的固溶體或合金化合物會(huì)劣化電極電熱性能，因此金屬墊片材料優(yōu)選銅鎳合金材料。
　　4)基于響應(yīng)面法的金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊工藝優(yōu)

8、化
　　基于上述研究結(jié)果，結(jié)合均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面法建立考慮板材屬性、焊接參數(shù)、金屬墊片屬性與熔核直徑、各接觸界面溫度、電極端面溫度等之間的數(shù)學(xué)回歸模型，結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化理論，獲得最優(yōu)金屬墊片屬性，實(shí)現(xiàn)金屬墊片輔助電阻點(diǎn)焊工藝優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)本文中所使用的0.4mm DC51D+Z鍍鋅鋼板，選用0.12 mm厚牌號(hào)Cu55Ni45的銅鎳合金材料作為金屬墊片，能夠獲得最優(yōu)的焊接質(zhì)量和最低的電極端面溫度。該結(jié)果也進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)得到了