不锈钢单面双点焊数值模拟研究

【摘要】现阶段我国普遍采用电阻点焊工艺生产制造轨道客车不锈钢车体，由于电阻点焊形核过程不易观测、焊接时间短以及焊接过程涉及电场、热场、力场三场耦合的交互作用，人们对熔核的形成过程一直缺少完备的理论知识。采用数值模拟方法对电阻点焊过程进行模拟，可以对点焊过程的各影响因素进行模拟和分析，对提高点焊接头质量具有重要的理论指导意义,是电阻点焊的重要研究方法。目前关于电阻点焊的数值模拟多数只限于双面单点焊，对单面双点焊的研究很少，而后者以其高的生产效率在实际生产中应用越来越广泛，因此有必要对单面双点焊过程进行数值模拟分析。本文以2mm厚的304不锈钢单面双点焊过程为研究对象，以大型通用有限元软件ANSYS为平台，采用电流双脉冲规范对球形电极条件下单面双点焊的温度场和应力应变场进行模拟，分析熔核形成过程及焊接区温度场及应力应变场分布特点，并通过试验测量了相同规范参数条件下不锈钢单面双点焊的熔核尺寸，验证了建立的单面双点焊模型的合理性。电阻点焊的预压阶段决定了初始的导电接触面积，本文首先建立了球形电极条件下不锈钢单面双点焊预压数值分析模型，得到预压结束时的应力应变场以及各接触面的接触情况。通过分析得到：各接触面附近的轴向应力均为压应力，最大值位于电极与工件的接触面中心区域，径向坐标越大，接触面的轴向应力越小。电极-工件接触边缘附近轴向应力下降速度较快，工件-工件轴向应力值变化均匀；且工件-工件间的接触半径明显比电极-工件间的接触半径大。并比较了不同电极压力，不同球面半径对接触面接触压力及接触面积的影响。基于预压结束时获得的各接触面接触情况，模拟不锈钢单面双点焊通电加热阶段。采用生死单元技术对接触单元及非接触单元进行处理，并将各接触单元的接触电阻设置为随温度变化的函数。电阻点焊通电加热阶段,在热和力的共同作用下,两工件之间熔化形成熔核。本文通过建立两个有限元模型，热电耦合模型（用于模拟点焊过程的温度场）和热力耦合模型（用于模拟点焊过程的应力应变场），采用顺序耦合法,将一个模型分析的结果作为另一个模型分析的载荷以达到两个物理场之间耦合的目的。得到电阻点焊通电加热过程中的温度场分布，探讨了熔核的形成及生长过程，并获得了熔核的尺寸和形状。分析了因电极和铜台散热不同及单面双点焊分流造成熔核向上工件一侧偏移的结果。模拟结果表明：通电加热结束时，工件-工件接触面上的压应力达到最小，熔核区内部发生轴向压缩变形，向外轴向塑性变形逐渐由压缩变形过渡到拉伸变形，最终在工件表面形成塑性金属环。维持阶段，熔核在冷却水和电极及工件表面散热作用下，快速凝固结晶，保持椭球形收缩状态；卸载冷却结束时，等温线由椭球形变为方形，最终成为垂直于径向的平行线，且分布稀疏。
【作者】于广凤；
【导师】徐国成；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】单面双点焊；不锈钢；球形电极；数值模拟；

【参考文献】
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