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電阻焊近來(lái)發(fā)展
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作者:ryweld
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發(fā)布時(shí)間: 2017-08-09
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近年來(lái)隨著汽車(chē)車(chē)輛、航空航天、建筑、運(yùn)輸以及輕工家電等工業(yè)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品在其材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域上不斷更新和發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量要求不斷提高，作為這些工業(yè)產(chǎn)品制造中的一種廣泛使用的材料加工工藝——電阻焊也受到了很大的挑戰(zhàn)。
近年來(lái)隨著汽車(chē)車(chē)輛、航空航天、建筑、運(yùn)輸以及輕工家電等工業(yè)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品在其材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域上不斷更新和發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量要求不斷提高，作為這些工業(yè)產(chǎn)品制造中的一種廣泛使用的材料加工工藝——電阻焊也受到了很大的挑戰(zhàn)。
由于電阻焊過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時(shí)間、電極端面形狀及尺寸、分流、焊點(diǎn)離邊緣的距離、板厚、工件表面狀態(tài)等，而且這些因素之間互相聯(lián)系，有一定的交互作用。同時(shí)，加之焊接過(guò)程中熔核的不可見(jiàn)性及焊接過(guò)程進(jìn)行的瞬時(shí)性，給焊接質(zhì)量控制帶來(lái)較大的困難。為了適應(yīng)新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的需要，以使電阻焊工藝及設(shè)備能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，近十年來(lái)，各國(guó)焊接界在電阻焊工藝和設(shè)備控制方面做了大量的工作，主要集中在以下幾方面： 1）電阻焊過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究
2）新型材料的可焊性研究
3）電阻焊質(zhì)量監(jiān)控方法研究
電阻焊過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究
電阻焊是一個(gè)牽涉到電學(xué)、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程，其中包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力與變形等。要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統(tǒng)的電阻焊工藝及參數(shù)制定方法是通過(guò)一系列工藝試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。然而從發(fā)展來(lái)看，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法將起越來(lái)越重要的作用。例如，用新的高強(qiáng)鋼等材料制造新的工程結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于一些航空航天重要結(jié)構(gòu)，沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)可以憑借，如果只依靠實(shí)驗(yàn)方法積累數(shù)據(jù)要花很長(zhǎng)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，而且任何嘗試和失敗，都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。此時(shí)數(shù)值方法將發(fā)揮其獨(dú)特的能力和優(yōu)點(diǎn)。只要通過(guò)少量驗(yàn)證試驗(yàn)證明數(shù)值方法在處理某一問(wèn)題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，而不必在車(chē)間和實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作。這就大大節(jié)約了人力、物力和時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。一旦各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬，我們就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料時(shí)的最佳設(shè)計(jì)、最佳工藝方法和焊接參數(shù)。此外，數(shù)值模擬還廣泛地用于分析點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度和性能等方面。
由于電阻點(diǎn)焊熔核形成的不可見(jiàn)性，對(duì)其試驗(yàn)觀測(cè)相當(dāng)困難，理論模型的建立對(duì)它的分析研究具有重要價(jià)值。自1984年Nied建立的最初有限元點(diǎn)焊分析模型開(kāi)始，至今已有不少點(diǎn)焊的有限元模型出現(xiàn)，并為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
隨著有限元數(shù)值模擬方法在電阻焊研究領(lǐng)域的深入應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)際上在此領(lǐng)域上的研究主要集中在以下三方面：
1 采用電－熱－力耦合有限元模擬方法
電阻點(diǎn)焊過(guò)程是一個(gè)存在電、熱、力學(xué)和冶金現(xiàn)象相互作用的復(fù)雜過(guò)程，這一過(guò)程包括電場(chǎng)問(wèn)題、熱傳導(dǎo)問(wèn)題和熱彈塑性變形問(wèn)題，所以必須考慮所有這些問(wèn)題的相互作用和耦合效應(yīng)，有壓力引起的工件——電極以及工件——工件界面之間的接觸狀態(tài)的變化，以及熱變形在這些相互作用中起重要的影響，嚴(yán)格的說(shuō)求解這樣的耦合問(wèn)題，應(yīng)該同時(shí)求解電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)。因此，近年來(lái)對(duì)于電阻點(diǎn)焊的有限元分析從原先互相孤立的電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)分析逐步發(fā)展為電－熱－力耦合分析，例如：美國(guó)學(xué)者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點(diǎn)焊過(guò)程熔核生長(zhǎng)及熱分布，研究了帶有中間過(guò)渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點(diǎn)焊，模擬結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該模型可用于電極選擇階段，以減小焊接變形和改善焊接質(zhì)量；韓國(guó)學(xué)者Cha，B.W.通過(guò)對(duì)304不銹鋼電阻點(diǎn)焊過(guò)程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應(yīng)力以及影響殘余應(yīng)力的點(diǎn)焊參數(shù)；Feng,Z.等學(xué)者開(kāi)發(fā)了一種用以模擬電阻點(diǎn)焊過(guò)程和性能的集成模型，它將點(diǎn)焊中的基本物理現(xiàn)象和載荷條件結(jié)合起來(lái)，這種方法由工藝模型、微觀模型及結(jié)構(gòu)模型三部分組成，它可以綜合評(píng)價(jià)在電－熱－力作用下的點(diǎn)焊接頭性能；日本學(xué)者De,A在鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型，預(yù)測(cè)了在不同焊接電流、焊接時(shí)間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經(jīng)驗(yàn)證：這種模型對(duì)于離線檢測(cè)焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)尺寸的影響非常有用。
2 計(jì)算機(jī)模擬的精確性分析
隨著計(jì)算機(jī)模擬方法在電阻焊過(guò)程研究中的應(yīng)用日趨廣泛，為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)它用于工業(yè)生產(chǎn)中，必須考慮這種模擬方法的誤差有多大？如何提高數(shù)值模擬的精度，使其得出的結(jié)果更接近于實(shí)際焊接情況。近來(lái)，有些國(guó)外學(xué)者就此方面作了專門(mén)的研究，例如：美國(guó)學(xué)者Cavendish,James C.在文章中提到：對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬模型評(píng)估的一個(gè)重要問(wèn)題是判斷它是否足夠精確，通常人們用貝葉斯定理統(tǒng)計(jì)策略來(lái)分析模擬計(jì)算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大的情況下，統(tǒng)計(jì)分析變得相當(dāng)困難。Hasselman,Timothy等學(xué)者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程，計(jì)算熔核尺寸和表面壓痕時(shí)，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過(guò)對(duì)熔核尺寸和壓痕統(tǒng)計(jì)的線性均方差得到有限元的預(yù)測(cè)精度。
由于電阻焊過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時(shí)間、電極端面形狀及尺寸、分流、焊點(diǎn)離邊緣的距離、板厚、工件表面狀態(tài)等，而且這些因素之間互相聯(lián)系，有一定的交互作用。同時(shí)，加之焊接過(guò)程中熔核的不可見(jiàn)性及焊接過(guò)程進(jìn)行的瞬時(shí)性，給焊接質(zhì)量控制帶來(lái)較大的困難。為了適應(yīng)新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的需要，以使電阻焊工藝及設(shè)備能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，近十年來(lái)，各國(guó)焊接界在電阻焊工藝和設(shè)備控制方面做了大量的工作，主要集中在以下幾方面： 1）電阻焊過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究
2）新型材料的可焊性研究
3）電阻焊質(zhì)量監(jiān)控方法研究
電阻焊過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究
電阻焊是一個(gè)牽涉到電學(xué)、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程，其中包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力與變形等。要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統(tǒng)的電阻焊工藝及參數(shù)制定方法是通過(guò)一系列工藝試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。然而從發(fā)展來(lái)看，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法將起越來(lái)越重要的作用。例如，用新的高強(qiáng)鋼等材料制造新的工程結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于一些航空航天重要結(jié)構(gòu)，沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)可以憑借，如果只依靠實(shí)驗(yàn)方法積累數(shù)據(jù)要花很長(zhǎng)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，而且任何嘗試和失敗，都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失。此時(shí)數(shù)值方法將發(fā)揮其獨(dú)特的能力和優(yōu)點(diǎn)。只要通過(guò)少量驗(yàn)證試驗(yàn)證明數(shù)值方法在處理某一問(wèn)題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，而不必在車(chē)間和實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作。這就大大節(jié)約了人力、物力和時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。一旦各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬，我們就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料時(shí)的最佳設(shè)計(jì)、最佳工藝方法和焊接參數(shù)。此外，數(shù)值模擬還廣泛地用于分析點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度和性能等方面。
由于電阻點(diǎn)焊熔核形成的不可見(jiàn)性，對(duì)其試驗(yàn)觀測(cè)相當(dāng)困難，理論模型的建立對(duì)它的分析研究具有重要價(jià)值。自1984年Nied建立的最初有限元點(diǎn)焊分析模型開(kāi)始，至今已有不少點(diǎn)焊的有限元模型出現(xiàn)，并為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
隨著有限元數(shù)值模擬方法在電阻焊研究領(lǐng)域的深入應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)際上在此領(lǐng)域上的研究主要集中在以下三方面：
1 采用電－熱－力耦合有限元模擬方法
電阻點(diǎn)焊過(guò)程是一個(gè)存在電、熱、力學(xué)和冶金現(xiàn)象相互作用的復(fù)雜過(guò)程，這一過(guò)程包括電場(chǎng)問(wèn)題、熱傳導(dǎo)問(wèn)題和熱彈塑性變形問(wèn)題，所以必須考慮所有這些問(wèn)題的相互作用和耦合效應(yīng)，有壓力引起的工件——電極以及工件——工件界面之間的接觸狀態(tài)的變化，以及熱變形在這些相互作用中起重要的影響，嚴(yán)格的說(shuō)求解這樣的耦合問(wèn)題，應(yīng)該同時(shí)求解電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)。因此，近年來(lái)對(duì)于電阻點(diǎn)焊的有限元分析從原先互相孤立的電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)分析逐步發(fā)展為電－熱－力耦合分析，例如：美國(guó)學(xué)者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點(diǎn)焊過(guò)程熔核生長(zhǎng)及熱分布，研究了帶有中間過(guò)渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點(diǎn)焊，模擬結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：該模型可用于電極選擇階段，以減小焊接變形和改善焊接質(zhì)量；韓國(guó)學(xué)者Cha，B.W.通過(guò)對(duì)304不銹鋼電阻點(diǎn)焊過(guò)程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應(yīng)力以及影響殘余應(yīng)力的點(diǎn)焊參數(shù)；Feng,Z.等學(xué)者開(kāi)發(fā)了一種用以模擬電阻點(diǎn)焊過(guò)程和性能的集成模型，它將點(diǎn)焊中的基本物理現(xiàn)象和載荷條件結(jié)合起來(lái)，這種方法由工藝模型、微觀模型及結(jié)構(gòu)模型三部分組成，它可以綜合評(píng)價(jià)在電－熱－力作用下的點(diǎn)焊接頭性能；日本學(xué)者De,A在鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型，預(yù)測(cè)了在不同焊接電流、焊接時(shí)間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經(jīng)驗(yàn)證：這種模型對(duì)于離線檢測(cè)焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)尺寸的影響非常有用。
2 計(jì)算機(jī)模擬的精確性分析
隨著計(jì)算機(jī)模擬方法在電阻焊過(guò)程研究中的應(yīng)用日趨廣泛，為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)它用于工業(yè)生產(chǎn)中，必須考慮這種模擬方法的誤差有多大？如何提高數(shù)值模擬的精度，使其得出的結(jié)果更接近于實(shí)際焊接情況。近來(lái)，有些國(guó)外學(xué)者就此方面作了專門(mén)的研究，例如：美國(guó)學(xué)者Cavendish,James C.在文章中提到：對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬模型評(píng)估的一個(gè)重要問(wèn)題是判斷它是否足夠精確，通常人們用貝葉斯定理統(tǒng)計(jì)策略來(lái)分析模擬計(jì)算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大的情況下，統(tǒng)計(jì)分析變得相當(dāng)困難。Hasselman,Timothy等學(xué)者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程，計(jì)算熔核尺寸和表面壓痕時(shí)，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過(guò)對(duì)熔核尺寸和壓痕統(tǒng)計(jì)的線性均方差得到有限元的預(yù)測(cè)精度。
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