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文檔簡介
1、節(jié)能、環(huán)保、安全是當今汽車工業(yè)的發(fā)展主旨。為了在實現(xiàn)車身輕量化的同時滿足乘員安全性要求,以雙相鋼為典型代表的先進高強鋼材料在白車身結構中的使用比例正日益上升。目前,電阻點焊技術仍是車身制造中的主要連接手段,據(jù)統(tǒng)計,平均每輛白車身上約有3000~5000個焊點。然而,高強鋼的大量使用,卻給電阻點焊工藝帶來了一系列挑戰(zhàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)低碳鋼,高強鋼中普遍含有較高的碳當量與較多的合金元素,在快速加熱、冷卻的焊接過程中,極易形成大量淬硬、粗大的板條
2、狀馬氏體組織,導致接頭韌性、疲勞壽命降低,容易發(fā)生接頭界面斷裂失效。傳統(tǒng)基于工藝參數(shù)調(diào)整或焊后熱處理的質(zhì)量控制方法,能夠快速增大熔核直徑或部分弱化接頭組織的淬硬性,但往往以能耗的大幅攀升或生產(chǎn)效率的降低為代價。作為一項節(jié)能、高效的工藝方法,電磁攪拌控制(簡稱磁控)技術通過外加磁場對熔化金屬的攪拌作用,影響并改變工件內(nèi)部的溫度場分布與冷卻結晶過程。迄今,磁控技術已成功應用于連續(xù)鑄造、電弧焊等領域。
基于上述背景,本文提出將磁
3、控技術與傳統(tǒng)電阻點焊過程相結合的磁控電阻點焊工藝方法,旨在通過外加磁場與焊接電流的交互作用產(chǎn)生洛侖茲力,改變?nèi)酆藘?nèi)的流動傳熱模式。針對這一研究目標,本文從磁場施加模式入手,探討了外部磁場的最優(yōu)施加方向與分布模式,在此基礎上搭建了磁控電阻點焊原型實驗平臺;并進一步建立了綜合描述力、電、熱、磁、流五個物理場變化的磁控電阻點焊過程數(shù)值模型,從“電磁攪拌改變?nèi)刍饘倭鲃幽J健钡谋举|(zhì)行為揭示了外加磁場對電阻點焊過程傳質(zhì)傳熱行為的控制機理;通過對點
4、焊接頭的宏觀、微觀形貌分析、以及靜態(tài)、動態(tài)力學性能測試,明確了磁控技術對高強鋼電阻點焊焊接質(zhì)量的改善效果,并基于對磁控電阻點焊熔核形成規(guī)律的研究建立了質(zhì)量評價準則;最后對典型車用超高強鋼的電阻點焊接頭進行了磁控效果實驗驗證,并從工程應用角度出發(fā),進一步開發(fā)完善了磁控實驗系統(tǒng)。本文為磁控電阻點焊工藝方法在車身制造中的推廣應用奠定了理論基礎。全文的主要研究內(nèi)容如下:
1)外部磁場施加模式與磁控電阻點焊原型實驗平臺
5、 理論分析了多種外部磁場作用模式下,電阻點焊過程的電、磁場分布特性、熔化金屬流動模式、以及形核狀態(tài),從而明確了磁控電阻點焊方法所施加的外部磁場需滿足三方面條件:平行于工件/工件接觸面、圍繞電極臂中心線呈中心軸對稱形式分布、以工件/工件接觸面呈鏡面對稱形式分布。在此基礎上,建立了以一對軸向充磁環(huán)形釹鐵硼永磁體為外部磁場源的磁控電阻點焊原型實驗平臺。
2)磁控電阻點焊過程多物理場數(shù)值建模與傳質(zhì)傳熱行為演化機理
基
6、于ANSYS11.0/Multiphysics軟件平臺,通過二次開發(fā)與耦合策略制定,實現(xiàn)了結構場、電場、熱場、磁場、流場之間的交互載荷傳遞與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,建立了綜合描述磁控電阻點焊物理過程的數(shù)值模型。從“電磁攪拌改變?nèi)刍饘倭鲃幽J健钡谋举|(zhì)揭示了外加磁場對電阻點焊過程傳質(zhì)傳熱行為的控制機理。結果表明,在磁控電阻點焊過程中,熔化金屬不僅在通過電極中心軸的徑向平面內(nèi)流動,同時也在外加周向磁場力的驅(qū)使下表現(xiàn)出強烈的沖刷熔核徑向邊緣的離心運動趨勢;
7、且隨著焊接時間的增加,該周向離心運動模式逐漸占據(jù)主導。與傳統(tǒng)點焊相比,磁控電阻點焊過程中的磁流體流速更快;熔核內(nèi)高溫帶呈長條狀沿直徑方向均勻分布;最終形成的熔核形狀呈現(xiàn)“兩頭厚、中間薄”的花生殼狀。
3)磁控技術對高強鋼電阻點焊焊接質(zhì)量問題的改善機理
通過對DP590、DP780的實驗研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)電阻點焊的橢圓體狀熔核相比,磁控電阻點焊的花生殼狀熔核呈現(xiàn)“更寬、更扁”的變化趨勢;點焊接頭的微觀組織更均勻,
8、淬硬性降低。對于1.25mmDP780鋼板,在外加磁場作用下,接頭的拉剪力增幅約12.0%,失效時刻所對應的最大位移增幅約15.9%,接頭的高周疲勞性能有所提升。當焊接電流處于發(fā)生界面斷裂與母材撕裂的臨界值附近時,外加磁場能夠有效改善電阻點焊接頭的失效模式,且失效斷口表面存在更多吸能性強的韌窩組織。
4)磁控電阻點焊熔核尺寸評價準則與典型工程應用
針對磁控電阻點焊的熔核形狀特點,以接頭拉剪強度為衡量標準,建立
9、了熔核尺寸評價準則:當焊透率大于25%時,熔核直徑越長,接頭強度越高;當焊透率處于15%~25%時,熔核直徑與焊透率同時成為衡量接頭強度的主要尺寸參數(shù);當焊透率小于15%時,焊接質(zhì)量均不合格?;诖嗽u價準則,通過進一步實驗研究發(fā)現(xiàn):為了獲得相同質(zhì)量的點焊接頭,采用磁控技術能夠?qū)⑺璧暮附与娏鹘档图s300~500A,并適用于DP1000等超高強鋼。此外,基于勵磁線圈的電磁攪拌系統(tǒng)的開發(fā)在一定程度上提升了磁控電阻點焊技術在車身制造中的可應用
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