铝合金电阻点焊过程中铜铝合金化的数值模拟研究

论文摘要

铝合金电阻点焊广泛应用于航空航天、电子、车辆及轻工部门等领域,在现代制造业中具有重要的地位。然而,由于铝合金电阻点焊在连续点焊过程中存在焊点质量不稳定和电极使用效率低等问题,限制了电阻点焊在这些领域内的应用和推广。造成这一问题的主要原因是点焊过程中电极端面的铜铝合金化现象,而电极端面较高的温度与压力分布又对合金化反应起决定性作用。电阻点焊过程是一个高度非线性、多物理场耦合(热、电、力)作用的复杂过程。焊接时间的短暂性,熔池形成过程的不可见性,都给试验观察带来了困难,因此,本文拟采用数值模拟的方法,以ANSYS软件为工具,对铝合金点焊过程中铜铝合金化的反应机制进行模拟研究。具体研究成果如下:本文根据弹塑性理论和接触性理论对电阻点焊预压阶段的接触行为进行数值分析,获得了铝合金点焊接触面的初始接触区域。并在此基础上,根据点焊过程的基本方程,建立了铝合金电阻点焊过程的热、电、力耦合模型。利用所建立的耦合模型对铝合金点焊的温度场、应力场进行数值模拟分析,结果表明:在点焊初始阶段,由于接触电阻的分布很不均匀,造成接触面上的局部区域产生很高的温度,甚至能达到铜铝之间产生合金化反应的温度。但这种加热不均匀的现象持续时间非常短,且大部分分布在电极端面的边缘处,该处也为应力集中处。为了进一步研究铜铝合金化反应的机理,本文建立了一种基于铜和铝扩散反应进行的有限元模型。由于热传导方程和扩散方程在表达形式上的相似性,所以用模拟热传导的方式来模拟铝在铜电极中的单向扩散过程,以温度分布表示扩散浓度的分布情况。通过对扩散反应的分析,提出了在点焊过程中发生铜铝合金化的可靠性理论:铜和铝在电极压力的作用下形成机械混合物,并以原子扩散的形式不断进行原子级别上的混合,形成铝在铜中的固溶体α(Cu),当铝元素在铜基中的含量超过5.65%,并且达到铜铝的共晶反应温度时,便生成了铜铝金属间化合物。另外,在高温高压下电极端部会产生塑性变形,提高电极内部的位错密度,利于铝原子的扩散。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景与意义
• 1.2 铝合金电阻点焊的特点
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3.1 铝合金点焊电极寿命的试验研究概况
• 1.3.2 铝合金电阻点焊过程数值模拟研究概况
• 1.3.3 扩散浓度场的数值模拟研究
• 1.4 研究内容
• 第二章 铝合金电阻点焊过程中数值模拟的理论基础
• 2.1 弹塑性接触有限元分析
• 2.1.1 弹塑性增量理论分析
• 2.1.2 弹塑性应力应变增量关系
• 2.1.3 弹塑性接触问题分析
• 2.1.4 弹塑性问题的求解算法
• 2.2 接触电阻的有限元分析
• 2.3 电、热传导方程
• 2.4 ANSYS 有限元软件介绍
• 2.5 小结
• 第三章 热、电、力耦合模型的建立
• 3.1 点焊问题的简化与假设
• 3.2 几何模型的建立
• 3.3 材料属性
• 3.3.1 材料的电学性能参数
• 3.3.2 材料的热物理性能参数
• 3.3.3 材料的力学性能参数
• 3.4 有限元模型的建立及边界条件的确定
• 3.4.1 有限元模型的建立
• 3.4.2 有限元模型边界条件的设定
• 3.4.3 电流的加载情况
• 3.4.4 力载荷的加载情况
• 3.5 计算流程
• 3.6 主要模拟技术
• 3.7 小结
• 第四章 铝合金点焊过程数值模拟的后处理分析
• 4.1 温度场分析
• 4.1.1 直流电载荷下不同时刻的温度场分析
• 4.1.2 交流电载荷下不同时刻的温度场分析
• 4.2 电极/工件接触电阻的重新设定
• 4.3 不同时刻应力场分析
• 4.3.1 预压阶段应力场分析
• 4.3.2 通电焊接阶段的应力场分析
• 4.3.3 电极/工件接触半径的变化
• 4.4 数值模拟结果的验证
• 4.5 小结
• 第五章 铜铝扩散过程的数值分析
• 5.1 扩散问题
• 5.1.1 菲克第二定律
• 5.1.2 扩散机理
• 5.1.3 影响扩散的主要因素
• 5.2 扩散系数的确定
• 5.3 扩散模型的建立
• 5.4 扩散模拟后处理分析
• 5.5 数值模拟结果及验证
• 5.6 点焊过程中铜铝扩散的机理分析
• 5.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录