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原文传递金属垫片辅助薄钢板电阻点焊传热行为研究及工艺优化

论文题名：	金属垫片辅助薄钢板电阻点焊传热行为研究及工艺优化
关键词：	车身用钢板;金属垫片;电阻点焊;合金化反应;传热行为;温度分布
摘要：	面对全球范围内日益严峻的能源危机和环境压力，作为能源消耗和二氧化碳排放大户的汽车工业，加快推进车身轻量化实现节能减排已成为当今世界汽车工业发展的主题。随着目前车身用钢板强度等级的不断提高，汽车制造企业正在研究进一步降低车身外覆盖件薄板厚度的可行性，预计未来的车身薄板厚度可以减薄至0.5 mm以下。电阻点焊作为车身装配的首选焊接工艺方法，在连接0.5 mm以下厚度薄板时，焊接区域的生热/散热模式将发生改变，出现熔核增长停滞，熔核分层及电极端面温度过高等问题，降低电阻点焊过程稳健性，制约0.5 mm以下薄板在未来车身制造中的应用。　　为此，本文在前人研究工作的基础上，在铜电极与薄钢板之间插入一层具有不同于铜/钢材料属性的金属垫片，形成铜电极-金属垫片-钢板-钢板-金属垫片-铜电极的金属垫片辅助电阻点焊装配形式，旨在通过金属垫片来调整焊接过程中的生热、散热以及温度分布，从而达到提高焊接质量，降低电极端面温度的目的。针对这一目标，本文开展的具体工作包括：建立金属垫片辅助电阻点焊过程的热流平衡分析模型和电热力多场耦合有限元模型，分析不同接触界面间的温度场变化规律以及钢板间熔核形成过程，揭示垫片对焊接过程传热行为及温度分布的影响机制。基于温度场变化规律，研究垫片几何/材料属性对垫片/电极端面之间的合金化反应及金属间化合物生成的影响，确定铜电极-金属垫片界面间温度场变化对微观相变的影响。在此基础上建立考虑金属垫片属性、钢板属性及焊接参数与熔核尺寸、不同接触界面温度之间的响应面模型，确定最优的金属垫片几何/材料属性。具体结果如下：　　1)金属垫片辅助电阻点焊工艺及实验研究　　建立了金属垫片辅助电阻点焊试验系统，以0.4 mm薄钢板为对象，并在此设备平台之上开展了金属垫片辅助电阻点焊试验，从焊点质量以及电极磨损两方面研究金属垫片对提升焊接质量的效果。结果表明，传统点焊连接薄钢板时，在焊接过程后程熔核增长停滞，并出现熔核分层的现象；电极使用寿命仅500点，约为传统规格钢板的三分之一。在0.10mm AISI304不锈钢垫片辅助下，点焊熔核尺寸增大约20％，并消除了熔核分层的现象。在电极磨损方面，电极寿命延长至2000点以上，电极端面合金层厚度降低，其成分由无垫片时85%Fe，12.5%Cu以及少量Zn，变为88%Cu，6%Fe以及6%Ni。　　2)金属垫片对焊接过程传热行为及温度分布的影响机制　　建立了金属垫片辅助电阻点焊过程的热平衡分析模型和有限元模型，分析了金属垫片作用下熔核形成过程及温度分布规律。结果表明，金属垫片的引入能够促进焊接过程中的生热，因此能扭转传统薄钢板点焊过程中焊接区域温度先升后降的变化趋势，从而消除熔核分层，增大熔核尺寸。同时金属垫片能起到电极端面与焊件间热阻的作用，从而有效降低电极端面温度。金属垫片的作用效果取决于其电阻率、热导率及厚度。熔核尺寸随金属垫片电阻率和厚度而增长；电极端面温度随金属垫片电阻率呈现先降低后升高的变化趋势。　　3)金属垫片作用下电极端面合金化反应规律　　借助实验分析手段，通过对磨损后电极的宏观形态与电极头部再结晶以及端面合金化反应层的微观分析，从冶金学角度探索了金属垫片电热属性、几何特征等对电极端面合金化反应过程及其特点，揭示金属垫片作用下电极端面合金化反应机理。结果表明，随着金属垫片材料电阻率的升高，电极端面合金化反应程度有所降低。金属垫片厚度的增长会加剧电极磨损的程度。从合金元素角度考虑，铁、锌元素与铜电极形成的固溶体或合金化合物会劣化电极电热性能，因此金属垫片材料优选铜镍合金材料。　　4)基于响应面法的金属垫片辅助电阻点焊工艺优化　　基于上述研究结果，结合均匀试验设计及响应面法建立考虑板材属性、焊接参数、金属垫片属性与熔核直径、各接触界面温度、电极端面温度等之间的数学回归模型，结合多目标优化理论，获得最优金属垫片属性，实现金属垫片辅助电阻点焊工艺优化。研究发现，针对本文中所使用的0.4mm DC51D+Z镀锌钢板，选用0.12 mm厚牌号Cu55Ni45的铜镍合金材料作为金属垫片，能够获得最优的焊接质量和最低的电极端面温度。该结果也进一步通过实验得到了证实。　　综上所述，本文对金属垫片辅助电阻点焊工艺过程中传热行为、电极端面冶金反应等的影响规律进行了系统地研究，提出了金属垫片辅助车用薄钢板电阻点焊温度调控策略的优化方法，为推动金属垫片辅助电阻点焊工艺的应用奠定基础。
作者：	赵杨洋
专业：	机械工程
导师：	来新民;张延松
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文