从20世纪60年代起,电阻点焊的数值模拟研究方法一直在不断改进,但对于其中一些问题至今尚未得到满意的解决,比如电热力的耦合分析、接触电阻的处理方法以及焊接中接触面积变化明显的球形电极电阻点焊。本文就此展开工作,在对接触电阻进行分析的基础上,以有限元软件ANSYS为平台,建立球形电极电阻点焊的电热力耦合模型,并得到试验验证,较详细的研究和讨论了球形电极电阻点焊的形核机理及其影响规律。 所建模型包括电极头为球形的结构模型和电极—工件之间由小到大不同接触面积的多个电热模型,结构模型用于模拟电极和工件在整个焊接过程包括预压、焊接及冷却阶段的变形情况;电热模型用于模拟通电焊接过程的产热情况。 通过结构模型预压过程的数值分析,得到通电过程的初始接触条件。模拟结果表明:电极与工件之间接触面的径向应力较大,工件之间接触中心的轴向应力较大:一般情况下,各接触面的面积大小及接触压力分布的均匀程度与电极头球面半径、板厚及电极压力成正比例关系;在电极—工件接触面边缘处,锥形电极较球形电极更容易出现应力集中现象。 电热力耦合分析以较小的时间步循环进行:根据预压分析或各时间步结构模型分析得到的电极与工件之间接触面积调用电热模型,两工件之间的接触面积采用生死单元技术处理,将每时间步计算得到的各节点温度加载到结构模型中进行重启动分析,得到该时刻的接触情况继续循环。尝试利用实测信号对接触电阻值进行处理,并用于温度场的计算。通过试验验证证明整个电热力模型耦合的合理性以及结果的准确性,同时说明接触电阻值确定方法是可行的。模拟结果还表明:通电瞬间电极端面温度高于工件之间接触区温度,随后工件之间中心温度很快超过电极端面温度,当熔核长大到一定程度时,熔核中心温度升高不明显;在焊接过程中电极与工件之间的接触半径逐渐增加而工件之间的接触半径则在前期迅速减小后缓慢增加:熔核周围为高温塑性金属所包围,发生的轴向塑性变形由负值过渡到正值,工件之间接触区焊接到一起,形成封闭熔核的塑性金属环;电极压力对熔核形成过程的影响很明显,随着电极压力的增加,接触面积增大,动态电阻减小,温度上升速度下降,所达到的最高温度值也相应下降。 将实际采集的动态电极位移信号和焊接电流作为载荷加载到热力耦合模型中,通过计算得到相应的与焊接质量密切相关的熔核信息,作为一种在线检测系统的初步探讨。