基于多场耦合的不等厚电阻点焊形核机理研究

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电阻点焊是一个涉及力、电、热、磁、流等多物理场的复杂物理过程。通过电极间加压和瞬时的通电,使得工件接触面瞬时达到高温,熔化金属并冷却凝固形成接头。电阻点焊因其灵活、高效的特性在实际生产领域应用广泛。电磁搅拌技术是通过磁场力搅拌熔池、重塑晶核形成的过程,该技术在连续铸造和弧焊领域应用相当成功,同时近些年来,电磁搅拌在电阻点焊中逐渐展现其巨大的潜力。电阻点焊接头质量控制直接关系接头使用安全,是点焊研究中关键的一环。特别的,不等厚板件点焊中,改善熔核偏移现象的是一个主要的研究课题。在研究点焊问题时,点焊的不可见性造成了巨大的研究障碍。数值模拟的发展为研究点焊过程提供了思路,然而传统的点焊仿真模型难以驾驭涉及磁流体的磁控点焊问题。本文通过ANSYS数值建模的方式,对磁控电阻点焊中的力、电、热、磁、流五场进行耦合建模,分析各物理场变化的内在机理和相互间联系。并用实验验证模型的精度,进而对磁控点焊质量控制提出理论支撑和技术指导。通过以上研究,本文主要得出以下结果:(1)采用分步计算、逐场耦合的思路进行建模分析,变形场、电热场、磁场和热流场的建立考虑了数据前后的继承性。分析结果显示,五场耦合模型分析误差不超过5%,而且在磁控点焊模拟中,模拟精度远高于传统的三场耦合模型。(2)通过对不等厚板件中的全物理场进行分析,发现不等厚板件点焊中的熔核偏移是流场和温度场共同作用的结果。在磁控点焊中,近似镜像对称的流场行为模式,会将中心区域的高温金属推向边缘,因此熔核边缘有向磁场强度高的一侧生长的趋势,据此通过在薄板侧施加更大的磁场强度分布,可以调节熔核的相对偏移量。(3)磁控电阻点焊接头性能明显优于传统点焊,外磁场的搅拌作用细化了接头晶粒,使得接头成分更加均匀。接头拉剪强度随焊接电流升高而增大,临界纽扣断裂熔核直径为4.62mm,小于传统点焊;接头组织为均匀的奥氏体基体和其间细小的铁素体,硬度分布均匀,展现出优良的接头性能。
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