大差厚不锈钢板电阻点焊熔核偏移机理及控制方法研究

作     者：吴泽 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永兵

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：轨道交通车辆车体 电阻点焊 大差厚板 熔核偏移 工艺垫片 非对称电极 磁辅助工艺 

摘      要：轨道交通车辆为满足轻量化、低制造成本以及环保等综合要求,在车身设计中大量使用大差厚高强韧不锈钢板材。然而大差厚板材组合导致电阻点焊过程熔核产生偏移现象,使得薄板侧焊透率严重不足,焊接接头性能无法满足使用要求。为了提高薄板侧焊透率从而改善焊接接头性能,本文将工艺垫片和非对称电极工艺引入大差厚不锈钢电阻点焊过程中,并复合添加磁辅助工艺进一步改善电阻点焊接头性能。基于上述背景,本文开展了以下研究工作:(1)大差厚不锈钢板电阻点焊熔核偏移特征及机理研究针对轨道交通车辆车体中底架和车顶常用的不锈钢电阻点焊组合,选用了0.8mm+2mm、0.8mm+3mm以及0.8mm+4mm三个组合进行实验并分析熔核形貌偏移规律。随后建立电阻点焊熔核生长过程电热力耦合有限元仿真模型,研究大差厚工况对电阻点焊熔核生长、焊接过程几何特征以及最终熔核偏移现象的影响机制。结果表明熔核直径和薄板侧焊透率会随着板厚差异程度的增大而减小,原因在于板材差厚程度增大会降低预压阶段的接触半径及压强,进而改变焊接初期的电流密度分布,使其不再均匀对称,从而影响焊接产热过程。此外,厚板侧板厚增加也降低了水冷铜电极的散热强度,两种因素综合导致了熔核向厚板侧偏移,且板厚差异越大,偏移越严重。(2)大差厚不锈钢板电阻点焊熔核偏移控制方法研究分析了工艺垫片和非对称电极对熔核生长的控制原理,在此基础上建立有限元数值模型,研究两种工艺方法对电阻点焊熔核、焊接过程几何特征以及最终熔核偏移现象的影响规律,选取合适的工艺垫片和非对称电极尺寸。随后对0.8mm+4mm组合进行实验寻求合适的熔核偏移控制方法,并提出应用复合工艺方法的必要性。结果表明,非对称电极工艺和工艺垫片都对于改善熔核偏移有一定的效果,但两种工艺都具有局限性:非对称电极法会导致熔核直径降低,工艺垫片法无法抑制熔核缺陷。为此使用能抑制熔核缺陷和增加熔核直径的磁辅助工艺与上述两种工艺复合。最终复合工艺得到了极佳的效果,且工艺垫片/磁辅助复合工艺的效果优于非对称电极/磁辅助复合工艺。(3)工艺垫片以及工艺垫片/磁辅助复合工艺拓展应用将取得良好效果的工艺垫片方法以及工艺垫片/磁辅助复合工艺拓展应用到单面单点四层板差厚不锈钢组合、单面双点大差厚不锈钢组合以及双面单点异质差厚铝合金组合中,研究了其可行性和效果。结果发现工艺垫片能抑制单面单点四层板差厚不锈钢组合的熔核缺陷,并获取焊透率改善的合格焊点;在单面双点大差厚不锈钢组合中不存在熔核缺陷,磁辅助工艺的添加会一定程度降低工艺垫片的对于熔核偏移的控制效果,单独选用工艺垫片的效果更加;在双面单点异质差厚铝合金组合中,选用黄铜H62作为新的垫片材料,且通过降低焊接电流实现工艺垫片的适用,复合工艺的使用也进一步提高了焊点的熔核直径。