Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的数值分析
Numerical Analysis of Coaxial One-Side Resistance Spot Welding between Al5052 and CFRP
- 2024年54卷第8期 页码:45-50
纸质出版日期: 2024-08-25
DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.06
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文中提出了一种新型的同轴单边电阻点焊技术用于连接Al5052和碳纤维增强复合材料(CFRP)。基于内部有限元代码JWRIAN-RSW对同轴单边电阻点焊的“电-热-力”耦合过程进行数值建模,预测焊接热循环与温度分布并进行了实验验证。采用十字拉伸实验评价了接头的力学性能,分析了焊接参数对连接强度、失效行为和界面特征的影响。讨论了同轴单边电阻点焊熔化区尺寸的生长过程与机理。结果表明,实验测得的焊接热循环与数值预测结果吻合较好,证明了所开发的数值模型的有效性;焊接接头呈现出两种断裂模式:焊接电流较小时,连接强度较弱,接头沿Al5052-CFRP界面失效,呈现出脆性断裂的特征,最大载荷约为170 N,焊接电流较大时,局部失效发生在CFRP基体,接头呈现出韧性断裂特征,力学性能大幅提升,载荷峰值提升至1 335 N。此外,Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的熔化区在冷却阶段初期仍会持续增长。因此,对同轴单边电阻点焊的数值建模必须考虑到冷却阶段,通过峰值温度分布来预测熔化区的尺寸。
Coaxial one-side resistance spot welding (COS-RSW) is an advanced method of joining metal and carbon fibre reinforced plastic (CFRP). In the present research, the author-developed finite element code JWRIAN-RSW was employed to model the electrical-thermal-mechanical coupled phenomena of COS-RSW between Al5052 and CFRP. The welding thermal cycle was predicted numerically and verified by experimental measurement. Cross-tension test was used to evaluate the mechanical performance of joints, the influence of welding parameters on joining strength, fracture behaviours and interface morphology was clarified. The generation of molten zone dimension was also discussed. The results showed that the predicted thermal cycle presented a good agreement with measurement, which indicated the effectiveness of numerical model. The COS-RSW joints presented two fracture modes. Low welding current resulted in a weak joining, interfacial failing and brittle fracture. The large current led to a strong bonding and ductile fracture, the failure occurred within the resin matrix. Besides, the molten zone of COS-RSW can grow up even in the early stages of cooling. Therefore, it was necessary to consider the cooling stage in the numerical model of COS-RSW to predict the molten zone dimension via peak temperature distribution.
汽车去碳化是我国实现“双碳”目标的重要途径,车身轻量化则是降低汽车碳排放的关键技术[
CFRP在轻量化车身中的应用形式主要是金属-CFRP复合结构,此类结构对异种材料之间的连接技术提出了较高的要求。目前,量产车型上主要采用机械连接和胶接的方式连接金属与CFRP,因为两种方法均可以忽视异种材料之间显著的物性差异进行连接[
电阻点焊是汽车工业中连接金属薄板最为常用的手段,具有效率高、价格低廉、易于实现自动化的优势[
COS-RSW本质上是采用电阻热熔化界面附近的塑料与金属表面反应,冷却后形成稳定接头。因此,焊接温度场和界面温度历史对焊接质量的影响较大。本研究基于内部有限元代码JWRIAN-RSW对Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊过程进行数值建模,预测焊接温度场分布,解释了连接区域的形成与演化机理,为金属-CFRP同轴单边电阻点焊的工艺优化提供理论支持。
本研究中待连接材料为Al5052-O和CFRP。Al5052的合金成分如
图1 CFRP特征温度
Fig.1 Critical temperatures of CFRP
本研究采用低、高两组焊接热输入进行同轴单边电阻点焊,制备Al5052-CFRP十字搭接接头。具体焊接参数如
图2 (a)COS-RSW焊接结构;(b)Al5052-CFRP十字搭接接头以及温度测量位置
Fig.2 The photograph of (a)COS-RSW structure and (b)Al5052-CFRP cross lap joint and the temperature measurement position
焊接过程中,采用K型热电偶和欧米伽OM-DAQ-USB-2401数据采集模块实时测量铝合金上表面P点的温度循环,用于验证有限元预测的焊接温度循环。焊接完成后,在LD24.204万能试验机上通过十字拉伸实验评价COS-RSW接头的力学性能并获得失效界面。随后通过KathMatic KC-X1000 显微镜进行界面分析,用于验证有限元预测的界面峰值温度分布。
本研究基于课题组与日本大阪大学联合开发的内部有限元代码JWRIAN-RSW对COS-RSW的“电-热-力”多物理场耦合过程进行数值建模,有限元模型如
图 3 COS-RSW有限元模型
Fig.3 Finit element model of COS-RSW
实际焊接过程中,待连接板材在电极压力作用下被固定于电极组与支撑之间,电极柱上表面采用循环水进行水冷。因此,COS-RSW数值模型的拘束与边界条件设定如下:
(1)电极柱上表面节点拘束X和Y方向。
(2)支撑下表面节点拘束X、Y和Z方向。
(3)电极柱上表面的对流换热系数设置为
(4)电极柱、电极和待连接试样的其余外表面对流换热系数设置为
(5)模型初始温度设置为室温25 ℃。
图4 数值仿真预测的COS-RSW温度场变化
Fig.4 Variation of COS-RSW temperature field predicted by numerical simulation
图5 Al5052-CFRP界面温度场变化
Fig.5 Variation of temperature field at Al5052-CFRP interface
图6 数值仿真和测量得到的温度循环对比
Fig.6 Comparison of thermal cycles obtained by numerical simulation and measurement
图7 COS-RSW接头十字拉伸实验结果
Fig.7 The result of cross-tension test of COS-RSW joints
图8 界面形貌与温度场预测结果对比
Fig.8 The comparison of interface morphology and predicted temperature field
参数2#中,仍然可以观测到塑料的挤出区域以及呈灰白色的界面断裂区域。由于焊接热输入较高,接头中心位置的峰值温度达到CFRP分解的初始温度,此时,熔融的树脂基体与硅烷偶联剂之间发生充分的化学反应,显著提高了金属与CFRP之间的连接强度。同时CFRP的分解现象并不明显。因此,局部的失效发生在CFRP基体内,可以观测到大量的塑料被拉脱,形成明显的凹陷区域。两组焊接参数下,COS-RSW接头的失效界面轮廓与有限元预测的峰值温度分布吻合较好,同样验证了开发的数值模型的有效性。
图9 熔化区宽度和深度随时间的变化过程
Fig.9 Variation of molten zone width and depth with time
与传统金属间的电阻点焊不同,金属-CFRP同轴单边电阻的熔化区尺寸在加热阶段结束后仍然会持续增大。以参数2#为例,熔化区宽度和深度在0.45 s时分别达到19.9 mm和0.59 mm。随后,熔化区宽度在0.5 s到达其峰值,约为20.1 mm。熔化区深度在0.7 s时增长到0.81 mm,随后才开始凝固变小。由于COS-RSW利用金属板一侧产生的电阻热熔化CFRP进行焊接。加热阶段结束时Al5052具有较高的温度,在冷却阶段初期仍然向CFRP传导热量,驱动了熔化区的持续增长。因此,COS-RSW的数值仿真必须考虑到冷却阶段,以确保熔化区尺寸的预测精度。
(1)本研究基于JWRIAN-RSW代码开发的有限元模型可以有效复现Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的“电-热-力”多物理场耦合过程,预测焊接热循环与温度分布。
(2) 焊接电流为3 200 A时,接头呈现脆性断裂特征,最大载荷约为170 N;焊接电流为5 600 A时,接头呈现韧性断裂特征,最大载荷提高至1 335 N。
(3)Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的熔化区在冷却阶段初期会持续增大,其驱动力源自高温金属板对CFRP板的热传导作用。因此对COS-RSW的数值建模必须考虑到冷却阶段,通过峰值温度场评价熔化区的尺寸。
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