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    • 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

    • 任森栋

      ，

      陈浩

      ，

      沈毅豪

      ，

      杨建国

    • 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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  • 任森栋，陈浩，沈毅豪，等.Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的数值分析［J］.电焊机，2024，54（8）：45-50. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.06.
    REN Sendong, CHEN Hao, SHEN Yihao, et al.Numerical Analysis of Coaxial One-Side Resistance Spot Welding between Al5052 and CFRP[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(8): 45-50. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.06.
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    摘要

    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。

    译

    Abstract

    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.

    译

    关键词

    CFRP; 同轴单边电阻点焊; 数值仿真; 温度场; 焊接参数

    译

    Keywords

    CFRP; coaxial one-side resistance spot welding; numerical analysis; temperature field; welding parameters

    译

    0 引言

    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［

    1］。轻量化设计的实现途径包括材料轻量化、结构轻量化和工艺轻量化，前者则是最为直接的技术手段［2］。与传统金属材料相比，碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced plastic，CFRP）具有更低的密度、更高的比强度和更优异的冲击能量吸收能力，在汽车白车身的轻量化设计中具有广阔的应用前景［3］。
    译

    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［

    4-5］。然而，工艺所需的铆钉与粘接剂均会引入额外的重量，这与轻量化设计的初衷相违背。因此，学术界开始探索金属与CFRP之间的焊接方法。龚浩［6］等人研究了CFRP与TC4钛合金之间的激光焊工艺，接头剪切力最大值达到926 N，焊接区域内存在内聚断裂和粘接断裂两种失效形式。汤祖阳［7］等人介绍了铝-CFRP复合结构的搅拌摩擦焊工艺。接头的断口可分为三个区域：塑性变形区、过渡区和黏结区，其失效过程与裂纹扩展有关。Balle［8］等人研究了Al99.5合金与CFRP之间的超声波点焊工艺，该方法可以获得一个矩形的连接区域，最大连接强度可以达到25 MPa。
    译

    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［

    9］。然而传统的电阻点焊方法不能处理金属-CFRP之间的连接问题。由于CFRP是绝缘体，当两个电极布置于叠放的金属-CFRP板材两侧时，焊接电流无法穿过CFRP形成回路。因此，日本大阪大学接合科学研究所与DENGENSHA TOA株式会社联合研究了新型的同轴单边电阻点焊技术（Coaxial One-side Resistance Spot Welding，COS-RSW），采用单边嵌套布置的电极实现了金属与CFRP之间的电阻点焊［10］。
    译

    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。

    译

    1 试验方法

    1.1 焊接材料

    本研究中待连接材料为Al5052-O和CFRP。Al5052的合金成分如表1所示，采用线切割加工成90 mm×30 mm×2 mm的试样。表面用砂纸打磨除去氧化膜，经过超声波清洗，然后采用OFS-6020硅烷偶联剂进行表面处理，提高与有机物之间的连接能力［

    11］。CFRP的主要成分为80%的PA6（［NH（CH2）5CO］n）和20%的短切碳纤维，二者混合均匀后压塑成3 mm厚的薄板，机加工成90 mm×30 mm×3 mm的试样。由于短切碳纤维在PA6基体中的分布高度无序，可以将CFRP视作各向同性材料。图1为CFRP的差热分析（Differential thermal analysis，DTA）和热重分析（thermogravimetry，TG）结果［12-13］。其熔化温度Tm由DTA曲线上第一个吸热峰标定为220 ℃，起始分解温度Tonset通过5%的整体质量损失标定为340 ℃。
    译

    表1  Al5052合金化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Elemental composition of Al5052 （wt.%）
    SiFeCuMgMnZnCrAl
    0.09 0.19 0.002 2.4 0.01 0.004 0.22 余量
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    fig

    图1  CFRP特征温度

    Fig.1  Critical temperatures of CFRP

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    1.2 焊接实验

    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。具体焊接参数如表2所示。焊接时采用直流电源，保压时间为10 s。焊接结构与COS-RSW接头如图2所示。电极组中，外侧环状电极材料为SUS304不锈钢，内部柱状电极为CuCr合金。

    译

    表2  COS-RSW焊接参数
    Table 2  Welding conditions of COS-RSW experiments.
    组别热输入等级焊接电流/A焊接时间/s电极压力/N
    #1 低 3 200 0.45 2 500
    #2 高 5 600 0.45 2 500
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    fig
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    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

    1.3 验证实验

    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。

    译

    2 数值仿真

    2.1 有限元模型

    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所示。三维模型包含共计28 560个八节点六面体单元和31 537个有限元节点。采用网格过渡方法细化接触界面附近的网格并对远端网格进行稀疏化，达到优化计算效率兼顾计算精度的目的。最小单元尺寸约0.3 mm×0.3 mm×0.1 mm。

    译

    fig

    图 3  COS-RSW有限元模型

    Fig.3  Finit element model of COS-RSW

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    2.2 拘束与边界条件

    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：

    译

    （1）电极柱上表面节点拘束X和Y方向。

    译

    （2）支撑下表面节点拘束X、Y和Z方向。

    译

    （3）电极柱上表面的对流换热系数设置为1×10-3J⋅mm2⋅s-1⋅K-1，考虑与循环水之间的强制对流散热效果。

    译

    （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5×10-6J⋅mm2⋅s-1⋅K-1，考虑与空气的对流换热效果。

    译

    （5）模型初始温度设置为室温25 ℃。

    译

    3 结果与讨论

    3.1 COS-RSW温度场预测结果

    图4为两组焊接参数下数值仿真预测的温度场变化结果。COS-RSW本质上采用电阻热对焊接结构进行加热，由于电极与Al5052板接触区域的局部电阻较大，因此在焊接开始时（t=0.05 s）热量首先聚集在此处导致温度快速升高。更大的焊接电流和焊接热输入会加速升温过程。随后的焊接过程中（t=0.15 s），电阻热在Al5052板中自上向下传导至与CFRP的接触界面。由于CFRP的热传导系数远小于铝合金，热量会在CFRP表面聚集，熔化塑料基体形成一个半透镜形状的熔池（t=0.30 s）。后续的加热过程（t=0.45 s）会使得熔池的宽度和深度逐步增大，熔化的塑料基体与铝合金表面的硅烷偶联剂镀膜产生化学反应，冷却后形成稳定的连接。

    译

    fig

    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

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    图5为Al5052-CFRP界面上熔化区的生长过程。参数1#中，由于焊接电流和焊接热输入相对较小，焊接开始后0.15 s时界面温度仍然远低于CFRP的熔点（220 ℃），塑料没有被熔化。加热0.3 s后熔化区出现并在后续加热中逐渐扩大。参数2#中，焊接电流更大使得熔化区出现的时间点更早（0.15 s）。然而更大的热输入增加了塑料过热分解的风险。加热0.3 s时，界面部分区域的局部温度已经超过了CFRP分解的起始温度（340 ℃）。在此温度范围内，塑料开始逐渐分解。虽然高温有助于界面处的化学反应，但塑料分解产生的气泡和孔洞也会削弱接头了的连接强度，界面温度对接头力学性能的影响具有显著的两面性。

    译

    fig

    图5  Al5052-CFRP界面温度场变化

    Fig.5  Variation of temperature field at Al5052-CFRP interface

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    图6对比了数值仿真和实验测量得到的焊接温度循环。由于温度测量位置距离焊接加热区域较远，因此测量到的温度循环具有滞后性。测量点的温度从0.1 s开始迅速提高，大约0.9 s时到达峰值。参数1#中测量点峰值温度约为83 ℃，参数2#中受更大的焊接电流影响峰值温度提升至约116 ℃。可以看出，二者在温度变化趋势和峰值上吻合较好。这表明本研究开发的有限元模型可以较好地复现Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊的“电-热-力”多物理场耦合过程，有效预测焊接温度场。

    译

    fig

    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

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    3.2 COS-RSW力学性能与界面分析

    图7为两组焊接参数下COS-RSW接头的十字拉伸试验结果。参数1#中，焊接接头的力学性能较弱，载荷-位移曲线达到峰值后迅速下降，呈现出脆性断裂的特征，最大载荷约为170 N；参数2#中，更大的焊接热输入使得界面处的温度更高，塑料熔化时间更长，有利于促进界面的化学反应，因此接头的力学性能大幅提高，最大载荷约为1 335 N。并且曲线到达峰值后出现一段缓慢下降的过程，这表明连接界面的不同区域阶段性失效，接头呈现出韧性断裂的特征。

    译

    fig

    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

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    图8为COS-RSW十字搭接接头失效界面形貌与温度场预测结果的对比。参数1#中，接头的力学性能较弱，沿Al5052-CFRP界面断裂，呈现出脆性断裂特征。界面温度高于CFRP的熔点（220 ℃）的区域在拉伸过程中产生塑性变形，呈现出灰白的颜色。中心位置熔化的塑料在电极压力作用下被挤出，形成短划线外侧的环形区域。

    译

    fig

    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

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    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。

    译

    3.3 COS-RSW熔化区尺寸变化过程

    图9为两组焊接参数下，Al5052-CFRP同轴单边电阻点焊熔化区尺寸的变化过程。可以看出，由于参数1#采用较小的焊接电流，塑料从0.3 s时开始熔化。随后的加热阶段内熔化区宽度和深度同时变大，冷却至0.6 s时塑料凝固，熔化区消失。参数2#采用更大的焊接电流，熔化区出现更早（0.2 s）且尺寸的增大更为迅速。冷却至1.0 s时，塑料仍没有完全凝固。

    译

    fig

    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

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    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。

    译

    4 结论

    （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。

    译

    （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。

    译

    （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。

    译

    参考文献

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