电阻焊软件在焊接参数确定中的应用

作者:成 起 石碧亮 陈文娟 文章来源:陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院 点击数:693 发布时间:2013-09-06

由于电阻焊具有可靠性高、效率高、成本低、外观美观及污染小等优点,目前在大部分汽车车身的焊接中使用率高达90%以上。由于Sorpas软件具有操作简单、处理速度高效及输出格式丰富直观等优点,使其成为一种高效、准确且实用的电阻焊分析优化工具。

Sorpas是一个专业分析电阻焊的软件,近几年,国内一些企业已开始借助它来进行电阻焊接提升的研究。Sorpas软件可用于材料可焊性的分析和评估、电极的选择以及焊接参数的选择和优化,同时在改进焊接质量、降低成本和改善车间环境等方面也有着十分广泛的应用。

Sorpas软件可以模拟两层及多层板材(钢板、铝板或其他材料)的电阻点焊、螺母及螺栓的凸焊、滚焊、带间隙的电阻点焊、单面焊、电极偏心(倾斜)、包边焊、丝焊、轮辋对焊以及铆接等形式的焊接。其软件界面简单,操作流程是单线的,不需要复杂的培训,工程人员就可上手使用。如图1所示,友好的图形化交互界面是工程师自己设计出来而供同行使用的,因此,它更易于工程人员学习和使用。根据以往用户的经验,经过1~2天的学习和使用即可以让工程师达到预期的使用水平。根据用户各自不同的需求,该软件可以提供各种分析报告,这些报告能给我们提供一目了然的信息,为工程师做出判断和决策提供了有力的帮助。

软件的理论基础

Sorpas软件的开发是建立在有限元模型分析(FEM)、力学、电学、冶金学及大量实际试验数据积累基础上的。它可以模拟材料(从一层到多层的不同层数)在电极不同压力及通有不同电流情况下的熔核形成过程,可以预估板材在通电、加压的情况下的飞溅情况。

其基本原理依据物力学公式:

Q=I2Rt

式中Q——产生的热量,单位为J;

I——焊接电流,单位为A;

R——电极间电阻,单位为Ω;

t——焊接时间,单位为s。

电流(I)主要由焊接电源决定。不同的焊接电源及设置会实现不同波形的电流,在软件中可以通过选择电流的波形、上升时间、持续焊接时间、电流脉冲以及下降时间等参数来分别设置。

电阻(R)主要包括电极的电阻和工件的电阻。工件的电阻影响因素主要有每层板厚材料自身的电阻、涂层的电阻、板材之间的接触电阻以及板材与电极之间的接触电阻等。电极的电阻在分析中主要用来判断电极自身的发热情况,主要由上、下电极的材料和电极的形状来决定。如图2所示,其中每个部分的材料都可以单独设置。材料在通电后产生电阻热对材料本身产生冶金效应,软件可以模拟加热及冷却过程中不同阶段的微观组织及最终冷却后等全过程状态的变化。

时间(t)主要包括焊接时间和非焊接时间,其中非焊接时间又分为预压和保压时间。不同的预压及保压时间对焊接强度及飞溅等都有显著的影响。

另外,Sorpas软件也有分析焊点形状及压痕及裂纹趋势的功能。在设置好板材及电极信息后,软件会自动将它们划成我们想要的精细程度的平面单元格,由于平面单元格数据量较小,因此软件的运算速度非常快,软件内部将划好的平面单元格转换为实际的立体数据进行运算。在焊接的不同阶段,不同温度下的材料硬度及屈服强度也不同,在施加设置压力时会产生一定的变形,最终冷却就形成了我们看到的焊痕。由于存在残余应力,因此焊点也存在裂纹的可能,这在软件中也可以进行预估,如图3所示。此外,在软件中还可以设置冷却水的流量等信息,从而让模拟分析更为接近实际。

软件中的数据库

在软件的主菜单中有4个重要的数据库,即:材料库、电极库、板材库和焊机库,工程师可以对库文件进行编辑、修改和添加数据等操作。

材料库汇集了各种焊接材料、涂覆材料(常用的如镀铜、镀锌和镀铬等)及非金属材料(如油漆、防锈漆和拉延油等)在不同温度下的电阻、屈服强度、抗拉/压强度、比热容、泊松比、硬度和熔点等数据。

电极库存储了常用的电极截面几何形状。用户可以在电极的形状中设置电极本体和冷却管道的空间,并可自定义自己想要设计的电极形状,如图4所示。常用的电极包括点焊和凸焊电极。

板材库中包括常用板材的长度、厚度和宽度等尺寸信息。

焊机库中预制了常用的焊机,如交流、直流、逆变和储能等。

软件使用方法

1. 自动优化

这种运算方法使用在以前没有任何可供参考的历史数据的情况下。

运算流程:在软件中设置实际所要预估板材的材料信息(板材层数、次序、每层的厚度、材料和涂层)、电极信息(电极形状、材料和是否冷却)、所需要的焊核直径以及焊机信息(可选);软件经过计算给出推荐的电流、压力机焊接时间。

软件给出的参数可以作为初始数据的输入,后期在此基础上可以进行进一步优化改进。

2. 指定优化

这种功能主要应用于一些新材料。对于新型材料电阻焊的模拟,用户只需指定焊接电流、焊接压力或焊接时间其中一项不变,让软件计算其他两个参数变化下的焊接过程,最终得出其他两个参数在取不同值时的可焊性。

指定优化最终可以输出可焊性窗口,窗口中为工程师提供了可供参考的电流、压力、焊接时间与焊点直径或焊点拉应力的关系图,并以图形化的形式给出可供用户选择的可焊区间,如图5所示,绿色区间即为用户可选择的参数,黑色及以前为参数过小,红色及以后为参数过大;同时,也可以得出各种焊接增长曲线,如图6所示。

3. 直接模拟

直接模拟是由工程师输入目前可供参考的参数,使用软件模拟分析其最终焊接强度、焊核、裂纹趋势及焊接过程中是否可能发生飞溅,给优化改进提供参考数据。该方法主要用在已有参数优化和与现有材料类似的焊接参数确定的工作中。此外,该方法也可以给定部分参数,让软件来计算其他部分的推荐参数。

工作流程:除了要输入自动优化需输入的信息外,还需要输入预先设定的压力信息(压力大小、预压及加压时间)和电流信息(波形、上升时间、焊接时间和下降时间等);软件会根据设定的参数进行模拟,并生成焊接过程报告(见图7),报告中可查看焊接过程中任意时间的电极及板材温度分布图、飞溅的形成过程、板材的变形过程以及焊核变化过程等信息(熔深、焊核直径和焊接变形等可以通过软件提供的工具来测量具体数值)。

结语

Sorpas软件具有操作简单、处理速度高效及输出格式丰富直观等优点,是一种高效、准确且实用的电阻焊分析优化工具。焊接参数的优化对于改善焊接质量、降低能耗及减小飞溅十分必要,工程师掌握电阻模拟软件可极大地减少开发新型设计和新型材料的时间和成本。可以说,Sorpas软件是企业工艺人员的一个得力助手,同时也是教学科研人员可靠的辅助工具。