1. 研究目的与意义（文献综述）

随着现代汽车工业的日益发展，节能减排、提高燃料利用率成了汽车工业亟待解决的问题[1]，因此，材料轻量化也成为了汽车制造业的一种趋势[2]，这已成为实现汽车制造业高速发展与低碳排放，建设环境友好型之间和谐发展的必然选择。作为汽车轻量化最主要的两种材料，高强度低碳钢和铝合金组成的铝-钢一体化车身结构是实现车身框架轻量化和高强度要求的一种重要途径[3]。但由于两者在物理化学、冶金性能等相差较大，这使得两者之间焊接性差，故铝-钢之间的焊接成为了汽车制造业中亟待解决的问题[4,5]。在汽车工业生产中，电阻点焊是主要的连接技术，它具有生产效率高、无需填充材料，操作简便、易于实现自动化等优点[6-9]，因此，研究电极尺寸，电焊参数对温度场和应力场的影响，研究界面冶金特性以及点焊过程中可能出现的问题，有着重要的工程应用价值。

有研究表明，汽车整车质量每下降10%，相应的燃油效率可提高 6%~8%[10]。使用高强钢板或铝合金制造汽车车身及构件，是实现汽车轻量化的有效途径[11]。由于铝和钢的晶体结构、物理性质、化学性质相差较大，且两者之间的固溶度较低，焊接时容易在界面产生脆性的金属间化合物，导致接头性能很差，致使焊接过程中析热不平衡及熔核偏析现象。为此，钢质的工艺垫片被采用以期在点焊过程中对铝合金侧进行热补偿，国内外的学者、公司进行了大量对铝和钢的焊接的研究，几乎涉及了焊接的各个领域，主要分为压焊、钎焊、 熔焊以及这三种方式的复合[12-14] 。基于热补偿原理，福尼斯（fronius）公司开发了电极带式电阻点焊（delta spot）机，将起热补偿作用的电极带安装在电极上，每焊一个焊点后电极带转动一次，使每个焊点都是用新的电极带，从而保证每个焊点都是完美的、一致的。电阻点焊是利用焦耳热将焊件局部熔化而产 生连接，从本质上说电阻点焊是熔化焊。铝合金与钢电阻点焊时，界面发生液液反应而产生脆性金属间 化合物。为了调控界面反应、抑制金属间化合物的生长，在铝合金与钢的电阻点焊中采用过渡层的方法被诸多学者所采用。 同时由于影响因素不易控制，大量的重复试验费时费力，且有着较高的试验成本，所以单纯的试验方法不是最有效的；而焊接数值模拟的技术，能极大的缩短研发周期，节省试验成本，能为铝-钢电阻点焊的研究提供有效的手段和途径，也能为实际生产提供指导性的建议[15-16]。

本研究针对生产中常用的高强钢与铝合金电阻点焊进行了初步的探索与研究。在近年来国内外研究人员对铝-钢异种金属电阻点焊的探究基础之上，基于visual mesh软件对dp590双相钢和6061铝合金建立了有限元模型，通过对电极尺寸和点焊参数的调整，利用simufact.welding专业焊接软件进行点焊过程的模拟。试图解释点焊过程中应力场和温度场的变化，以及铝-钢电阻点焊接头的形成机理。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料选取及加工：选用汽车工业生产中常用的DP590双相钢板和6061-T6铝合金板材为实验材料。以下分别为DP590和AL6061的化学成分及力学性能。

表2.1 DP590钢化学成分

表2.2 Al6061化学成分

表2.3 DP590和Al6061力学性能

对铝-钢焊接，由于铝合金表面常附着有一层氧化膜，直接焊接容易引起飞溅等缺陷，影响焊接接头的质量，所以在焊接前，必须用钢丝刷和砂纸将铝合金表面的氧化膜清除，清除完后用丙酮擦拭表面杂质。对于双相钢板，只需用丙酮去除表面油污即可。

将两块板材均加工为100mm x 25mm x 1mm的焊接试样，焊接时工件采用搭接的方式，长度上搭接量设置为20mm。搭接示意图如图所示。

图2.1 搭接示意图

焊接基本参数设定：

本文研究的变量参数为：焊接电流（kA）及焊接时间（cyc）。

固定参数有：电极压力3kN，预压时间10cyc，保持时间20cyc。

由公式Q=Isup2;RT可看出，焊接过程中焊接电流对热输入Q值的影响最大，也就对焊接接头的成型及相应性能产生的影响最大，故选用焊接电流为变量参数，由于焊接电流过小时，熔核直径较小，会导致接头强度不足，电流过大，则熔核过大甚至出现飞溅、锁孔等缺陷，根据1mm的设计板厚，电流范围应在8~32kA之间，选取10、20、30kA三组数值为研究参数。

焊接时间对电阻点焊的影响也同样重要，研究表明，当焊接时间较短时，表面接头成型尚可，未出现严重喷溅及与其电极的粘连；当焊接时间过长时，则会出现表面成形质量恶化，甚至出现严重的喷溅，还会出现电极材料发生粘连的情况，这是由于时间过长，导致接触区域热量过多，以致表面喷溅及与接头金属与接头反应加剧。故选择5、10、15三组参数作为焊接时间的变量参数。

其余参数均由查询相关标准后，选取建议范围内的数值。

表2.4 预设参数表

电极尺寸依ISO5821-2009（电阻点焊电极帽标准）及国际标准条件表选择，为获得较大且均匀的的电流密度分布，电极端面形状初选为球形，电极材料均为Cu-Cr-Zr，其物理化学性能见下表。型号为F0-16-20-8。

表2.5 Cu-Cr-Zr电极物理性能

边界条件：

环境温度为20℃，组件及电极初始温度为25℃。

2.2 研究目标

1、设定不同的焊接电流，探究对铝-钢点焊温度场、应力场的影响分析；

2、设定不同的焊接时间、探究对铝-钢点焊温度场、应力场的影响分析；

3、对点焊过程中可能出现的问题进行讨论与分析并优化铝-钢点焊工艺参数。

2.3 技术方案

1、基于visual mesh建立有限元分析模型，考虑到材料点焊区域及电极端面附近有较大的应力应变及温度阶梯，为提高数值模拟的准确性，取较小的单元尺寸，最小尺寸为0.25mm，热影响区附近建立过渡网格，最小网格尺寸为1mm，在远离焊点位置网格尺寸逐渐粗化，最大网格为4mm。

2、利用simufact.welding软件，导入制作的DP590及Al6061组件模型，具体参数均调用数据库相关数据。根据预设的边界条件及预设参数对软件进行设定，导出不同参数下的应力场、温度场及形核结果并分析。

3、通过对数值模拟结果的分析及讨论，总结点焊过程中应力场和温度场的变化，以及铝-钢电阻点焊接头的形成机理。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，学习相关软件，完成模型建立。

第8－11周：完成程序设计、计算与调试，得到与实际相吻合的结果。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 秦合舫. 中国汽车产业需要大思维[j] . 中国中小企业，2011(1):42．

[2] 褚东宁. 未来汽车业的发展与材料技术[r]. 上海: 中国机械工程学会材料分会成立三周年纪念学术报告会，2010.

[3] 徐少英. 轿车车身轻量化可行性研究[d] . 上海:同济大学，2002．