论文部分内容阅读
摘 要：针对焊接精密钢球强度、精度和表面质量要求，设计内凹半球铜电极并开展了中频点焊焊接试验，获得焊接缺陷情况。然后利用ansys的电流仿真功能，获得了点焊过程中电流分布规律，确定了产生球面局部缺陷的原因，进而优化仿真参数，获得电流分布情况，确定优化参数，指导了焊接电极优化，最终优化上电极并进行焊接试验，获得各项指标合格的理想样件。
关键词：中频点焊 焊接试验 电流分布 焊接电极
中图分类号：TG115 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0112-03
Research on welding technology of precision steel ball based on finite element method
ZHAO Xiaojian
（Institute of physical and Chemical Engineering of nuclear industry， Tianjin， 300180 China）
Abstract：According to the requirements of strength，precision and surface quality of welding precision steel ball，the concave copper electrode was designed and intermediate frequency spot welding test was carried out to obtain the welding defects. Then，by using the current simulation function of ansys，the current distribution law in the process of spot welding was obtained，and the cause of the spherical local defects was determined，then the simulation parameters were optimized，the current distribution was obtained，and the optimized parameters were determined，the welding electrode was optimized，and finally the upper electrode was optimized and the welding test was carried out，and the ideal sample with qualified indexes was obtained.
key words：Intermediate frequency spot welding，Welding test; Current distribution; Welding electrode
機械加工行业中常采用精密车削、磨削和研磨等手段加工球形轴结构件，成本较高，而采用焊接精密钢球的方法获得高精度球形轴结构件，成本较低。为探索焊接精密钢球技术，国内曾采用纯银电极进行电阻点焊试验，获得焊接样件，但球面因局部过热产生氧化变色甚至退火软化而无法使用;曾采用低熔点材料设计电极，焊接样件能满足扭矩需求[1]，但电极因先于钢球熔化而难以重复使用。目前关于电流等参数对焊接质量的影响研究很多[2-3]，通过有限元方法取得了较大进展，尤其是王士军等应用ansys对焊接电流分布进行研究[4]，周婷等对平面接触电阻点焊过程进行研究[5]。以上均对焊接精密钢球研究很有帮助。
本研究选用中频点焊技术，对标准紫铜电极进行改制，设计环状接触面[6]，然后进行点焊钢球试验，以获得球形轴结构件表面缺陷情况及其分布规律;然后利用ansys软件的电流仿真功能模拟焊接过程电流分布，指导焊接工艺优化。
1 工件简介
精密钢球结构件包括钢球和轴杆，两者通过焊接方法连接到一起。作为高精度球形轴结构件，需要兼顾精度和强度，故焊接指标为球面无氧化变色，球面精度无显著降低，工件可以承受200N拉拔力。
2 焊接试验
2.1 装置
焊接设备为专用设备，该设备具备连续多次脉冲放电的功能;上电极为标准紫铜电极端部改制球型凹槽;下电极为带圆柱状贯通槽的圆盘状结构，槽径等于轴杆直径。焊接装置局部如图1所示。
2.2 焊接参数
试验表明，较小电流导致焊接强度过低;较大电流导致焊口金属飞溅。在不考虑重复压力微变对焊接的影响[7]，稳定压力值为3kg的条件下，筛选放电焊接参数见表1。
2.3 焊接试验结果及初步分析
当焊接电流较小（3-5A），放电时间短（0.01-0.025S），焊后钢球表面无氧化变色和划痕，但焊接强度很低，经检测，焊口断裂时拉拔力不超过350N;单独增大焊接电流（8-11kA），焊后钢球表面发生局部氧化变色和压痕，如图2（a）所示;继续增大焊接电流（13-15A），放电瞬间焊口处产生较大爆炸飞溅，威胁操作人员安全;保持小焊接电流，单独延长放电时间（至0.05-0.2S），焊后钢球表面发生严重氧化变色，无明显压痕，如图2（b）所示。
为提高焊接强度，采取增大焊接电流或延长焊接时间的措施后，钢球表面始终存在氧化变色或压痕。氧化变色均位于球面的中下部，压痕位于球面的中部。分析球面上部完好的原因为铜电极的包裹作用分散了球面的电流和热量;球面压痕的原因为球面局部电流过大，引起钢球相应部位的表层金属温度过高而发生软化，相应部位的铜电极在压力的作用下挤压钢球软化表面，使球面产生内凹变形。为明确钢球内部电流分布对焊接质量的影响，通过有限元软件ansys的电流仿真功能，对放电过程中的电流分布进行分析。 3 有限元分析电流分布
金属内部电流分布不可见，也没有设备能够对其进行准确检测。而有限元仿真是呈现电流分布的最佳方法，选取ansys workbench中的二维仿真功能进行电流仿真。
在创建有限元模型时，对模型进行了简化，忽略接触电阻以及电流的趋肤效应。建模并施加载荷，求解获得电流分布如图3所示。
从图3中看出，焊接电流在导体中非均匀分布，B处电流密度最大，A处电流密度高于周边，AB之间电流密度较小，A处以上电流密度最小。综合图2和圖3，由于电流生热与电流密度正相关，B处的大电流产生较大热量，使钢球与轴杆接触面处的金属充分熔化，钢球与轴杆间产生良好的结合，利于焊接;A处的电流集中使该处金属受热过大与空气发生氧化甚至软化，如图2（a）。AB之间的电流使钢球表面与空气发生氧化变色，与图2相符。A处以上球面的电流最小，生热也最少，加上铜电极与其充分接触散热，有效保护了球面。
通过ansys分析获得了接触面边缘电流集中的现象，解释了钢球表面局部氧化变色问题。解决钢球表面氧化变色问题，获得光滑表面的焊接工件，因此开展了上电极结构仿真分析，以接触面的包裹角度为变量，逐渐将接触面的包裹角度由180°增大到270°，仿真获得电流分布情况。仿真结果表明，随着包裹角度增大，电流集中随A下移，向B靠近。图4所示为270°度包裹角度时电流分布情况。此时已有过半球面（A处以上区域）无电流集中，从中随机取点显示电流密度不足A处的1/10。
根据仿真结果，逐渐增大上电极包裹角度，电流集中位置随接触面边缘下移而下移至充分靠近轴杆。考虑钢球与轴杆的尺寸，结合焊接熔融区域压溃现象，优选上电极的包裹角度为270°，此时上电极与轴杆之间有适当间隙，用于焊接过程钢球与轴杆接触区域熔融金属压溃扩展。
4 电极优化与试验
根据有限元分析结果，重新设计了270°包裹角度的专用上电极。按照表1的参数进行焊接试验，获得焊接样件如图5所示。
从图5可以看出，焊接样件的过半球面光亮无氧化变色和压痕，仅焊口局部和轴杆有氧化变色现象，与有限元分析结果一致。轴杆因焊接热而与空气中氧气发生氧化反应，生成暗褐色氧化层，后期采取精密磨削可去除氧化层。设计专用装置检测焊口抗拉强度，样件断裂时的拉拔力为（1.36-2.98）kN，满足强度要求。用仪器检测焊后钢球精度，符合球面轮廓精度±0.0005mm要求。
5 结语
本研究通过焊接试验确定了钢球表面氧化和压痕的位置及状况。利用ansys的电流仿真功能进行了焊接电流分布分析，确定了电流不均匀分布是产生钢球表面缺陷的原因，并仿真进行了焊接上电极结构优化研究，指导了上电极优化;设计了专用上电极并进行焊接试验，获得了强度、精度和表面质量均符合要求的样件。
参考文献
[1] 张一兵，柯瀛，燕松山，等.Sn-Ag-Cu自润滑滚子轴承的高温摩擦学特性[J].润滑与密封，2019，44（12）：7-11，80.
[2] 韩翠萍.不同焊接工艺参数对钢的点焊接头力学性能的研究[J].锻压装备与制造技术，2019，54（5）：116-118.
[3] 杨龙，杨冰，阳光武，等.不锈钢车体点焊接头疲劳特性分析[J].焊接学报，2020，41（7）：18-24，52，97-98.
[4] 王士军，孙增光，周永鑫，等.基于ANSYS的焊接温度场仿真分析[J].热加工工艺，2020，49（9）：120-121，129.
[5] 周婷，程时志，腾志君，等.电触头电阻点焊过程的有限元模拟分析[J].低压电器，2014（8）：13-16.
[6] Dewang Zhao，Daxin Ren，et al. Comparison of mechanical properties and the nugget formation of composite ceramic-centered annular welding and traditional resistance spot welding，International Journal of Mechanical Sciences，Volume187，2020.
[7] 尹孝辉.Effect of welding pressure on mechanical properties of resistance spot welding joint.China Welding. 2020，29（3）：33-38.
关键词：中频点焊 焊接试验 电流分布 焊接电极
中图分类号：TG115 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0112-03
Research on welding technology of precision steel ball based on finite element method
ZHAO Xiaojian
（Institute of physical and Chemical Engineering of nuclear industry， Tianjin， 300180 China）
Abstract：According to the requirements of strength，precision and surface quality of welding precision steel ball，the concave copper electrode was designed and intermediate frequency spot welding test was carried out to obtain the welding defects. Then，by using the current simulation function of ansys，the current distribution law in the process of spot welding was obtained，and the cause of the spherical local defects was determined，then the simulation parameters were optimized，the current distribution was obtained，and the optimized parameters were determined，the welding electrode was optimized，and finally the upper electrode was optimized and the welding test was carried out，and the ideal sample with qualified indexes was obtained.
key words：Intermediate frequency spot welding，Welding test; Current distribution; Welding electrode
機械加工行业中常采用精密车削、磨削和研磨等手段加工球形轴结构件，成本较高，而采用焊接精密钢球的方法获得高精度球形轴结构件，成本较低。为探索焊接精密钢球技术，国内曾采用纯银电极进行电阻点焊试验，获得焊接样件，但球面因局部过热产生氧化变色甚至退火软化而无法使用;曾采用低熔点材料设计电极，焊接样件能满足扭矩需求[1]，但电极因先于钢球熔化而难以重复使用。目前关于电流等参数对焊接质量的影响研究很多[2-3]，通过有限元方法取得了较大进展，尤其是王士军等应用ansys对焊接电流分布进行研究[4]，周婷等对平面接触电阻点焊过程进行研究[5]。以上均对焊接精密钢球研究很有帮助。
本研究选用中频点焊技术，对标准紫铜电极进行改制，设计环状接触面[6]，然后进行点焊钢球试验，以获得球形轴结构件表面缺陷情况及其分布规律;然后利用ansys软件的电流仿真功能模拟焊接过程电流分布，指导焊接工艺优化。
1 工件简介
精密钢球结构件包括钢球和轴杆，两者通过焊接方法连接到一起。作为高精度球形轴结构件，需要兼顾精度和强度，故焊接指标为球面无氧化变色，球面精度无显著降低，工件可以承受200N拉拔力。
2 焊接试验
2.1 装置
焊接设备为专用设备，该设备具备连续多次脉冲放电的功能;上电极为标准紫铜电极端部改制球型凹槽;下电极为带圆柱状贯通槽的圆盘状结构，槽径等于轴杆直径。焊接装置局部如图1所示。
2.2 焊接参数
试验表明，较小电流导致焊接强度过低;较大电流导致焊口金属飞溅。在不考虑重复压力微变对焊接的影响[7]，稳定压力值为3kg的条件下，筛选放电焊接参数见表1。
2.3 焊接试验结果及初步分析
当焊接电流较小（3-5A），放电时间短（0.01-0.025S），焊后钢球表面无氧化变色和划痕，但焊接强度很低，经检测，焊口断裂时拉拔力不超过350N;单独增大焊接电流（8-11kA），焊后钢球表面发生局部氧化变色和压痕，如图2（a）所示;继续增大焊接电流（13-15A），放电瞬间焊口处产生较大爆炸飞溅，威胁操作人员安全;保持小焊接电流，单独延长放电时间（至0.05-0.2S），焊后钢球表面发生严重氧化变色，无明显压痕，如图2（b）所示。
为提高焊接强度，采取增大焊接电流或延长焊接时间的措施后，钢球表面始终存在氧化变色或压痕。氧化变色均位于球面的中下部，压痕位于球面的中部。分析球面上部完好的原因为铜电极的包裹作用分散了球面的电流和热量;球面压痕的原因为球面局部电流过大，引起钢球相应部位的表层金属温度过高而发生软化，相应部位的铜电极在压力的作用下挤压钢球软化表面，使球面产生内凹变形。为明确钢球内部电流分布对焊接质量的影响，通过有限元软件ansys的电流仿真功能，对放电过程中的电流分布进行分析。 3 有限元分析电流分布
金属内部电流分布不可见，也没有设备能够对其进行准确检测。而有限元仿真是呈现电流分布的最佳方法，选取ansys workbench中的二维仿真功能进行电流仿真。
在创建有限元模型时，对模型进行了简化，忽略接触电阻以及电流的趋肤效应。建模并施加载荷，求解获得电流分布如图3所示。
从图3中看出，焊接电流在导体中非均匀分布，B处电流密度最大，A处电流密度高于周边，AB之间电流密度较小，A处以上电流密度最小。综合图2和圖3，由于电流生热与电流密度正相关，B处的大电流产生较大热量，使钢球与轴杆接触面处的金属充分熔化，钢球与轴杆间产生良好的结合，利于焊接;A处的电流集中使该处金属受热过大与空气发生氧化甚至软化，如图2（a）。AB之间的电流使钢球表面与空气发生氧化变色，与图2相符。A处以上球面的电流最小，生热也最少，加上铜电极与其充分接触散热，有效保护了球面。
通过ansys分析获得了接触面边缘电流集中的现象，解释了钢球表面局部氧化变色问题。解决钢球表面氧化变色问题，获得光滑表面的焊接工件，因此开展了上电极结构仿真分析，以接触面的包裹角度为变量，逐渐将接触面的包裹角度由180°增大到270°，仿真获得电流分布情况。仿真结果表明，随着包裹角度增大，电流集中随A下移，向B靠近。图4所示为270°度包裹角度时电流分布情况。此时已有过半球面（A处以上区域）无电流集中，从中随机取点显示电流密度不足A处的1/10。
根据仿真结果，逐渐增大上电极包裹角度，电流集中位置随接触面边缘下移而下移至充分靠近轴杆。考虑钢球与轴杆的尺寸，结合焊接熔融区域压溃现象，优选上电极的包裹角度为270°，此时上电极与轴杆之间有适当间隙，用于焊接过程钢球与轴杆接触区域熔融金属压溃扩展。
4 电极优化与试验
根据有限元分析结果，重新设计了270°包裹角度的专用上电极。按照表1的参数进行焊接试验，获得焊接样件如图5所示。
从图5可以看出，焊接样件的过半球面光亮无氧化变色和压痕，仅焊口局部和轴杆有氧化变色现象，与有限元分析结果一致。轴杆因焊接热而与空气中氧气发生氧化反应，生成暗褐色氧化层，后期采取精密磨削可去除氧化层。设计专用装置检测焊口抗拉强度，样件断裂时的拉拔力为（1.36-2.98）kN，满足强度要求。用仪器检测焊后钢球精度，符合球面轮廓精度±0.0005mm要求。
5 结语
本研究通过焊接试验确定了钢球表面氧化和压痕的位置及状况。利用ansys的电流仿真功能进行了焊接电流分布分析，确定了电流不均匀分布是产生钢球表面缺陷的原因，并仿真进行了焊接上电极结构优化研究，指导了上电极优化;设计了专用上电极并进行焊接试验，获得了强度、精度和表面质量均符合要求的样件。
参考文献
[1] 张一兵，柯瀛，燕松山，等.Sn-Ag-Cu自润滑滚子轴承的高温摩擦学特性[J].润滑与密封，2019，44（12）：7-11，80.
[2] 韩翠萍.不同焊接工艺参数对钢的点焊接头力学性能的研究[J].锻压装备与制造技术，2019，54（5）：116-118.
[3] 杨龙，杨冰，阳光武，等.不锈钢车体点焊接头疲劳特性分析[J].焊接学报，2020，41（7）：18-24，52，97-98.
[4] 王士军，孙增光，周永鑫，等.基于ANSYS的焊接温度场仿真分析[J].热加工工艺，2020，49（9）：120-121，129.
[5] 周婷，程时志，腾志君，等.电触头电阻点焊过程的有限元模拟分析[J].低压电器，2014（8）：13-16.
[6] Dewang Zhao，Daxin Ren，et al. Comparison of mechanical properties and the nugget formation of composite ceramic-centered annular welding and traditional resistance spot welding，International Journal of Mechanical Sciences，Volume187，2020.
[7] 尹孝辉.Effect of welding pressure on mechanical properties of resistance spot welding joint.China Welding. 2020，29（3）：33-38.