Den seneste udvikling inden for modstandssvejsning

I de senere år, med den hurtige udvikling af industrier som biler, rumfart, byggeri, transport og lette industrielle apparater, er tilsvarende industriprodukter konstant blevet opdateret og udviklet inden for deres materialer, strukturer og anvendelsesområder og kravene til produktforarbejdning kvaliteten er konstant blevet forbedret. Som en meget anvendt materialebearbejdningsteknologi i fremstillingen af ​​disse industriprodukter har modstandssvejsning også stået over for store udfordringer.
På grund af kompleksiteten af ​​modstandssvejseprocessen inkluderer den forskellige påvirkningsfaktorer, såsom materialet, der svejses, strøm, elektrodetryk, energitilførselstid, elektrodeendefladeform og størrelse, shunt, afstand fra kanten af ​​loddeforbindelsen, plade tykkelse og overfladetilstand af emnet. Disse faktorer hænger sammen og har en vis interaktion. Samtidig udgør usynligheden af ​​svejseklumper under svejseprocessen og den øjeblikkelige karakter af svejseprocessen betydelige vanskeligheder for svejsekvalitetskontrollen. For at imødekomme behovene for industriel udvikling og anvendelse af nye materialer, processer og produkter og for at imødekomme kravene til moderne produktion, har svejseindustrien i forskellige lande gjort meget arbejde med modstandssvejseteknologi og udstyrskontrol i sidste årti, hovedsageligt med fokus på følgende aspekter: 1) Computersimuleringsforskning af modstandssvejseproces
2) Forskning i nye materialers svejsbarhed
3) Forskning i kvalitetsovervågningsmetoder til modstandssvejsning
Computersimuleringsforskning om modstandssvejseproces
Modstandssvejsning er en kompleks proces, der involverer elektricitet, varmeoverførsel, metallurgi og mekanik, som omfatter elektromagnetiske og varmeoverførselsprocesser under svejsning, metalsmeltning og størkning, fasetransformation under afkøling, svejsespænding og deformation osv. For at opnå en høj kvalitet svejset samling, er det nødvendigt at kontrollere disse faktorer. Den traditionelle modstandssvejseproces og parameterformuleringsmetode opnås gennem en række proceseksperimenter og empiriske data. Men med hensyn til udvikling vil numeriske simuleringsmetoder med fremskridt inden for computerteknologi spille en stadig vigtigere rolle. For eksempel mangler fremstilling af nye tekniske strukturer ved hjælp af materialer som højstyrkestål, især til nogle vigtige rumfartsstrukturer, erfaring at stole på. At akkumulere data udelukkende ved hjælp af eksperimentelle metoder ville tage lang tid og omkostninger, og ethvert forsøg eller fiasko ville resultere i betydelige økonomiske tab. På dette tidspunkt vil numeriske metoder udnytte deres unikke muligheder og fordele. Så længe anvendeligheden af ​​numeriske metoder til at håndtere et bestemt problem påvises gennem et lille antal valideringsforsøg, kan en stor mængde screeningsarbejde udføres ved hjælp af computere, uden behov for omfattende eksperimentelt arbejde i værksteder og laboratorier. Dette sparer i høj grad arbejdskraft, materielle ressourcer og tid og har betydelige økonomiske fordele. Når forskellige svejsefænomener kan simuleres af computer, kan vi bestemme det optimale design, optimale procesmetoder og svejseparametre til svejsning af forskellige strukturer og materialer gennem computersystemer. Derudover er numerisk simulering i vid udstrækning brugt til at analysere styrken og ydeevnen af ​​punktsvejsede samlinger.
På grund af usynligheden af ​​dannelsen af ​​modstandspunktsvejsningsklumper er eksperimentel observation ret vanskelig, og etableringen af ​​teoretiske modeller er af stor værdi for dens analyse og forskning. Siden Nied etablerede den oprindelige finite element punktsvejsning analysemodel i 1984, har der været mange finite element modeller for punktsvejsning, som har givet teoretisk grundlag for den faktiske produktion.
Med den dybdegående anvendelse af finite element numeriske simuleringsmetoder inden for modstandssvejseforskning har international forskning på dette område i de senere år hovedsageligt fokuseret på følgende tre aspekter:
1. Vedtagelse af finite element simuleringsmetoden for elektrisk termisk mekanisk kobling
Modstandspunktsvejseprocessen er en kompleks proces, der involverer vekselvirkningen mellem elektriske, termiske, mekaniske og metallurgiske fænomener. Denne proces omfatter problemer med elektriske felter, varmeledningsproblemer og termiske elastoplastiske deformationsproblemer. Derfor er det nødvendigt at overveje vekselvirkningen og koblingseffekterne af alle disse problemer, såvel som ændringerne i kontakttilstanden mellem emneelektroden og emnegrænsefladen forårsaget af tryk, og den vigtige indflydelse af termisk deformation i disse vekselvirkninger. Strengt taget bør løsning af sådanne koblingsproblemer samtidig løse det elektriske felt, det termiske felt og kraftfeltet. Derfor har den endelige elementanalyse af modstandspunktsvejsning i de senere år gradvist udviklet sig fra isoleret elektrisk felt, termisk felt og kraftfeltanalyse til elektrisk termisk mekanisk koblingsanalyse. For eksempel brugte den amerikanske forsker Sun, X. elektrisk termisk mekanisk kobling finite element simulering til at studere væksten og termisk fordeling af svejseklumper i punktsvejseprocessen, og studerede modstandspunktsvejsning af aluminiumslegering og stålplade med mellemliggende overgangsmaterialer. Simuleringsresultaterne er blevet eksperimentelt verificeret: denne model kan bruges i elektrodevalgsstadiet til at reducere svejsedeformation og forbedre svejsekvaliteten; Den koreanske lærde Cha, BW opnåede den resterende spænding efter svejsning og punktsvejseparametrene, der påvirker den resterende spænding gennem den elektriske termiske mekaniske analyse af modstandspunktsvejseprocessen af ​​304 rustfrit stål; Feng, Z. og andre forskere har udviklet en integreret model til at simulere processen og ydeevnen af ​​modstandspunktsvejsning. Den kombinerer de grundlæggende fysiske fænomener og belastningsforhold ved punktsvejsning. Denne metode består af tre dele: procesmodel, mikroskopisk model og strukturel model. Det kan udførligt evaluere ydeevnen af ​​punktsvejsesamlinger under påvirkning af elektricitet, varme og kraft; I studiet af modstandspunktsvejsning af aluminiumlegeringer brugte den japanske lærde De, A en finite element-model koblet med elektricitet, varme og kraft til at forudsige diameteren og dybden af ​​svejseklumpen, såvel som kontaktdiameteren mellem elektroden og pladen under forskellige svejsestrømme, svejsetider og elektriske kræfter. Det er blevet bekræftet, at denne model er meget nyttig til offline-detektering af svejseparametrenes indflydelse på størrelsen af ​​svejsefugen.
Nøjagtighedsanalyse af computersimulering
Med den stadig mere udbredte anvendelse af computersimuleringsmetoder i modstandssvejseprocesforskning, for at videreudvikle den til industriel produktion, er det nødvendigt at overveje, hvor meget fejl denne simuleringsmetode har? Hvordan man forbedrer nøjagtigheden af ​​numerisk simulering for at gøre resultaterne tættere på den faktiske svejsesituation. For nylig har nogle udenlandske forskere udført specialiseret forskning på dette område, såsom den amerikanske forsker Cavendish, James C., der nævnte i en artikel, at et vigtigt spørgsmål ved evaluering af computersimuleringsmodeller er at afgøre, om de er nøjagtige nok. Normalt bruges Bayesianske sætnings statistiske strategier til at analysere fejlområdet for simuleringsberegninger. Men i situationer, hvor der er mange input, ukendte parametre og store mængder data, bliver statistisk analyse ret vanskelig. Hasselman, Timothy og andre forskere brugte en elektrisk termisk-mekanisk finite element-model til at analysere modstandspunktsvejseprocessen for aluminiumlegeringer, beregne størrelsen af ​​svejseklumperne og overfladeindrykningen og brugte hovedelementmetoden baseret på usikkerhedsmodelmetoden. Forudsigelsesnøjagtigheden af ​​finite element-metoden blev opnået ved at analysere den lineære gennemsnitlige kvadratiske afvigelse af svejseklumpens størrelse og indrykningsstatistikker.
Industrielle anvendelser af computersimulering
Computer numerisk simulering har fordele såsom lave omkostninger, fleksible parameterændringer og bekvemmelighed. Men det meste af det bruges i øjeblikket til offline beregning og simulering. Hvordan man effektivt kan anvende denne metode til online evaluering og kontrol af svejsekvalitet i industriel produktion er også blevet et fokus for forskning af svejseforskere i de senere år. Danske forskere Zhang og Wenqi har udviklet en ny finite element metode baseret svejsesoftware, SORPAS, baseret på langsigtet ingeniørforskning og industrielt samarbejde, til simulering af modstandsprojektionssvejsning og punktsvejseprocesser. For at gøre det muligt at anvende softwaren direkte af ingeniører og teknikere på fabrikken, tages alle parametre i modstandssvejsning i betragtning og implementeres automatisk i softwaren. Denne software understøtter en Windows-venlig grænseflade, fleksibel betjening og giver mulighed for fleksibelt geometrisk design af emner og elektroder. Parameterindstillinger er som formelle svejsemaskiner, og det kan bruges i industrien til at understøtte produktudvikling og procesoptimering. Nu tager virksomheder som Volkswagen, Volvo, Siemens og ABB alle denne software i brug. Li og Wei fra University of Washington i USA foreslog en kvalitetsevalueringsmodel for punktsvejsning baseret på kontaktområdet. Den bruger en finite element-analysemodel til at repræsentere ændringer i kontaktområdet og anvender den online baseret på simuleringsresultater. Gennem eksperimenter har det vist sig, at denne metode er vellykket under forskellige elektrodestørrelser, elektriske kræfter, svejsetider og strømme. Det vil give vigtig information til overvågning og kontrol af modstandssvejsning.
Forskning om svejsbarhed af nye materialer
Med den hurtige udvikling af industrien er der blevet stillet højere krav til ydeevnen af ​​industrielle produkter (især biler) skalmaterialer, hvilket har fremmet opdatering og udskiftning af produktmaterialer. For eksempel, for at forbedre korrosionsbestandigheden af ​​biler og forlænge levetiden af ​​biler, er galvaniserede stålplader i vid udstrækning brugt til bilkarosserifremstilling i stedet for almindelige koldvalsede stålplader; For at reducere køretøjets samlede vægt og spare energiforbrug, udvikler store bilvirksomheder rundt om i verden biler med aluminiumslegering eller højstyrkestålkarosserier. På grund af den udbredte brug af modstandspunktsvejsemetoder ved montering og fremstilling af tyndpladestrukturer såsom bilkarosserier, er det blevet en presserende opgave at studere modstandspunktsvejseydelsen af ​​nye materialer såsom aluminiumslegeringer, galvaniserede stålplader og højstyrkestål for at sikre svejsekvalitet. I de senere år har svejsearbejdere fra forskellige lande lavet en masse teoretisk og praktisk forskning på dette område og har opnået visse resultater.
Forskning i modstandspunktsvejsning af 1 aluminiumslegering
Aluminiumslegering har egenskaberne lavt smeltepunkt, lav flydespænding, god ledningsevne og termisk ledningsevne og tilstedeværelsen af ​​overfladeoxidfilm, hvilket har bragt store vanskeligheder med modstandspunktsvejsning. I de senere år har svejseeksperter fra forskellige lande primært udført følgende forskning:
I undersøgelsen af ​​levetiden for pletsvejseelektroder af aluminiumlegering brugte Lum og L fra University of Waterloo i USA scanningselektronmikroskopi, SEM/EDX, XRD og andre metoder til at studere levetiden for 5182 pletsvejseelektroder af aluminiumslegering. Undersøgelsen viste, at fra elektrodenedbrydning til endelig svigt gik den hovedsageligt gennem fire faser: aluminiumskrælning, aluminium- og kobberlegering, elektrodeendefladegrubning og elektrodeendefladegrubning. Da pitting og pitting stammer fra aluminium afskalning og legering, mener forfatteren, at regelmæssig rengøring af elektrodeoverfladen kan øge elektrodernes levetid, hvilket er gavnligt for anvendelsen af ​​aluminiumslegering i bilproduktion; Fresz, B fra University of California i USA, undersøgte effekten af ​​legeringssammensætning på elektrodelevetiden for kobberelektroder. Forskellige kobberelektrodematerialer såsom Cu Cr, Cu Zr, Cu Cr Zr, Cu Be blev brugt i eksperimentet; Forskere som Dorn og Lutz foreslog at bruge kompositelektroder til punktsvejsning af aluminiumlegeringer for at forbedre deres levetid. De undersøgte brugen af ​​kompositelektroder med wolfram indlejret for enden af ​​chromzirconium kobberelektroder til svejsning af aluminiumslegeringer, og fandt ud af, at elektrodens levetid kan øges med 1,5 til 2 gange.
I forskningen i aluminiumslegeringspunktsvejseteknologi udførte forskere som Sari og H. aluminiumlegeringspunktsvejseproceseksperimenter for at studere forholdet mellem elektrodekontaktradius og kontaktmodstand under aluminiumlegeringspunktsvejsning, såvel som forholdet mellem elektrodekontaktradius og kontaktområde mellem emne og emne; Cho, Y fra University of Michigan i USA, brugte eksperimentelle forskningsmetoder til at sammenligne modstandspunktsvejsningsprocessen for aluminiumslegering og stål. Baseret på klingeformkurven opnået fra eksperimentet, blev det tilgængelige svejsestrømområde og knapdiameter efter svejsepunktsfejl bestemt, og disse to parametre blev brugt til at evaluere punktsvejsekvaliteten af ​​aluminiumslegering og stål. Forsøget viste, at elektrodestørrelsen har en væsentlig indflydelse på knapdiameteren efter svigt af stålsvejsepunkt, men der er ikke noget godt tilsvarende forhold til aluminiumssvejsepunkt, og knapdiameteren efter aluminiumssvejsepunktsfejl svinger meget.
Derudover har finite element simulering af aluminiumslegeringspunktsvejseprocesser også været et varmt forskningsemne blandt forskere fra forskellige lande i de seneste år.
Forskning i modstandspunktsvejsning af 2 højstyrkestål
Avanceret højstyrkestål har fordelene ved høj styrke, god formbarhed, høj hærdningsevne, høj energiabsorptionshastighed og udmattelsesstyrke samt god anti-kollisionsydelse. Derfor er dets anvendelse i letvægtskonstruktion af biler stigende dag for dag, og forskning i svejsbarheden af ​​modstandssvejsning af højstyrkestål er også dukket op. På nuværende tidspunkt fokuserer svejseeksperter fra forskellige lande hovedsageligt på svejsbarheden af ​​forskellige højstyrkestål, indflydelsen af ​​svejsespecifikationsparametre på mikrostrukturen og egenskaberne af svejsede samlinger og optimering af svejseprocedurer og processer i modstandssvejsning af højstyrke stål. For eksempel har forskere som Shi og G fra TWI Global Center for Materials Connection Technology i Storbritannien undersøgt ændringen af ​​punktsvejseprocedurer for højstyrkestål og virkningerne af basismaterialestyrke og svejsehærdning på ydeevnen af ​​svejsede samlinger ; Japanske forskere Otani, Tadayuki og andre gennemførte en systematisk undersøgelse af modstandspunktsvejseegenskaberne for ultrafinkornet højstyrkestål. Undersøgelsen viste, at på grund af den forskellige elektriske resistivitet og styrke af højstyrkestål ved høje temperaturer sammenlignet med lavkulstofstål, kræver det en større svejsestrøm end lavkulstofstålplader at opnå samme størrelse svejseklumper under punktsvejsning. Samtidig er kulstofækvivalenten for denne stålplade meget lav. Selvom hovedstrukturen af ​​svejseklumperne efter svejsning er martensit, begrænser den lave kulstofsammensætning hærdningen af ​​svejseklumperne. Derfor kan punktsvejsede samlinger af dette materiale opnå høj trækstyrke og lodret trækstyrke uden anløbning; Den franske lærde Mimer, M foreslog en metode til at forbedre modstandspunktsvejseydelsen af ​​højstyrkestål og ultrahøjstyrkestål gennem postsvejsehærdningsproces gennem eksperimentel forskning; Japanske lærde Sakuma og Yasuharu forskede også i punktsvejsning af højstyrke galvaniserede stålplader.
Forskning i modstandspunktsvejsning af 3 galvaniserede stålplader
For at forbedre produkternes korrosionsbestandighed bruges forskellige typer galvaniserede stålplader i stigende grad i industrier som biler og husholdningsapparater. I henhold til forskellige galvaniseringsprocesser og sammensætninger er galvaniserede stålplader opdelt i: galvaniseret galvaniseret plade, varmgalvaniseret plade, Zn-Ni legering belagt plade, Zn-Fe legering belagt plade osv. På grund af de forskellige fysiske og elektriske egenskaber af belagt metal sammenlignet med stål med lavt kulstofindhold, er modstandspunktsvejseydelsen af ​​galvaniseret stålplade væsentligt forskellig fra den samme type stålplade, som ikke er blevet galvaniseret. Med hensyn til dens ydeevne stilles der højere krav til kvaliteten af ​​samlinger, det vil sige ved punktsvejsning er det nødvendigt at sikre, at der produceres tilstrækkelig styrke, samtidig med at belægningen beskyttes rimeligt.
På grund af vanskelighederne med punktsvejsning og svejsbarhed af galvaniserede stålplader, har svejsearbejdere fra forskellige lande udført omfattende forskning i svejsbarheden af ​​galvaniserede stålplader i de senere år med fokus på svejseprocesspecifikationer, numerisk simulering af svejseprocesser, elektrodelevetid og andre spørgsmål.
På nuværende tidspunkt er forskningen i svejseprocessen af ​​galvaniserede stålplader grundlæggende moden internationalt, og yderligere forskningshotspots fokuserer hovedsageligt på, hvordan man kan forbedre levetiden for punktsvejseelektroder til galvaniserede stålplader, såsom at bruge spredte forstærkende kobberlegeringer eller forbedre servicen elektrodernes levetid ved lavtemperaturbehandling.
Forskning i kvalitetsovervågningsmetoder til modstandssvejsning
På grund af den udbredte, vigtige og repræsentative anvendelse af modstandssvejseteknologi er sikring af svejsekvalitet blevet hovedmålet for modstandssvejseforskning. Kvalitetskontrol af punktsvejsning har altid været et af de vigtige emner, som forskere i svejseindustrien i ind- og udland er forpligtet til at forske i. For eksempel har Japan Welding Association etableret en forskningsgruppe for punktsvejsning kvalitetsovervågning og -testning, og USA har også gennemført et 2 mm forskningsprojekt for at løse modstandspunktsvejsning i bilindustrien. På nuværende tidspunkt er en stor udfordring for svejseproceskontrolingeniører at udforske en pålidelig, billig og ikke-destruktiv teknologi til at skelne kvaliteten af ​​loddesamlinger og forudsige deres styrke i realtid.
I de senere år har forskning i kvalitetsovervågning af modstandssvejsning været stigende, og dens midler og metoder er blevet stadig mere avancerede, hovedsageligt med fokus på følgende aspekter
Realtidsovervågning af direkte variable i punktsvejseproces
Cho, Y fra University of Michigan i USA, brugte et højhastigheds digitalkamera til at overvåge dannelsesprocessen af ​​svejseklumper i realtid, undersøgte mekanismen for dannelse af svejseklumper ved modstandspunktsvejsning og dens indflydelse på svejseprocessen parametre.
Realtidsdetektering af indirekte elektriske parametre i punktsvejseproces
Den amerikanske forsker Matsuyama, K foreslog en ny overvågningsalgoritme baseret på energibalanceintegralform. Dette system opnår svejsespænding, strøm og total pladetykkelse, beregner gennemsnitstemperaturen under svejsning og forudsiger diameteren og sprøjtningssituationen for svejsepunkter. Det er en billig overvågningsmetode i realtid til punktsvejsning; Forskere som Jou og Min har udforsket en overvågningsmetode til at sikre styrken og kvaliteten af ​​loddesamlinger ved at ændre kontrolparametrene for udgangssignalet. Forskningsmetoden involverer at skabe en sammenhæng mellem procesoutput og procesinputvariabler relateret til loddesamlingens kvalitet, og valget af inputparametre påvirker direkte varmetilførselsprocenten af ​​loddesamlingens størrelse og styrke. Valget af outputelektrodeforskydning kan nøjagtigt afspejle væksten og deformationen af ​​smeltekernen. Denne overvågningsmetode er blevet anvendt til punktsvejsning af stålplader til biler.
I de senere år har mange forskere været engageret i forskning i at bruge dynamisk modstandsmetode til at overvåge kvaliteten af ​​loddeforbindelser. For eksempel har forskere fra Fanuc Robotics i USA, såsom Garza og Frank, forudsagt, analyseret og klassificeret dynamisk modstand og har bevist i praktiske anvendelser, at denne metode er effektiv til at opdage defekte loddesamlinger; Kinesiske forskere Wang, SC og andre har undersøgt, at dynamisk modstand opnås gennem den samlede temperatur i svejsezonen, som er relateret til modstanden af ​​emnet i svejsezonen, modstanden mellem emnet og elektroden og modstanden mellem arbejdsemnet og arbejdsemnet. Den målte dynamiske modstandskurve kan opdeles i fire trin: 1) den falder hurtigt med faldet i kontaktmodstanden; 2) Hovedsageligt afhænger af stigningen i volumenmodstanden for emnet og den tilsvarende stigning i dynamisk modstand; 3) Arbejdsemnets volumenmodstand stiger, men kontaktmodstanden falder, hvilket resulterer i en stigning i dynamisk modstand; 4) På grund af dannelsen af ​​smeltede kerner på kontaktfladen falder den dynamiske modstand. Eksperimenter har fundet ud af, at svejseklumper dannes i tredje og fjerde trin; Cho, Y fra University of Michigan i USA, overvandt problemerne med traditionelle metoder til måling af dynamisk modstand i sekundære kredsløb i realtidsovervågning ved at måle øjeblikkelig strøm og spænding i det primære kredsløb og bestemme forholdet mellem disse faktorer og svejsning kvalitet gennem regressionsanalyse.
Realtidsovervågning af relæparametre under punktsvejseproces
Senkara, J fra University of Warszawa, etablerede en sprøjtforudsigelsesmodel for punktsvejsede samlinger, som er baseret på samspillet mellem mekanik og metallurgiske processer ved svejsning. Ved at bruge en model til at beregne den elektriske kraft og væskesmeltekraften under punktsvejsning opstår sprøjt, når sidstnævnte er større end førstnævnte, og modellen er eksperimentelt valideret med gode resultater. Denne model kan bruges til at guide valget af elektrodetryk; Den amerikanske forsker Tang, H undersøgte indflydelsen af ​​svejsemaskiners mekaniske egenskaber på modstandspunktsvejseprocessen og svejsekvaliteten. Undersøgelsen viste, at svejsemaskinernes stivhed og friktion har en væsentlig indflydelse på svejseprocessen og svejsekvaliteten, mens bevægelsens inerti ikke har en væsentlig indflydelse på svejseprocessen og svejsekvaliteten; Danske forskere Wu og Pei mener, at modstandssvejsemaskinernes mekaniske dynamiske respons har en væsentlig indflydelse på svejsekvalitet og elektrodelevetid. Derfor skal det overvejes i svejseproduktion og simulering. På grund af kompleksiteten af ​​den mekaniske struktur af svejsemaskiner er det vanskeligt at opnå nogle relevante koefficienter i simuleringsligningen. Eleven opnåede disse parametre gennem eksperimenter og MATLAB-beregninger.
Neural netværk forudsigelse af 4 lodde led kvalitet
Forskere som Cho og Yongjoon fra University of Michigan i USA brugte den dynamiske modstandsmetode til at evaluere kvaliteten af ​​punktsvejsning og kombinerede Hopfield neurale netværksteori for at forudsige kvaliteten af ​​loddeforbindelser. Resultaterne viste god overensstemmelse med træk- og forskydningsstyrken opnået fra de faktiske svejsede prøver; Podrzaj, Primoz og andre forskere brugte LVQ (Linear Vector Quantization) neurale netværksmetode til at detektere pletsvejsesprøjt af forskellige materialer, og resultaterne viste, at det elektriske kraftsignal er den vigtigste indikator for sprøjtgenerering.