22MnB5钢电阻点焊过程模拟及工艺参数优化开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

近几年来,我国的汽车行业在国家政策的帮助下已经蓬勃发展起来,随之而来问题也有很多,包括能源危机和环境污染等,而汽车轻量化是目前比较有效的能够改善上述问题的方案之一,世界各国都在研究这一相关问题。在汽车轻量化的研究过程中,先进高强钢(advanced high strengthsteels,ahss)这种材料在汽车结构中的应用逐渐增加,随着全球能源危机和环境污染的加剧,通过提高先进高强钢(advanced high strengthsteels,ahss) 在汽车结构中的使用比例以达到汽车轻量化的目的,逐渐成为汽车工业未来的发展趋势[1,2]

汽车轻量化和汽车安全性本来是一对相互矛盾的两个概念。传统钢板很难在保证汽车量具有较高安全性能的同时,也具有较好的轻化特性。面对于新型轻量化材料而言,比如铝、铁等新型材料,虽然在汽车轻量化方面得到了很大的提升和改善,但是材料强度却往往不尽如人意,使得这些新型轻量化材料在汽车中的应用和发展遇到了很大的瓶颈。当今社会,正当汽车行业对轻量化材料要求越来越高的时候,新型22mnb5高强度钢板应运而生并及时应用到汽车当中。这种新型钢板在保证汽车实现轻量化的同时,也确保汽车具有更好的安全性能。因此,正是因为这种新型钢铁材料的出现,使得人们对于这种材料的研究越来越多[3,4,5]。由于电阻点焊具有焊接质量好、焊接速度快、易于自动化等优点,所以近几十年来其在汽车工业生产中占据主导地位[6]。所以研究高强钢电阻点焊工艺及接头力学性能,获得最佳工艺参数,对实现车辆轻量化,满足油耗限值要求具有重要意义[7]

在国内外的研究中,主要研究目标集中在如何通过各种软件对焊接过程的模拟,以及建立各种有限元的模型,得到与电阻点焊相关的各项数据,主要有熔核尺寸、喷溅极限电流、温度场变化,以及接头的断裂形式和抗垃剪性能等的研究[8,9,10]。在国内的研究中杨凯等人通过 sysweld 有限元软件对等厚低碳高强度钢的点焊过程进行了电、热、机械的数值模拟分析。并根据电阻点焊实验提供的熔核尺寸和喷溅极限电流对模型进行了验证。结果表明:所有焊点尺寸的平均绝对误差为0.68 mm,所有焊点喷溅极限的平均绝对误差为1.10 ka,模拟结果与实验结果具有一致性[11]。郑文等人利用sorpas软件对超高强度热成形钢板建立了描述点焊熔核形成过程的轴对称有限元模型。通过数值模拟,定量揭示了热成形钢点焊过程中温度场、熔核直径等过程量的变化规律。对比模拟计算与实测结果表明,该模型是可行的,可为超高强度热成形钢的电阻点焊提供指导[12]。姜秋月等人以22mnb5超高强钢淬火状态焊接接头为研究对象,进行了焊接过程中的机械旋压强化处理工艺试验,测试并分析了焊接接头的力学性能、显微组织和显微硬度耐蚀性。结果表明:焊接接头经过机械旋压后,会在接头表面形成一层塑性变形层,晶粒在压头旋压的作用下会被压扁拉长,其分布会更加均匀致密;焊接接头抗拉强度会达到940mpa左右,相对未处理 的焊接接头抗拉强度提高了约100mpa,其显微硬度有小幅增加,但耐蚀性能变化不大[13]

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料选取:采用22MnB5淬火状态的钢板进行试验,该材料的化学成分是以C-Mn系列为主,还有少量的硼元素,其中,w(Fe)=97.7%;w(C)=0.21%;w(Mn)=1.35%; w(B)=0.0033%;w(Si)=0.28%;w(S)=0.004% ;w(P)=0.0055%;w(Cr)=0.23%。

主要内容:通过simfact.welding软件来模拟22MnB5高强钢电阻点焊的过程,建立电阻点焊的有限元模型,设计实验方法来研究不同影响因素对焊点尺寸的影响,并达到优化工艺参数的目的

2.2 研究目标

1、熟练运用simufact.welding软件,完成电阻点焊过程的模拟;

2、运用合适的试验方法,进行多组实验,研究不同因素的不同水平对焊点尺寸的影响;

3、对实验结果进行科学的分析,对影响规律做简单的总结,并达到优化工艺参数的目的。

2.3 技术方案

1、首先是模型的建立,拟采用UG等CAE软件建模,然后采用hypermesh软件来划分网格,将文件转为bdf格式,最后导入simufact.welding中。两块钢板采用搭接接头的形式,尺寸为100mm×30mm,厚度为1.5mm的22MnB5高强钢,搭接区为30mm×30mm。将模型导入到simufact.welding中,通过软件将电阻点焊的过程模拟出来,完成焊接过程的模拟。

2、选择合适的试验方法,通过对比正交实验法和因子设计法、响应曲面法等,最终选择响应曲面法,电极选择锥形电极,材料为Cr-Zr-Cu,电极直径为6mm,角度为120°。根据经验选择的三种影响因素分别为焊接电流I、电极压力F、焊接时间t,范围分别为I=8-12KA,F=3-5KN,t=15-25cyc,分别分为3个水平,I为8、10、12KA,F为3、4、5KN,t为15、20、25cyc,通过响应曲面法中的BBD实验设计法来完成实验设计,因为可以避免影响因素中的极值问题对实验的影响,BBD三因素三水平共需进行15次实验,具体安排见下表。进行实验,记录数据,主要是焊点尺寸。

实验组数

t

F

I

1

-1

-1

0

2

1

-1

0

3

-1

1

0

4

1

1

0

5

-1

0

-1

6

1

0

-1

7

-1

0

1

8

1

0

1

9

0

-1

-1

10

0

1

-1

11

0

-1

1

12

0

1

1

13

0

0

0

14

0

0

0

15

0

0

0

3、采用各种分析方法对实验结果进行分析,包括极差分析法,方差分析法等,可以利用minitab软件来进行数据分析,最终确定最佳参数范围,完成工艺参数优化的目标。


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。完成工艺参数的优化。

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4. 参考文献(12篇以上)


[1]刘思源,王朗,孔谅,王敏,吴嘉元。先进高强钢电阻点焊接头断裂模式的研究进展[J],电焊机,vol47(2017,4),1-7
[2]Kerstens NFH,Richardson IM.Heat distribution in resistance upset butt welding [J],Journal of Materials ProcessingTechnology,2014,209(5):2715-2722
[3] 李效文.22MnB5高强度钢电阻点焊性能探究[D].大连理工大学,2012.
[4] 菅旭.22MnB5高强钢电阻点焊工艺及接头力学性能研究[D].哈尔滨工业大学,2017.
[5]刘如红,符月虹.超高强钢板热冲压成形工艺及装 备的研究[J]液压气动与密封,2015(6):54-56
[6]赵熹华,冯吉才. 压焊方法及设备[M].北京:机械工业出版社.2005
[7]吴斌,曹志福。超高强钢板U形件热冲压回弹研究 [J]热加工工艺,2016(11):140-143
[8] 黄彦彦,凌泽民, 康惠. 基于 SYSWELD 软件的 CO2 焊温度场数值模拟及实验验证 [J]. 金属铸锻焊技术, 2010, 39(13):146-148.
[9] 杨维宇. Thermo_Calc 在马氏体时效钢热处理工艺优化中的应 用[J]. 钢铁研究学报, 2009, 21(11):56-59.
[10] 李静. 低碳钢薄板电阻点焊温度场和应力场的数值模拟 [D].秦 皇岛: 燕山大学, 2008:34.
[11] 杨凯,李珉,张敏.超高强度钢电阻点焊数值模拟[J].铸造技术,Vol.37(9):1191-1194,2016.
[12] 郑文,王敏,孔谅等.超高强度热成形钢电阻点焊的数值模拟[J].上海交通大学学报,Vol.46(7):1074-1078,2012.
[13]姜秋月,杨海峰,檀财旺。22MnB5超高强钢焊接接头强化性能 [J].吉林大学学报,吉林:,2018.48(6):1-2.
[14] M.PouranvariS.SobhaniF.GoodarziResistance spot welding of MS1200 martensitic advanced high strength steel: Microstructure-properties[J] Journal of Manufacturing Processes 10.1016/j.jmapro.2018.01.009
[15] S T Wei,R D Liu,D Lv. Weldability and mechanical properties of similar and dissimilar resistance spot welds of three-layer advanced high strength steels[J]. Science and Technology of Welding and Joining,2015, 20(1):20-26.

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