三层板铝合金电阻点焊形核反问题及接头失效机理研究

Automotive lightweight is the development trend of automobile manufacturing industry in 21 century. Aluminum alloy as a kind of lightweight material with many excellent performance, become the preferred material for weight reduction of auto body. The application of three-sheet resistance spot welding (RSW) in automobile production is gradually increased. The quality of spot welds has important effect on the quality of car body. Accordingly, three-sheet aluminum alloy RSW is the insurmountable and must be solved key technology for the automotive lightweight. This project aims at the development demand of automotive lightweight, combines the advantage of aluminum alloy in auto manufacturing, and carries out three basic researches as follows. (1) Inverse estimate of heat source in three-sheet aluminum alloy RSW based on coupled multi-physics signal. (2) Establish the nugget formation prediction model under different thickness configurations based on heat balance theory. (3) Mechanical properties and failure mechanism of three-sheet resistance spot welds. The achievements of this project will reveal the nugget forming mechanism of three-sheet aluminum alloy RSW, propose the quality evaluation method for three-sheet aluminum alloy resistance spot welds, improve the weld quality of three-sheet aluminum alloy RSW, and promote the application of three-sheet aluminum alloy RSW in vehicle manufacturing field.

汽车轻量化是21世纪汽车制造业的发展趋势，铝合金作为一种具备多种优良性能的轻质材料，成为汽车轻量化的首选材料。三层板电阻点焊在车身制造中的应用逐渐增加，其焊接质量对汽车车身质量具有重要影响。因此，三层板铝合金电阻点焊就是实现汽车轻量化过程中，不可避免、必须解决的关键技术。本课题基于汽车轻量化的发展需求，结合铝合金材料在汽车制造中的优势，拟在以下三个方面开展基础研究：（1）基于多物理信号耦合的三层板铝合金电阻点焊热源反演重建研究；（2）基于能量平衡原理的三层板铝合金电阻点焊的熔核形成预测模型研究；（3）三层板铝合金点焊接头力学性能及失效机理研究。本研究将揭示三层板铝合金点焊熔核成形机理，提出三层板铝合金电阻点焊焊接质量的评价方法，提高三层板铝合金电阻点焊的焊接质量，促进三层板铝合金电阻点焊技术在汽车车身制造及相关领域中的应用。

汽车轻量化是21世纪汽车制造业的发展趋势。铝合金作为一种具备多种优良性能的轻质材料，成为汽车轻量化的首选材料。随着三层板电阻点焊在车身结构制造中的应用逐渐增加，其焊接质量对车身质量具有越来越重要的影响。本课题基于汽车轻量化的发展需求，结合铝合金在汽车制造中的优势，开展了以下三个方面的研究。. 1、电阻点焊传热反问题研究. 建立了点焊二维轴对称点焊传热反问题模型，研究电阻点焊过程中电极/工件接触面的接触产热和接触换热系数。研究结果表明，铝合金电阻点焊过程中，电极/工件接触面的接触换热系数在5×105~6.5×106 W·m-2·K-1范围内波动。铝合金电阻点焊中，电极/工件的接触产热大致在6×1011~4.4×1012 W·m-3这个数量级波动，高于相应的体电阻产热。因此在点焊熔核长大的过程中，不能忽略电极/工件接触产热的作用。. 2、三板铝合金点焊熔核形成机理. 研究了等厚与非等厚三板铝合金点焊熔核形成规律。等厚条件下，熔核在两界面呈近似对称式的生长，而在非等厚条件下最终形成一个偏向厚板的熔核。焊接时间的增加，熔核偏移量逐渐减小；而随着电流的增加，熔核偏移量呈现先增大后减小趋势。利用外加磁场可以改善非等厚度铝合金点焊的熔核偏移，同时提高接头的剪切拉伸强度。. 3、三层板铝合金点焊接头失效形式转变. 揭了三层板铝合金点焊接头在剪切拉伸、十字拉伸和剥离测试过程中，接头设计对失效形式转变的影响。在剪切拉伸测试中，接头设计对失效模式具有重要影响；而在十字拉伸和剥离测试中，接头设计对失效模式影响较小。建立了接头从界面断裂转变为纽扣断裂的临界熔核直径预测模型。通过数字图像相关技术验证了基于传统力学测试得出的接头刚度理论和临界熔核直径数学模型，揭示出不同接头形式下力学行为和断裂模式的差异的本质。. 本项目的研究成果揭示了三层板铝合金点焊熔核成形机理和接头失效机理，有助于三层板铝合金点焊的参数和结构优化，促进三层板铝合金电阻点焊技术在汽车车身制造及相关领域中的应用。