电阻点焊过程中固液相变金属特征变化的研究

The growth of liquid nugget is the most critical element for determining the welding quality during the resistance spot welding process. Because the solid-liquid phase change process cannot be directly observed, it is difficulty to accurately establish a model for developing corresponding control system in reality. The goal of this research is to realize the real-time visualization of liquid-solid phase change process. Low-carbon steel workpiece is employed in the experiment because it can display obvious characteristic change during the welding process. For the problem that the solid-liquid phase change is difficult to be directly observed, this research will employ the basic equation of bulk resistance measurement, and utilize the variation characteristics extracted from dynamic resistance and electrode displacement, which are two important process variables, as well as the energy delivery -nugget diameter model for online quality measurement, overcome the negative influences from contact resistance and other uncertain elements, and then combine theoretical analysis and experiment to obtain the variation characteristics of solid-liquid phase change, also, the detailed numerical variation of some key variables can be extracted and verified using finite element model. Then this work can not only optimize the current resistance welding finite element model, but also use finite element model to optimize and verify the experiment process. This research can supply theoretical reference and technical support for online non-destructive welding quality evaluation and resistance spot welding control system design for optimal quality.

液态熔核的增长是决定电阻点焊过程中焊接质量的最关键因素。而固液相变的不可观测性是造成焊接过程难以精准建模从而设计相应控制系统的主要原因。本研究目的在于实现固液相变过程的实时可视化。实验中拟采用过程变化特征明显的低碳钢材料作为研究对象。针对电阻点焊过程中固液相变过程难以直接观测的问题，依据体电阻测量的基本方程，利用从动态电阻和电极头位移这两个重要过程变量中提取出来的变化特征，以及能量输入-熔核直径在线质量检测模型，克服接触电阻以及焊接过程中多种不确定性因素的影响，通过理论分析和实验方法相结合的方式得到焊接过程中固液相变的变化特征，并从中提取出相变过程中关键特征值的数值变化信息，这些信息可以通过有限元模型来验证，从而不但可以优化现有的电阻焊有限元模型，还可通过有限元模型对实验过程进行验证及优化。本研究可为在线无损焊接质量评价、面向最优化质量的焊接控制系统设计提供理论依据和技术支持。

本项目旨在研究电阻点焊过程中，固态金属和液态熔核部分金属特性的变化，这是关于电阻点焊的基础性研究。项目实施以来，项目负责人及研究团队按照申请书所列计划，认真完成了各项工作。在电阻点焊在线过程检测及控制操作方面，通过开发简单快捷的在线电流有效值计算方法，在保障电流有效值准确计算的同时，大大降低了计算时间，从而使得许多复杂的计算和数据处理可以在线完成。另外，我们研究了针对电阻点焊的一致性能量输入控制问题。这项工作从金属熔化所需能量入手，将参考控制器中的恒流控制量根据分析焊接变压器的不同特性转为成为当前控制所需的恒流控制量，从而拓展了传统恒流控制的应用范围。本研究的重点部分为根据金属体电阻变化规律，在线实时分离出液态熔核部分金属和固态金属在电阻点焊过程中的不同变化特征。这项工作主要可分为三个研究部分，首先是根据电阻点焊工作原理，并结合金属体电阻测量基本方程，建立了基于液态熔核部分电阻和固态金属电阻部分分离的金属电阻率数值计算方程；为了满足计算要求，需要在焊接过程中准确采集这些数值量，因此第二部分为根据测量原理，完成关键过程变量的测量工作，尤其是利用红外测量方法确定了在电阻点焊过程中的金属工件实时温度变化情况；第三部分为通过彼此分离的点焊过程中两种类型金属电阻计算方程和关键过程变量计算，得到两类金属电阻率参数在点焊过程中的变化情况。本部分研究最后顺利得到了两种类型金属的电阻率变化，并针对不同焊接阶段金属吸收能量效率，以及电流流经金属体的横截面积和长度变化做了详尽的分析，最终实验现象和理论分析相符合。本项目的研究为深入研究电阻点焊过程中金属熔化以及相变特性提供了新的思路，同时为建立准确的数值计算模型，实现固液相变过程的可视化、焊接在线无损质量检测、工艺及控制系统设计与优化等多个方面提供新的研究方法。