基于有限元的焊接精密鋼球工藝研究

趙小健

摘 ?要：針對焊接精密鋼球強度、精度和表面質量要求，設計內凹半球銅電極并開展了中頻點焊焊接試驗，獲得焊接缺陷情況。然后利用ansys的電流仿真功能，獲得了點焊過程中電流分布規律，確定了產生球面局部缺陷的原因，進而優化仿真參數，獲得電流分布情況，確定優化參數，指導了焊接電極優化，最終優化上電極并進行焊接試驗，獲得各項指標合格的理想樣件。

關鍵詞：中頻點焊 ?焊接試驗 ?電流分布 ?焊接電極

中圖分類號：TG115 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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

機械加工行業中常采用精密車削、磨削和研磨等手段加工球形軸結構件，成本較高，而采用焊接精密鋼球的方法獲得高精度球形軸結構件，成本較低。為探索焊接精密鋼球技術，國內曾采用純銀電極進行電阻點焊試驗，獲得焊接樣件，但球面因局部過熱產生氧化變色甚至退火軟化而無法使用;曾采用低熔點材料設計電極，焊接樣件能滿足扭矩需求[1]，但電極因先于鋼球熔化而難以重復使用。目前關于電流等參數對焊接質量的影響研究很多[2-3]，通過有限元方法取得了較大進展，尤其是王士軍等應用ansys對焊接電流分布進行研究[4]，周婷等對平面接觸電阻點焊過程進行研究[5]。以上均對焊接精密鋼球研究很有幫助。

本研究選用中頻點焊技術，對標準紫銅電極進行改制，設計環狀接觸面[6]，然后進行點焊鋼球試驗，以獲得球形軸結構件表面缺陷情況及其分布規律;然后利用ansys軟件的電流仿真功能模擬焊接過程電流分布，指導焊接工藝優化。

1 ?工件簡介

精密鋼球結構件包括鋼球和軸桿，兩者通過焊接方法連接到一起。作為高精度球形軸結構件，需要兼顧精度和強度，故焊接指標為球面無氧化變色，球面精度無顯著降低，工件可以承受200N拉拔力。

2 ?焊接試驗

2.1 裝置

焊接設備為專用設備，該設備具備連續多次脈沖放電的功能;上電極為標準紫銅電極端部改制球型凹槽;下電極為帶圓柱狀貫通槽的圓盤狀結構，槽徑等于軸桿直徑。焊接裝置局部如圖1所示。

2.2 焊接參數

試驗表明，較小電流導致焊接強度過低;較大電流導致焊口金屬飛濺。在不考慮重復壓力微變對焊接的影響[7]，穩定壓力值為3kg的條件下，篩選放電焊接參數見表1。

2.3 焊接試驗結果及初步分析

當焊接電流較小（3-5A），放電時間短（0.01-0.025S），焊后鋼球表面無氧化變色和劃痕，但焊接強度很低，經檢測，焊口斷裂時拉拔力不超過350N;單獨增大焊接電流（8-11kA），焊后鋼球表面發生局部氧化變色和壓痕，如圖2（a）所示;繼續增大焊接電流（13-15A），放電瞬間焊口處產生較大爆炸飛濺，威脅操作人員安全;保持小焊接電流，單獨延長放電時間（至0.05-0.2S），焊后鋼球表面發生嚴重氧化變色，無明顯壓痕，如圖2（b）所示。

為提高焊接強度，采取增大焊接電流或延長焊接時間的措施后，鋼球表面始終存在氧化變色或壓痕。氧化變色均位于球面的中下部，壓痕位于球面的中部。分析球面上部完好的原因為銅電極的包裹作用分散了球面的電流和熱量;球面壓痕的原因為球面局部電流過大，引起鋼球相應部位的表層金屬溫度過高而發生軟化，相應部位的銅電極在壓力的作用下擠壓鋼球軟化表面，使球面產生內凹變形。為明確鋼球內部電流分布對焊接質量的影響，通過有限元軟件ansys的電流仿真功能，對放電過程中的電流分布進行分析。

3 ?有限元分析電流分布

金屬內部電流分布不可見，也沒有設備能夠對其進行準確檢測。而有限元仿真是呈現電流分布的最佳方法，選取ansys workbench中的二維仿真功能進行電流仿真。

在創建有限元模型時，對模型進行了簡化，忽略接觸電阻以及電流的趨膚效應。建模并施加載荷，求解獲得電流分布如圖3所示。

從圖3中看出，焊接電流在導體中非均勻分布，B處電流密度最大，A處電流密度高于周邊，AB之間電流密度較小，A處以上電流密度最小。綜合圖2和圖3，由于電流生熱與電流密度正相關，B處的大電流產生較大熱量，使鋼球與軸桿接觸面處的金屬充分熔化，鋼球與軸桿間產生良好的結合，利于焊接;A處的電流集中使該處金屬受熱過大與空氣發生氧化甚至軟化，如圖2（a）。AB之間的電流使鋼球表面與空氣發生氧化變色，與圖2相符。A處以上球面的電流最小，生熱也最少，加上銅電極與其充分接觸散熱，有效保護了球面。

通過ansys分析獲得了接觸面邊緣電流集中的現象，解釋了鋼球表面局部氧化變色問題。解決鋼球表面氧化變色問題，獲得光滑表面的焊接工件，因此開展了上電極結構仿真分析，以接觸面的包裹角度為變量，逐漸將接觸面的包裹角度由180°增大到270°，仿真獲得電流分布情況。仿真結果表明，隨著包裹角度增大，電流集中隨A下移，向B靠近。圖4所示為270°度包裹角度時電流分布情況。此時已有過半球面（A處以上區域）無電流集中，從中隨機取點顯示電流密度不足A處的1/10。

根據仿真結果，逐漸增大上電極包裹角度，電流集中位置隨接觸面邊緣下移而下移至充分靠近軸桿?？紤]鋼球與軸桿的尺寸，結合焊接熔融區域壓潰現象，優選上電極的包裹角度為270°，此時上電極與軸桿之間有適當間隙，用于焊接過程鋼球與軸桿接觸區域熔融金屬壓潰擴展。

4 ?電極優化與試驗

根據有限元分析結果，重新設計了270°包裹角度的專用上電極。按照表1的參數進行焊接試驗，獲得焊接樣件如圖5所示。

從圖5可以看出，焊接樣件的過半球面光亮無氧化變色和壓痕，僅焊口局部和軸桿有氧化變色現象，與有限元分析結果一致。軸桿因焊接熱而與空氣中氧氣發生氧化反應，生成暗褐色氧化層，后期采取精密磨削可去除氧化層。設計專用裝置檢測焊口抗拉強度，樣件斷裂時的拉拔力為（1.36-2.98）kN，滿足強度要求。用儀器檢測焊后鋼球精度，符合球面輪廓精度±0.0005mm要求。

5 ?結語

本研究通過焊接試驗確定了鋼球表面氧化和壓痕的位置及狀況。利用ansys的電流仿真功能進行了焊接電流分布分析，確定了電流不均勻分布是產生鋼球表面缺陷的原因，并仿真進行了焊接上電極結構優化研究，指導了上電極優化;設計了專用上電極并進行焊接試驗，獲得了強度、精度和表面質量均符合要求的樣件。

參考文獻

[1] 張一兵，柯瀛，燕松山，等.Sn-Ag-Cu自潤滑滾子軸承的高溫摩擦學特性[J].潤滑與密封，2019，44（12）：7-11，80.

[2] 韓翠萍.不同焊接工藝參數對鋼的點焊接頭力學性能的研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2019，54（5）：116-118.

[3] 楊龍，楊冰，陽光武，等.不銹鋼車體點焊接頭疲勞特性分析[J].焊接學報，2020，41（7）：18-24，52，97-98.

[4] 王士軍，孫增光，周永鑫，等.基于ANSYS的焊接溫度場仿真分析[J].熱加工工藝，2020，49（9）：120-121，129.

[5] 周婷，程時志，騰志君，等.電觸頭電阻點焊過程的有限元模擬分析[J].低壓電器，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] 尹孝輝.Effect of welding pressure on mechanical properties of resistance spot welding joint.China Welding. 2020，29（3）：33-38.