铝合金电阻点焊分形接触电阻及对质量影响的研究

摘要

接触电阻是铝合金电阻点焊焊接质量不稳定、电极烧损严重寿命短等问题的重要影响因素。现有的接触电阻模型难以准确反映出焊接表面状况、焊接材料的物性参数和点焊参数对接触电阻的影响，因此本文以接触电阻为核心进行了一系列研究。主要研究内容如下。
　　 首先，采用改进了的Weierstrass-Mandelbrot分形函数对电极和工件表面形貌进行了表征，根据分形理论建立了点焊前期的弹塑性接触模型，分析了点焊前期的微观接触行为，考察了各种物性参数对接触行为的影响。分析结果显示：分形维数表征了不同加工和处理过程产生的工件和电极的表面状态；点焊中所使用的铝合金板和电极表面都具有多重分形特征；对于给定的载荷和界面，当分形维数从1.30增大到1.90时，接触率在分形维数D=1.50时达到最小；对于铝合金来说，电极/工件间接触率小于工件/工件间接触率。
　　 其次，在接触分析的基础上，构建了无氧化膜时接触电阻网络。将康托分形模型应用于氧化膜的开裂，建立了氧化膜存在时接触载荷作用下铝合金接触电阻分形模型，推导出氧化膜存在情况下的接触电阻公式。采用单板法和双板法对建立的分形接触电阻模型进行了实验验证。验证结果显示：建立的模型反映了实际电阻随接触压力的负指数变化，与实验测量的电阻曲线吻合。深入分析发现，该模型是前人建立的二级和三级电阻模型的一般情况，具有一定的普遍意义。结合接触分析和建立的氧化膜条件下接触电阻模型分析了点焊的形核过程，结果发现点焊熔核的起始形核具有离散性。
　　 最后，采用有限元方法模拟了计算所得接触电阻条件下直流点焊熔核的温度场和尺寸变化，并利用人工神经网络研究了焊接参数、熔核尺寸与熔核拉剪性能之间的非线性关系。研究结果说明：点焊熔核在形核时首先在径向方向增长，然后在厚度方向增大；样条插值拟合方法不能揭示出焊接参数、熔核尺寸与接头拉剪强度之间的非线性关系；BP神经网络是描述焊接参数、熔核尺寸和拉剪强度三者之间关系的有力工具，采用两个三层BP神经网络对熔核的拉剪强度进行了预测，预测误差在8％左右，预测结果可信。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.2 铝合金电阻点焊中的主要问题

1.2.1 铝及铝合金的物理化学特性

1.2.2 铝合金电阻点焊过程中的主要问题

1.3 国内外的研究现状

1.3.1 表面形貌的研究现状

1.3.2 接触分析的研究现状

1.3.3 接触电阻的研究现状

1.3.4 点焊温度场与点焊过程数值模拟的研究现状

1.4 本文的研究目标及内容

第二章 点焊前期分形表面的接触分析

2.1 分形理论概述

2.1.1 分形的基本概念

2.1.2 自相似分形和自仿射分形

2.1.3 分形维数及计算

2.2 点焊电极与工件表面轮廓线的分形表征和模拟

2.2.1 粗糙表面轮廓线分形表征的理论介绍

2.2.2 表面轮廓的分形表征方法和实验材料

2.2.3 电极和铝合金工件表面轮廓的分形表征和模拟

2.3 点焊前期分形表面的接触分析

2.3.1 接触机理和接触模型

2.3.2 点焊前期分形表面的接触分析

2.4 本章小结

第三章 铝合金点焊氧化膜存在时分形接触电阻的计算

3.1 铝合金点焊接触电阻的概念

3.1.1 接触电阻概念

3.1.2 铝合金点焊时的静态电极间电阻

3.1.3 铝合金点焊时的动态电极间电阻

3.2 接触电阻模型的研究现状

3.2.1 接触电阻的影响因素

3.2.2 接触电阻的分布形式

3.2.3 接触电阻的典型模型

3.3 无氧化膜条件下铝合金点焊接触电阻的计算

3.3.1 接触点面积分布规律

3.3.2 分形电阻网络的构建

3.4 氧化膜存在条件下铝合金点焊接触电阻的计算

3.4.1 氧化膜开裂和破碎的几种典型研究模型

3.4.2 氧化膜存在条件下接触电阻的计算

3.4.3 氧化膜条件下计算电阻的实验验证

3.4.4 讨论

3.5 本章小结

第四章 接触电阻对熔核性能的影响

4.1 铝合金直流电阻点焊温度场的数值模拟

4.1.1 点焊过程温度场数值模拟的几何模型

4.1.2 点焊过程基本方程

4.1.3 点焊过程有限元模型的网格划分及边界条件

4.1.4 点焊模拟中采用的物理参数

4.1.5 点焊数值模拟中接触电阻的施加

4.1.6 点焊过程中电流的加载

4.1.7 铝合金点焊温度场的数值模拟过程

4.2 给定接触电阻时熔核温度场和尺寸的变化

4.3 熔核尺寸与拉剪强度的样条插值拟合关系

4.3.1 正交实验方案与结果

4.3.2 焊接参数、熔核尺寸和拉剪强度的插值拟合分析

4.4 熔核尺寸与拉剪强度关系的BP神经网络预测

4.4.1 人工神经网络和BP神经网络

4.4.2 焊接参数、熔核尺寸和拉剪强度关系的BP神经网络预测

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

作者攻读博士学位期间发表的学术论文及参与的科研工作

致谢