大功率繼電器點焊仿真分析與飛濺多余物控制技術(shù)

（中國航天電子技術(shù)研究院165廠，廣西桂林541002）

0 前言

金屬多余物問題是大功率電磁繼電器的常見病、多發(fā)病，會引發(fā)觸點間短路或擊穿等失效模式。大功率電磁繼電器中金屬多余物主要來源為零件、組件在電阻點焊過程中產(chǎn)生的點焊飛濺多余物[1]。在點焊過程中，熔核的形成處于封閉狀態(tài)，無論是焊接期間還是焊后均無法直接觀測到熔核，并且其形成過程是瞬時完成的。電阻點焊的不可見性和瞬時性的特點導(dǎo)致通過試驗研究其過程非常困難，目前只能通過工藝試樣和破壞性試驗來檢查焊接質(zhì)量[2-3]。

隨著技術(shù)發(fā)展，通過建立數(shù)學(xué)模型模擬與分析電阻點焊過程的研究日益受到重視。近年來，數(shù)值方法和計算機技術(shù)速度發(fā)展，其中有限元法已成為焊接領(lǐng)域中數(shù)值模擬研究的主流，并得到廣泛應(yīng)用[4-7]。

本研究針對工廠大功率電磁繼電器的軛鐵組存在焊接強度差、飛濺嚴重等質(zhì)量問題，采用有限元仿真分析方法優(yōu)化其焊接結(jié)構(gòu)及點焊工藝參數(shù)，以降低焊接飛濺多余物的產(chǎn)生。

1 電阻點焊飛濺多余物產(chǎn)生機理

電阻點焊工藝復(fù)雜，組件點焊質(zhì)量受點焊參數(shù)、焊件材料、尺寸、表面涂覆狀態(tài)及工裝定位方式等因素的影響。焊接飛濺按時期可分為初期飛濺和后期飛濺。

初期飛濺發(fā)生在熔化焊核出現(xiàn)前，且通常是因為電極與焊件、焊件與焊件接觸面金屬的過熱造成點焊接頭的外部飛濺。這種飛濺影響焊件外觀質(zhì)量，產(chǎn)生的疤痕影響耐腐蝕及疲勞性能。焊件表面清理不佳或接觸面上壓強分布嚴重不均勻造成局部電流密度過高，引起早期熔化，此時因無塑性環(huán)保護發(fā)生飛濺。

后期飛濺發(fā)生在被焊金屬熔化過程后期。在點焊加熱過程中，被焊金屬在焊接處熔化形成液體，同時金屬膨脹，膨脹力將電極向上、下推移，降低焊接區(qū)的外加壓力，焊接區(qū)不能及時擴大，加熱速度急劇提高，液化和塑性變形的金屬受溫度影響不能向四周流布，形成的塑性環(huán)將熔化區(qū)周邊封閉，使熔化區(qū)的內(nèi)壓力不斷升高，而塑性環(huán)的壁厚不均等，當(dāng)內(nèi)壓力的擠壓力超過塑性環(huán)最薄壁處的抵擋力，該處就會產(chǎn)生金屬液體的噴濺、飛出，即點焊過程中產(chǎn)生的金屬飛濺多余物。焊點斷面剖視圖如圖1所示。

圖1 焊點斷面剖視圖

2 軛鐵組點焊工藝現(xiàn)狀

大功率電磁繼電器的軛鐵組結(jié)構(gòu)如圖2所示，軛鐵與副磁極材料均為電磁純鐵（DT4E），零件表面鍍鎳，軛鐵零件厚度3 mm，副磁極零件點焊面厚度2.5 mm。軛鐵組為軛鐵和副磁極零件通過點焊連接而成。

電磁純鐵材料電阻率為 0.12～0.14 μΩ·m，理論上點焊工藝性較好，但由于軛鐵與副磁極材料較厚，焊接時需要極高的熱輸入；而且軛鐵與副磁極搭接面積較大，裝夾時搭接狀態(tài)不穩(wěn)定，接觸電阻不穩(wěn)定，焊點氧化變色嚴重，工件間不易形成熔核，點焊強度分散性較大，點焊飛濺非常嚴重。

圖2 軛鐵組結(jié)構(gòu)

3 有限元仿真分析

3.1 繼電器電阻點焊模型有限元耦合分析理論

點焊時電場分布決定電流和電流密度，它是影響熱源強度的重要因素。因此，研究點焊電場分布對了解和控制熔核的形成與長大具有重要意義。根據(jù)電磁場理論，給定電流時，導(dǎo)體內(nèi)電勢U在x、y、z方向分布可用Laplace方程來描述。

式中 r、z分別為徑向和軸向坐標；U為電勢（單位：V）；ε為電阻率（單位：Ω·m）。它的求解區(qū)域包括工件、液態(tài)熔核和電極。

同時，存在著熱傳遞的影響，其軸對稱問題的溫度場分布方程為

式中 T為點焊溫度（單位：℃）；cm為質(zhì)量熱容（單位：J/（kg·K））；ρ為密度（單位：kg/m3）；k為熱導(dǎo)率（單位：W/（m·℃））；Q為內(nèi)部熱源強度（單位：J）。

各個單元的Q可由電勢場有限元分析求得

上述微分方程的求解均可變?yōu)榍蠓汉瘮?shù)極值的變分問題。將合適的泛函數(shù)應(yīng)用到劃分單元內(nèi)每個節(jié)點上，列出節(jié)點函數(shù)極值方程，聯(lián)立所有節(jié)點方程組后求解。

3.2 有限元仿真分析過程

使用有限元點焊仿真分析軟件研究軛鐵組點焊工藝過程，建立軛鐵組點焊仿真模型，分析點焊形核過程及點焊飛濺多余物產(chǎn)生機理。研究電極壓力、點焊電流、點焊時間與點焊熔核、飛濺物之間的關(guān)系，為提高軛鐵組點焊質(zhì)量、控制點焊飛濺多余物產(chǎn)生提供改進方向。結(jié)合軛鐵組點焊的實際條件，建立軛鐵組的點焊數(shù)學(xué)模型，其仿真分析模型基本要素如表1所示。

表1 軛鐵組仿真模型基本要素

數(shù)值模擬條件為：直流逆變焊接設(shè)備，壓力F=250 N、電流 I=3.6 kA（DC）、時間 t=660 ms。焊接仿真中熔核形成過程及溫度場變化情況大致分為以下5個階段：

（1）第一階段。

第一階段的溫度場分布如圖3所示。t=103 ms時，在電阻點焊初期，上電極與軛鐵零件的接觸面以及軛鐵與副磁極接觸面的溫度首先升高。理論上3個接觸面上的接觸電阻遠遠大于焊件和電極的體電阻，是產(chǎn)熱主體，故接觸面上產(chǎn)生的電阻熱大于焊件內(nèi)部，接觸面上的溫度迅速升高。但實際過程中，下電極與副磁極接觸面溫度未見明顯升高，其原因為：下電極與副磁極接觸面積大，焊接時電流密度小，接觸電阻產(chǎn)熱量小；下電極熱導(dǎo)率大，且下電極與副磁極接觸面積大，下電極起到極好的散熱作用。

圖3 t=103 ms時焊接溫度場分布及形核情況

（2）第二階段。

第二階段的溫度場分布如圖4所示。t=213 ms時，在上電極與軛鐵接觸面上，由于高電流密度的作用，接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱使得該區(qū)域金屬溫度急劇升高，導(dǎo)致該處金屬迅速熔化，此時熔化金屬因無塑性環(huán)保護發(fā)生飛濺（初期飛濺）。在軛鐵與副磁極接觸面上，隨著焊接的進行，由于接觸電阻的作用，溫度不斷升高，并在熱傳導(dǎo)作用下，高溫區(qū)逐漸向周圍擴展。

（3）第三階段。

圖4 t=213 ms時焊接溫度場分布及形核情況

第三階段的溫度場分布如圖5所示。t=363 ms時，隨著焊接的進行，在上電極與軛鐵接觸面上，接觸電阻產(chǎn)生的熱量在熱傳導(dǎo)作用下逐漸向周圍擴散。在軛鐵與副磁極接觸面上，由于接觸電阻的作用，溫度不斷升高，材料發(fā)生軟化，軛鐵與副磁極接觸面上的接觸程度加強，使得接觸面上的接觸電阻減小，通過增加該區(qū)域的電流密度，溫度進一步升高，并在熱傳導(dǎo)作用下，高溫區(qū)逐漸向周圍擴展。同時由于下電極與副磁極接觸面積大，散熱效果好，焊接高溫區(qū)靠近上電極。

圖5 t=363 ms時焊接溫度場分布及形核情況

（4）第四階段。

第四階段的溫度場分布如圖6所示。t=613 ms時，隨著焊接電流的持續(xù)通入，兩焊件一直處于加熱狀態(tài)，溫度逐漸升高，接觸電阻隨著溫度的升高逐漸減小，其產(chǎn)生的熱量也逐漸減小，而電磁純鐵材料本體電阻則隨著材料溫度的升高而增加，電流通過時本體電阻產(chǎn)熱量急劇增加，最終該區(qū)域材料率先達到熔點1 540℃，形成初始熔核。由于此階段材料本身電阻為產(chǎn)熱本體，上焊件軛鐵的厚度大于副磁極，軛鐵的體電阻大于副磁極；同時下電極與下焊件副磁極的接觸面積大，且下電極的散熱效果遠好于上電極，所以上焊件軛鐵的產(chǎn)熱量大，散熱量小，溫度升高快，導(dǎo)致形核位置偏向上電極和厚度較大的軛鐵一側(cè)。

圖6 t=613 ms時焊接溫度場分布及形核情況

（5）第五階段。

第五階段的溫度場分布如圖7所示。t=653 ms時，隨著焊接過程的進行，焊件材料本身電阻不斷產(chǎn)熱，并且焊件的電阻率隨著溫度的升高不斷增加，產(chǎn)熱量逐漸增大，因此液態(tài)熔核逐漸長大，迅速向軸向和徑向擴展。在上、下電極的散熱作用影響下，液態(tài)熔核軸向擴展受限，所以液態(tài)熔核呈橢圓形發(fā)展。由圖7可知，熔核位置偏移向上電極和軛鐵一側(cè)，會導(dǎo)致兩焊件間不能形成有效熔核，連接強度不足。

圖7 t=653 ms時焊接溫度場分布及形核情況

在現(xiàn)有焊接結(jié)構(gòu)條件下，在焊接過程初期上電極與上焊件軛鐵的接觸部位易產(chǎn)生點焊飛濺，并且在焊接過程中后期熔核形成過程中出現(xiàn)熔核向上電極和厚度較大的軛鐵一側(cè)偏移的現(xiàn)象，造成兩焊件間連接強度不足。在實際生產(chǎn)過程中，通過加大焊接電流、增加焊接時間等方式來提高焊件的連接強度，會造成電流密度和熱輸入過大從而導(dǎo)致焊接過程初期上電極與軛鐵接觸表面產(chǎn)生嚴重的點焊飛濺，焊接過程后期液態(tài)金屬急速膨脹，沖破塑性環(huán)薄壁處而產(chǎn)生焊接飛濺。因此，為控制點焊飛濺多余物的產(chǎn)生，需從改善焊接結(jié)構(gòu)等方面入手。

4 工藝優(yōu)化

將兩焊件改為凸焊搭接結(jié)構(gòu)進行驗證。由于焊接時電流密度集中于凸點，電流密度大，容易達到熱量平衡，克服了熔核偏移的缺點；使用較小的點焊能量即可獲得優(yōu)質(zhì)的焊點，有利于控制點焊飛濺多余物。

經(jīng)理論分析及工藝試驗驗證，最終確定在不影響軛鐵組使用性能的條件下，在副磁極零件點焊面上增加雙凸筋，如圖8所示，凸筋尺寸為R0.2 mm×高0.15 mm×長3 mm。

圖8 凸筋結(jié)構(gòu)的副磁極

通過工藝試驗確定凸筋副磁極結(jié)構(gòu)的軛鐵組最佳點焊參數(shù)為：F=250 N，電流 I=3.2 kA（DC），時間t=500 ms。使用該參數(shù)點焊30件軛鐵組進行驗證，過程中無點焊飛濺多余物，點焊強度滿足要求且一致性好。工藝改進前后的軛鐵組點焊后的外觀質(zhì)量、飛濺情況對比如圖9所示，形核情況對比如圖10所示。

由圖9、圖10可知，軛鐵組改為凸筋結(jié)構(gòu)后，使用較小的點焊參數(shù)即可在兩焊件間形成熔核，點焊后連接強度高，均無初期、后期點焊飛濺多余物的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

（1）對軛鐵組點焊形核過程進行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，熔核位置向上電極和厚度較大的軛鐵一側(cè)偏移，造成兩焊件間連接強度不足。為提高連接強度，需增大焊接電流、焊接時間等參數(shù)，會導(dǎo)致電流密度過大、熱輸入過大，從而產(chǎn)生點焊飛濺多余物。

圖9 工藝改進前后焊件外觀質(zhì)量、飛濺情況對比

圖10 工藝改進前后焊件焊接面形核情況對比

（2）將軛鐵組改為凸筋結(jié)構(gòu)后，克服了點焊時熔核偏移的缺點，使用較小的點焊參數(shù)即可在兩焊件間形成熔核，點焊后連接強度高，未產(chǎn)生點焊飛濺多余物。

（3）使用有限元仿真軟件改進軛鐵組點焊工藝的方法對優(yōu)化大功率電磁繼電器其他組件的焊接工藝具有重要的指導(dǎo)意義。