微型電磁繼電器鐵芯組點(diǎn)焊工藝參數(shù)的仿真優(yōu)化

韋明彰 李北華 鄧星權(quán) 程 綱

微型電磁繼電器鐵芯組點(diǎn)焊工藝參數(shù)的仿真優(yōu)化

韋明彰 李北華 鄧星權(quán) 程 綱

（桂林航天電子有限公司，桂林 541002）

針對某型號微型電磁繼電器鐵芯組在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程存在點(diǎn)焊飛濺大的問題，運(yùn)用有限元點(diǎn)焊仿真技術(shù)對鐵芯組點(diǎn)焊過程進(jìn)行數(shù)值模擬，最終通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了鐵芯組無飛濺點(diǎn)焊，極大地減少了因存在金屬飛濺多余物而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的質(zhì)量隱患，提升了該微型電磁繼電器的質(zhì)量及可靠性。

微型電磁繼電器；點(diǎn)焊飛濺；有限元點(diǎn)焊仿真；工藝參數(shù)優(yōu)化

1 引言

電磁繼電器作為重要的自動(dòng)控制元件，在整機(jī)型號中廣泛運(yùn)用于自動(dòng)、遙控、遙測、通訊及電力系統(tǒng)等裝置中，執(zhí)行電源切換、控制和信號傳遞等功能。電阻點(diǎn)焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于電磁繼電器制造過程，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電磁繼電器的零、組件點(diǎn)焊產(chǎn)生的點(diǎn)焊飛濺多余物是電磁繼電器的常見病、多發(fā)病，易導(dǎo)致電磁繼電器不動(dòng)作或動(dòng)作異常、觸點(diǎn)通斷異常、動(dòng)作電壓超差、介質(zhì)耐電壓下降、絕緣電阻下降等問題[1]。微型電磁繼電器具有體積小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，點(diǎn)焊飛濺多余物更容易導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此，消除點(diǎn)焊飛濺多余物的產(chǎn)生尤為重要。

目前在電阻點(diǎn)焊過程中，只能通過破壞性工藝試驗(yàn)來檢查焊接質(zhì)量，因?yàn)辄c(diǎn)焊熔核的形成是在瞬間完成的，并且是在焊件內(nèi)完全封閉的情況下進(jìn)行，即無法直接觀測到點(diǎn)焊形核過程，故通過工藝試驗(yàn)進(jìn)行電阻點(diǎn)焊過程的技術(shù)研究極為困難[2]。

近年來，數(shù)值模擬方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，并逐漸應(yīng)用于焊接仿真模擬過程，其中電阻點(diǎn)焊仿真技術(shù)日益成熟并且應(yīng)用廣泛[3～5]。本文針對某型號微型電磁繼電器鐵芯組點(diǎn)焊飛濺大的問題，運(yùn)用有限元仿真分析技術(shù)優(yōu)化點(diǎn)焊工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鐵芯組無飛濺點(diǎn)焊，提升了該微型電磁繼電器的質(zhì)量及可靠性。

2 鐵芯組點(diǎn)焊生產(chǎn)現(xiàn)狀

某型號微型電磁繼電器的鐵芯組結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，由軛鐵與鐵芯點(diǎn)焊連接而成。軛鐵與鐵芯材料都為電磁純鐵（DT4E），零件表面鍍鎳，零件實(shí)物分別見圖2、圖3。軛鐵零件點(diǎn)焊搭接面厚度為0.7mm。鐵芯零件點(diǎn)焊搭接面厚度為0.5mm，加工有1處凸包，凸包結(jié)構(gòu)及尺寸見圖4。

圖1 鐵芯組結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 軛鐵零件實(shí)物

圖3 鐵芯零件實(shí)物

圖4 鐵芯凸包示意圖

電磁純鐵材料及其表面鍍鎳層的材料特性見表1。

表1 電磁純鐵、鎳材料特性

由表1可知，電磁純鐵材料硬度適中，電阻率為12μΩ·cm，屬于點(diǎn)焊工藝性較好的材料。電鍍鎳層晶粒均勻致密，硬度較高，可提升軛鐵、鐵芯零件的耐磨性能和腐蝕性能，其電阻率為8μΩ·cm，焊接性能良好。但鐵芯組點(diǎn)焊時(shí)，在鐵芯與軛鐵點(diǎn)焊接觸面有點(diǎn)焊飛濺多余物噴出，見圖5。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)焊飛濺多余物比例在50%以上，見表2。點(diǎn)焊后，需要人工在高倍顯微鏡下去除點(diǎn)焊飛濺多余物，不但效率很低，而且點(diǎn)焊飛濺去除不干凈易成為內(nèi)部金屬多余物來源之一，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。因此，迫切需要分析點(diǎn)焊飛濺產(chǎn)生的原因，并尋求消除點(diǎn)焊飛濺多余物的控制措施。

圖5 鐵芯組點(diǎn)焊飛濺多余物

表2 改進(jìn)前鐵芯組點(diǎn)焊飛濺、去除飛濺時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3 電阻點(diǎn)焊飛濺產(chǎn)生原因分析

電阻點(diǎn)焊過程極為復(fù)雜,包括焊接過程中的熱傳導(dǎo)作用、焊件材料的熔化與凝固過程、焊接變形、殘余應(yīng)力、電磁作用等。同時(shí)，電阻點(diǎn)焊質(zhì)量受焊接參數(shù)、焊件裝夾方式、焊件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、焊件表面狀態(tài)和兩焊件接觸狀態(tài)等多種因素的影響。

在電阻點(diǎn)焊的形核過程中,焊件的接觸電阻與本體電阻持續(xù)產(chǎn)熱使得焊接部位金屬熔化形成初始熔核,后熔核受到急劇增加的電阻熱的影響逐漸長大,即熔化區(qū)逐漸擴(kuò)展。與此同時(shí),熔化區(qū)周邊塑性變形的金屬受上下電極導(dǎo)熱、焊件向周邊環(huán)境散熱等冷卻因素的影響而形成塑性環(huán)（見圖6），從而包圍封閉熔化區(qū)。在塑性環(huán)的影響下,熔化區(qū)內(nèi)部壓力不斷增大。當(dāng)電流密度過大時(shí)，焊件急劇加熱，在極短的時(shí)間內(nèi)焊核溫度迅速超過焊件金屬的熔化溫度，若熔核直徑擴(kuò)大的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塑性環(huán)擴(kuò)大的速度，當(dāng)熔化區(qū)內(nèi)部壓力高過塑性環(huán)最薄弱處的抵擋力時(shí)，該處就會(huì)產(chǎn)生金屬飛濺,形成點(diǎn)焊飛濺多余物。

圖6 焊點(diǎn)剖視簡圖

4 有限元點(diǎn)焊仿真分析

4.1 有限元點(diǎn)焊仿真建模過程

鐵芯組仿真基本要素見表3。首先利用CAXA 3D按1:1畫出模型整體結(jié)構(gòu)，然后利用HyperMesh劃分網(wǎng)格，軛鐵及鐵芯均采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)4085，單元總數(shù)14985，見圖7。

表3 鐵芯組仿真模型基本要素

圖7 鐵芯組網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入Simufact.welding焊接仿真軟件中，確認(rèn)好其相應(yīng)的裝配位置關(guān)系，按表3基本要素要求分別定義軛鐵、鐵芯焊件和上下電極，見圖8。

圖8 導(dǎo)入的軛鐵、鐵芯和上下電極模型

根據(jù)點(diǎn)焊生產(chǎn)實(shí)際情況，對點(diǎn)焊時(shí)焊件裝夾受力情況進(jìn)行定義。軛鐵右側(cè)為夾具定位基準(zhǔn)面，因此右側(cè)為夾具支撐平臺，左側(cè)使用50N力頂緊。點(diǎn)焊時(shí)鐵芯端頭為頂緊狀態(tài)，見圖9。

圖9 鐵芯組件裝夾受力模型

然后進(jìn)入到定義焊接參數(shù)界面，此時(shí)輸入點(diǎn)焊參數(shù)并確認(rèn)，最終定義好的焊接參數(shù)曲線見圖10、圖11。最終在定義兩個(gè)焊件鍍鎳層5μm后進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果。

圖10 焊接參數(shù)（電流）曲線

圖11 焊接參數(shù)（電極壓力）曲線

4.2 優(yōu)化前有限元點(diǎn)焊仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證鐵芯組點(diǎn)焊飛濺產(chǎn)生的原因，使用改進(jìn)前的實(shí)際點(diǎn)焊參數(shù)：電極壓力=160N、電流=2500A、時(shí)間=20ms進(jìn)行有限元點(diǎn)焊仿真，其峰值溫度場云圖見圖12。

圖12 峰值溫度場云圖

仿真計(jì)算結(jié)果表明，采用改進(jìn)前的實(shí)際工藝參數(shù)點(diǎn)焊，鐵芯組點(diǎn)焊區(qū)域過熱較明顯，焊核中心溫度已達(dá)到1752℃，同時(shí)金屬熔化區(qū)域過大。在其點(diǎn)焊熔核的形成過程中，熔化區(qū)生長過快，其內(nèi)壓力迅速升高，最終沖破塑性環(huán)最薄壁處，導(dǎo)致金屬液體的噴濺，形成點(diǎn)焊飛濺多余物。點(diǎn)焊仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況吻合。

4.3 工藝優(yōu)化方案探究

為減少甚至消除點(diǎn)焊飛濺，需要降低焊接區(qū)域過熱現(xiàn)象。該鐵芯組的鐵芯加工有凸包，屬于電阻凸焊，點(diǎn)焊初期階段，鐵芯凸包與軛鐵接觸面積較小，但由于使用的焊接波形為單脈沖恒流波形，電流密度很大，很容易導(dǎo)致焊接區(qū)域過熱，從而產(chǎn)生點(diǎn)焊飛濺多余物。通過降低點(diǎn)焊能量，減少熱量輸入，可以減少過熱、點(diǎn)焊飛濺，但可能會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)焊強(qiáng)度不穩(wěn)定，因此不能采用直接降低點(diǎn)焊能量的方法；根據(jù)電阻點(diǎn)焊原理，并結(jié)合點(diǎn)焊設(shè)備功能，為降低焊接區(qū)域過熱，可使用雙脈沖波形進(jìn)行點(diǎn)焊：脈沖1能量較小，主要用于預(yù)熱、軟化材料、穩(wěn)定接觸狀態(tài)、防止凸包被過早壓潰、定位點(diǎn)焊；脈沖2能量較大，主要用于完成強(qiáng)度點(diǎn)焊。

根據(jù)點(diǎn)焊設(shè)備說明書，使用雙脈沖波形點(diǎn)焊時(shí)推薦脈沖1電流為脈沖2電流的1/4～1/3，結(jié)合該鐵芯組零件材料、厚度、結(jié)構(gòu)、鍍層等因素，點(diǎn)焊時(shí)間、電極壓力固定不變，點(diǎn)焊電流以一定幅度值遞增，擬定雙脈沖點(diǎn)焊參數(shù)仿真方案，見表4。

表4 雙脈沖點(diǎn)焊參數(shù)仿真方案

4.4 優(yōu)化后有限元點(diǎn)焊仿真結(jié)果與分析

根據(jù)前述步驟及方法，將表中參數(shù)輸入焊接仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果表明第4組點(diǎn)焊參數(shù)焊接區(qū)域沒有過熱，沒有點(diǎn)焊飛濺，點(diǎn)焊變形較小，見圖13、圖14。

圖13 焊接峰值溫度場

圖14 焊接變形結(jié)果

由圖13可知，鐵芯組點(diǎn)焊區(qū)域無過熱情況，焊核中心最高溫度為1552℃，金屬熔化區(qū)域不大，兩焊件間形成優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)焊熔核，無點(diǎn)焊飛濺產(chǎn)生。由圖14可知，最低變形值-0.14mm發(fā)生在凸包位置，為焊接過程該處凸包熔平所致。最高變形值0.06mm發(fā)生在鐵芯末端位置，其有朝上翹起的趨勢，但翹起量小，僅為0.06mm。故點(diǎn)焊后鐵芯組總體變形程度較輕微。

最后，將焊后的鐵芯組進(jìn)行仿真拉伸測試以考察點(diǎn)焊強(qiáng)度。拉伸測試示意圖見圖15，測試的斷裂部位見圖16，焊點(diǎn)強(qiáng)度變化曲線見圖17。拉伸過程的斷裂部位不在焊點(diǎn)處，而在鐵芯的圓棒與圓棒打扁的交界處，表明點(diǎn)焊連接強(qiáng)度良好。

圖15 焊點(diǎn)強(qiáng)度拉伸測試示意圖

圖16 臨界斷裂應(yīng)力分布圖

圖17 焊點(diǎn)強(qiáng)度曲線

綜上，使用雙脈沖最佳點(diǎn)焊參數(shù)（電極壓力：160N、脈沖1電流/時(shí)間：700A/16ms、脈沖2電流/時(shí)間：1800A/20ms）對鐵芯組進(jìn)行焊接，容易獲得優(yōu)質(zhì)焊點(diǎn)，點(diǎn)焊飛濺少，連接強(qiáng)度好，變形小。

5 工藝優(yōu)化結(jié)果

使用有限元點(diǎn)焊仿真分析得到的最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)，點(diǎn)焊鐵芯組50件，點(diǎn)焊質(zhì)量滿足要求，且沒有點(diǎn)焊飛濺多余物產(chǎn)生，證明了仿真結(jié)果的正確性。焊件外觀形貌見圖18。

圖18 工藝優(yōu)化后外觀形貌

通過焊接仿真分析，結(jié)合少量工藝試驗(yàn)，最終獲得了該鐵芯組的最優(yōu)點(diǎn)焊工藝參數(shù)，目前該參數(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用，改進(jìn)前后對比數(shù)據(jù)見表5。從表中數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)焊飛濺比例由56.4%下降到0.37%，去多余物時(shí)間下降了99.77%，實(shí)現(xiàn)了無飛濺點(diǎn)焊。

表5 改進(jìn)后鐵芯組點(diǎn)焊飛濺、去除飛濺時(shí)間統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語

通過理論分析、有限元點(diǎn)焊仿真分析、工藝試驗(yàn)，較好地解決了微型電磁繼電器鐵芯組點(diǎn)焊飛濺多余物問題。通過研究，本文得出以下結(jié)論：

a. 理論分析、有限元點(diǎn)焊仿真結(jié)果表明，鐵芯組產(chǎn)生點(diǎn)焊飛濺的主要原因是點(diǎn)焊區(qū)域過熱較明顯，焊核中心溫度過高。

b. 通過有限元點(diǎn)焊仿真優(yōu)化，合理匹配脈沖1、脈沖2點(diǎn)焊工藝參數(shù)，消除了點(diǎn)焊過熱現(xiàn)象，獲得鐵芯組最優(yōu)雙脈沖點(diǎn)焊參數(shù)（電極壓力：160N、脈沖1電流/時(shí)間：700A/16ms、脈沖2電流/時(shí)間：1800A/20ms）。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明，使用該最優(yōu)工藝參數(shù)點(diǎn)焊鐵芯組，點(diǎn)焊質(zhì)量滿足要求，點(diǎn)焊飛濺比例由56.4%下降到0.37%，改進(jìn)效果顯著。

1 程艷香. 繼電器電阻點(diǎn)焊飛濺物控制研究[D]. 長春：長春理工大學(xué)，2010

2 王敏. 國外電阻焊技術(shù)的最新發(fā)展[C]. 第十一次全國焊接會(huì)議論文集，379～383

3 龍昕，汪建華，張?jiān)銎G. 電阻點(diǎn)焊溫度場分布的數(shù)值模擬[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(3)：416～419

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5 武傳松. 焊接熱數(shù)值分析[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990

Simulation and Optimization of Spot Welding Process Parameters for Iron Core Assembly of Micro Electromagnetic Relay

Wei Mingzhang Li Beihua Deng Xingquan Cheng Gang

(Guilin Aerospace Electronics Co., Ltd., Guilin 541002)

In this paper, aiming at the problem of severely spot welding spatter in the actual production process of a type of micro electromagnetic relay iron core assembly, the spot welding process of iron core assembly is simulated by using the finite element simulation of spot welding technology. Finally, by optimizing the welding parameters, the non spatter spot welding of iron core assembly is realized, which greatly reduces the quality hidden danger of product failure caused by splash metal remains. In general, the quality and stability of micro electromagnetic relays are enhanced.

micro electromagnetic relay；spot welding spatter；finite element simulation of spot welding；process parameter optimization

韋明彰（1987），工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：繼電器焊接技術(shù)。

2019-12-03