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热膨胀与机械力:探究原理

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:在电阻焊中,实际的外部力由传导电流的电极施加,被加热材料的热膨胀与其相抵抗。将各部分值代入式(3.3)和(3.4),εm=0.081,σm=6.5GPa,得到非常大的压力。实际应用中,电阻焊电极不会阻碍这个膨胀,而只会维持相对固定的施加力。一旦熔合区形成并且电流切断,焊缝将迅速凝固和冷却,并伴随同样快速的焊缝收缩。至少在熔池存在的那段时间,电极应该施加压力以防止熔合区缺陷的形成。对于整个厚度为0.1mm的焊缝,δcontr约为6×10-4mm。

热膨胀与机械力:探究原理

不论宏观还是微观条件下,焊接过程中的热膨胀抵抗约束力是所有焊接工艺中残余应力和变形的原因,在此,我们只探讨它是如何直接影响电阻焊的(RW)。在电阻焊中,实际的外部力由传导电流的电极施加,被加热材料的热膨胀与其相抵抗。尤其当使用了一个标准的与其相反的电极几何结构,也就是由要焊接在一起的两块金属板的两侧两个相抵圆形电极所组成。

由熔化产生的流体静力学应力和应变所引起的热膨胀计算分两个步骤(下面用到的常数是针对不锈钢的)。首先从室温至熔化状态无应力下的体膨胀可由下式计算

εm=(3αΔTm+δm) (3.3)

需要压回初始体积所需的压力可以按下式计算

σm=m (3.4)

式中,K是熔化部分的等温体模量,为80GPa[8]α是平均线性热膨胀系数为1×105;ΔTm是从室温至熔化的温差,为1500℃;δm是熔化时体膨胀应变为0.036[9]。将各部分值代入式(3.3)和(3.4),εm=0.081,σm=6.5GPa,得到非常大的压力。而且,上述因素没有一个依赖于尺度。实际应用中,电阻焊电极不会阻碍这个膨胀,而只会维持相对固定的施加力。电极所允许的膨胀可由下式获得:

δexp=Cεm/3)×厚度 (3.5)

式中,因子C减小了非轴向应变和厚度的乘积,其考虑了电极间的整个“柱状”金属没有达到熔化温度,并且也考虑了被焊金属中发生了一定程度的塑性变形。基于熔化区域可能过度加热至高于其熔点温度的事实,在此为了简化,忽略上述因素,这会增大εm。那么平均电极分离速度Ves大约为

Ves=δexp/电流持续时间 (3.6)(www.xing528.com)

并且平均电极加速度aes可由下式获得:

在肉眼可见的不锈钢焊缝中,整个厚度为10mm,电流持续时间为978-7-111-30042-7-Part01-66.jpg,式(3.5)~式(3.7)给出了δexp=0.27mm,Ves=1.6mm/s和aes=19mm/s2。在0.1mm厚和1ms脉冲长的微电阻焊缝中,可以类似地得到δexp=2.7mm,Ves=2.7mm/s和aes=5.4mm/s2

工业用的薄板金属焊接设备上的电极及其夹具的有效质量变化非常大,取决于设计成熟度,但是基本在1~100kg间变化,然而用于电互连的很小的顶端弯曲焊头,从10~100g之间的一系列数值都是合适的。将这些质量与上述计算的加速度联立,熔化过程中作用在电极上的平均惯性力可依据牛顿第二定律得到:

f=ma (3.8)分别估算范围在0.02~2N和0.05~0.5N之间。然而,相比较于电极力2500N,这一数值是典型的薄板金属焊机数值,前面的估算范围可以忽略,相比较于使用在小型电互连焊机上1N数量级的电极力,后面的估算范围不能忽略,因为在焊缝加热过程中电极力可能有一定变化。再应用式(3.8),从法向电极力和有效质量上可以估算出电极/夹具联合起来所具有的加速度,对于大的工业用焊机这一加速度变化范围是25~2500m/s2,而对于微焊机这一加速度变化范围是10~100m/s2

一旦熔合区形成并且电流切断,焊缝将迅速凝固和冷却,并伴随同样快速的焊缝收缩。至少在熔池存在的那段时间,电极应该施加压力以防止熔合区缺陷的形成。因此,需要使表面仍然受电极力作用。式(3.5)中熔池区分数因子C在较早的有关熔化的情形下被忽略了,但是在此,这一因子不可或缺(并置于0.5),因为收缩只与凝固相变化相关,而不是由于冷却到室温所造成的。并且,只有式(3.3)中插入项最后的因子可用,所以式(3.5)改写为

δcontr=0.5(εm/3)×厚度 (3.9)

对于工业用的薄板金属焊机,δcontr约为0.06mm,凝固时间约为0.03s[10]。用δcontr代替δexp,并且用凝固时间代替式(3.7)中的电流持续时间,保持电极接触所需的加速度就可以给出来:133mm/s2。这个数值比熔化过程中所需的数值要大得多,但是即使对于最慢的包含夹具的电极也仍然是完全在可获得的加速度以内,所以,工业用的薄板金属焊机动力学几乎完全胜任其工作。

对于微电阻焊缝,冷却速率至少与类似尺寸激光焊缝的冷却速率一样快,在104~105K/s数量级之间,所以,建议凝固时间在0.1~1ms范围之间。对于整个厚度为0.1mm的焊缝,δcontr约为6×10-4mm。如果熔合区持续0.1ms才凝固,维持正在凝固的熔合区上的压力所需的加速度为120mm/s2。如果熔合区持续1ms才凝固,所需的加速度只有1.2mm/s2。因此,对于微电阻焊缝,估算可获得的(10~100mm/s2)和所需的加速度数值部分重叠。显然,焊接参数改变,如电极力,会改变加速度和热排除率(因此改变凝固时间),对焊接系统维持正在凝固中熔池上所需压力水平的能力具有明显作用。

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