18、低碳钢薄板电阻点焊中电极几何形状的影响

低碳钢薄板电阻点焊中电极几何形状的影响

1. 引言

电阻点焊（RSW）是连接金属薄板最常用的方法，在汽车、航空和航天等行业有着广泛应用。该方法生产率高，但随着新材料不断涌现，需要对其进行优化。电极的磨损是影响生产率的主要问题之一，电极磨损的现象包括恢复、再结晶、表面合金化、点蚀和侵蚀等，而电极持续的机械和热疲劳是导致这些现象的原因。RSW 过程涉及电、热、机械和冶金等多个物理领域，分析难度大。有限元方法（FEM）模型可以简化分析过程，有助于选择最佳焊接参数和设计电极。

2. 研究背景

此前已有许多关于电阻点焊的研究。例如，Wyant 等人研究了接触电阻的影响，发现随着焊接进行，接触电阻值会降低，当接触电阻最小时可获得最佳焊接效果。Volger 等人研究了使用截锥（TC）电极时，压力和温度对未涂层钢板接触电阻的影响，发现压力从 0 增加到 30 psi 时，板 - 板界面的接触电阻从 1200 降低到 600 μΏ，电极 - 板界面的接触电阻从 400 降低到 0 μΏ；当温度从 0°C 升高到 400°C 时，两个界面的接触电阻都变为零。

优化 RSW 过程需要控制多个参数，如焊接电流、焊接时间、电极压力、电极材料和电极几何形状等。实验优化这些参数需要大规模的实验室实验，而开发可靠的计算模型可以减少实验规模。虽然已有一些 FEM 模型用于分析 RSW 过程，但电极几何形状变化对焊接特性的影响还需要更多研究。由于 TC 电极是焊接未涂层钢板最通用的电极形状，且压力对其接触面积和接触电阻影响较小，因此采用电热分析足以模拟使用该电极的 RSW 过程。

3. 理论背景

3.1 传热和导电过程的数学建模

<