可控电极力对高强钢胶焊熔核形成过程的影响机理研究

高强钢胶焊技术是胶接与电阻点焊相结合的一种复合连接工艺，能有效解决高强钢电阻点焊熔核脆性断裂和应力集中等质量问题。随着胶焊工艺中高韧性结构胶的推广应用，胶焊过程钢板-胶层-钢板间接触界面的导电、传热行为与胶层流动的耦合作用复杂。针对高黏性胶层引起胶焊熔核质量波动等问题，本项目提出了一种面向胶焊熔核宏微观质量综合控制的可控电极力方法。1）研究电极力对胶焊过程中胶层流动、传热过程和接触行为的影响，揭示电极力变化对熔核形成的作用机理；2）研究通电阶段钢板间接触区域动态电阻变化和冷却阶段熔核及热影响区的马氏体组织相变，建立可控电极力对胶焊熔核尺寸与微观组织的控制方法；3）研究伺服焊枪对电极力的控制特性，建立基于可控电极力的高强钢胶焊工艺优化模型，以保证高强钢胶焊接头的综合机械性能。研究成果对丰富高强钢胶焊质量控制理论，推动新型胶焊工艺在轻量化车身制造中的应用具有重要的指导意义。

高强钢胶焊技术作为胶接与电阻点焊相结合的一种复合连接工艺，综合了两种连接工艺的各自优点，已在汽车车身制造领域获得广泛应用。然而，受胶焊过程钢板-胶层-钢板间接触界面的导电、传热行为与胶层流动的耦合作用，胶焊熔核尺寸波动较大。为此，本项目利用伺服焊枪对电极力的精确调整，通过可控电极力对高强钢胶焊熔核形成过程的影响机理及实验研究，实现胶焊过程熔核尺寸的精确控制，提高高强钢胶焊接头质量。具体研究工作及成果包括：1)建立了考虑胶层膜电阻的钢板间接触电阻模型，获得预压过程中胶层耦合作用下的钢板间接触电阻变化规律，确定了保证钢板间充分接触的胶焊临界预压力。2)分析胶焊通电过程中钢板与胶层间的传热行为，建立了胶焊动态电阻方程，获得通电过程中钢板-胶层间的动态电阻变化规律。3)以典型的差强差厚三层板匹配为例，建立了考虑胶层作用下界面接触状态的三层钢板胶焊过程有限元仿真模型，分析了三层钢板胶焊熔核形成过程，揭示了三层钢板胶焊熔核形成机理。4)建立通电阶段电极力平衡方程和保持熔核受力平衡的临界电极力计算方程，确定胶层内部黏附力。建立胶焊液态熔核内部压力与熔核区域温度场之间的关系模型，获得通电过程中电极力对胶焊熔核形成过程的作用机理。5)分析焊接工艺参数对液态熔核的温度场、内部压力以及临界电极力的影响，建立保持液态熔核区域受力平衡的临界电极力与焊接工艺参数之间的回归模型，确定可控电极力的调整时刻和幅值。结果表明：建立的基于可控电极力胶焊工艺优化模型，可使熔核尺寸提高10%，可焊性窗口拓宽近50%。.项目研究获得的电极力对胶焊过程中胶层流动、传热过程和接触行为的影响规律，不仅揭示了高强钢胶焊熔核形成机理，而且对基于电极力的胶焊熔核质量控制研究提出了新的研究思路。建立的基于可控电极力的高强钢胶焊工艺优化方法，可保证高强钢胶焊接头的综合机械性能，为新型胶焊工艺在车身制造中的推广应用提供理论基础。以上研究成果在国内外期刊共发表论文15 篇，其中：在Welding Journal，Science and Technology of Weld & Joining, ISIJ International等发表SCI源期刊论文5篇，在焊接学报等发表EI检索论文11篇，国际会议论文3篇，公开国内发明专利3项。向ASME Transactions，Welding Journal等期刊投寄论文3篇。