叠层薄板结构电阻点焊动态传热机理及其尺度效应研究

Resistance spot welding of multiple dissimilar thin metal sheets with meso scale (10-500μm) by inserting the thinner foil into the metal sheets is achieving an increased application in auto-body, battery and electronic devices. Coupling effects of size effect and Joule heating effect would make contact status, heat transfer law, welding nugget formation and microstructure evolution different from those of the traditional resistance spot welding process with large scale sheets. .In this proposal, the method of resistance spot welding of multilayer metal plates with inserted alloy foil will be put forward, which can the solve the problem of heat transfer control and alloy reaction between contact interfaces. The detailed contents of this proposal are as follows: At first, the method to characterize the micro morphology of the contact interfaces of multiple sheets will be put forward. The effect of plate thickness on contact behavior will be presented quantitatively. Secondly, the multiple field coupled simulation model for resistance spot welding of thin plates with inserted foil will be built, and effect of alloy thickness/material type on heat transmission and interface reaction can be obtained. Therefore, the coupled mechanism for Joule heat effect and size effect in resistance spot welding of multilayer thin plates with inserted foil can be revealed. At last, the robust method for multilayer thin metal plates can be built up by inserting alloy foil in mesoscopic scale. The experiment platform for resistance spot welding with inserted foil will be setup. This work could provide both theoretical and methodological guide for resistance spot welding of multilayer plates in mesoscopic scale.

金属薄板叠层结构电阻点焊工艺能满足轻量化车身、动力电池和精密电子器件等制造领域中介观尺度（10-500um）工件的连接需求。然而，受焊接过程尺度效应与焦耳热效应的耦合作用，界面间接触、传热、熔核生长及界面反应与宏观尺度点焊有明显不同，本项目提出合金垫片辅助金属薄板叠层结构点焊工艺方法，解决介观尺度下多层薄板界面间传热控制及热致合金化等问题。首先研究多层金属薄板焊接过程界面接触特性与形貌表征方法，定量描述结构尺度特征对材料接触行为的影响；其次，建立垫片辅助介观尺度电阻点焊参数化热流平衡模型及多场耦合仿真模型，获得热激励条件下不同合金垫片几何/材料属性对结构变形、温度场分布及接触界面合金化反应的影响规律，揭示薄板传热过程焦耳热效应与尺度效应的互激励机制；最后，形成金属薄板叠层结构垫片辅助稳健连接新工艺及原型系统，为介观尺度薄板高效稳健连接提供理论和方法。

本项目围绕宏微纳多尺度叠层薄板结构电阻点焊过程传热行为和性能调控展开研究，重点解决界面接触特性与微观形貌表征、叠层结构点焊传热过程建模、多尺度电阻点焊接头组织性能调控等问题，提出了垫片、纳米多层膜辅助等叠层结构电阻点焊工艺新方法。具体研究工作及成果包括以下4个方面：1）结合分形理论，建立了接触界面表面形貌的分形函数，获得了不同金属材料表面形貌与接触密度的映射关系，建立了考虑金属材料表面形貌的接触电阻预测模型；2）建立了不同尺度多场耦合作用下电阻点焊传热过程的有限元模型，阐明了叠层结构电阻点焊过程的界面传热行为，获得了不同尺度接合界面的温度演变规律；3）实验研究了叠层结构接触界面微观组织演变及元素分布特征，阐明了电阻点焊接触界面微观组织及元素扩散的作用机制，揭示了不同材料点焊过程接合界面的微观组织演变及合金化反应机理；4）基于上述仿真建模和实验研究，提出了垫片辅助电阻点焊工艺新方法，通过优化合金垫片材料属性与几何尺寸，使400um超薄钢板的点焊接头熔核直径增加20%，电极寿命从500点延长至2000点以上；提出了纳米多层膜辅助电阻点焊工艺新方法，利用纳米多层膜自蔓延反应产热熔化金属箔片实现有效连接，将4层镀镍铜箔电阻点焊连接强度提升至500N以上。.基于上述研究工作，项目研究团队在Welding Journal，Journal of Materials Processing Technology，Journal of Manufacturing Processes等焊接/制造领域重要期刊发表了SCI论文7篇，在审国际期刊论文3篇，公开了中国发明专利2项，在焊接领域国际/国内重要会议宣读论文3次。培养了博士研究生3名，硕士研究生4名。研究成果将为汽车车身薄板连接质量及锂电池装配连接一致性提升提供技术参考和借鉴。同时，研究工作也可用于空间站太阳能电池封装、微纳器件封装等技术领域。