Friis, Kasper Storgaard

Ved at benytte Finite Element metoden er det via numerisk simulering blevet muligt i langt højere grad at kunne analysere og forstå komplekse processer som modstandssvejsning. Grundet den stærke interaktion mellem mekaniske, termiske, elektriske og metallurgiske fænomener, er simulering af modstands-svejsning yderst kompleks. Modelleringen er yderligere kompliceret i forbindelse med nedskalering og svejsning af mikro komponenter samt ved svejsning af nye avancerede materialer så som højstyrkestål bilindustrien. Nærværende projekt omhandler tre temaer og har til formål at øge forståelsen af modstandssvejsning med henblik på at forbedre modellering og simulering af processen. Først undersøges metoder for måling af materialers mekaniske og elektriske egenskaber ved en bred vifte af temperaturer. Herunder undersøges specielt kontaktmodstand både teoretisk og eksperimentelt. Derefter omhandler projektet konsekvenserne af nedskalering af processen i relation til simulering, og til sidst fokuseres på svejsning af højstyrkestål med henblik på at forbedre modelleringen af den færdige svejsnings mekaniske egenskaber. Den temperatur- og tøjningsafhængige ydespænding af forskellige højstyrkestål samt af andre ofte anvendte materialer er blevet målt ved brug af varm-trækprøvning og varm-kompressionstest. Det blev fundet, at Hollomon's ligning er tilstrækkelige til at beskrive materialernes plastiske opførsel ved udvalgte temperaturer. En litteratur-undersøgelse af kontaktmodstand afslører, at de fleste modeller bygger på de klassiske teorier af Greenwood og Holm. Omfattende simplificeringer i udledningen af nyere modeller stiller dog spørgsmålstegn ved det teoretiske fundament bag modellerne. Eksperimentelle undersøgelser af kontaktmodstand er gennemført på et Gleeble 1500 system. Målingerne viser, at overflade hårdhed og elektrisk modstand af overfladefilm interagerer med effekten af kontakttrykket på kontaktmodstanden. Numerisk simulering af nedskalerede svejsninger introducerer problemer, der ikke ses ved normal størrelse. Specielt den lave elektrodekraft og etableringen af det egentlige kontaktareal blev identificeret som problematisk ved simulering af mikrosvejsninger. Derudover viser forsøg, at simuleringen af det mekaniske kollaps af projektionen i trådsvejsning er utilstrækkelig. Simulering af punktsvejsning af to- og trelags højstyrkeståal viser generelt god overensstemmelse med eksperimentelle forsøg. Karakterisering af mikrostrukturen af svejsningerne afslører, at martensit er den dominerende fase. Ved brug af empiriske formler af Blondeau et al. til forudsigelse af hårdheden af martensit, samt en foreslået funktion til udregning af det gennemsnitlige legeringsindhold, vises det, hvorledes hårdheden af svejsningerne kan forudsiges.With the use of the Finite Element Method it has become possible to analyse and better understand complex physical processes such as the resistance welding by numerical simulation. However, simulation of resistance welding is a very complex matter due to the strong interaction between mechanical, thermal, electrical and metallurgical effects all signifcantly in uencing the process. Modelling is further complicated when down-scaling the process for welding micro components or when welding new advanced high strength steels in the automotive industry. The current project deals with three main themes aimed at improving the understanding of resistance welding for increasing the accuracy of numerical simulation of the process. Firstly methods for measuring and modelling mechanical and electrical properties at a wide range of temperatures is investigated, and especially the electrical contact resistance is addressed both theoretically and experimentally. Secondly the consequences of downscaling the process is investigated experimentally and discussed in relation to simulation of the process. Finally resistance welding of advanced high strength steels is addressed aimed at improving the simulation of the final weld properties. The temperature dependent material rheology of dierent advanced high strength steels and other materials, often resistance welded, were measured using hot tensile testing and hot compression testing. It is found that the Hollomon equation is capable of modelling material rheology at discrete temperatures with suffcient accuracy. Investigation of theoretical contact resistance models revealed that most models build on the classic theory by Greenwood and Holm. However, extensive simplifications and assumptions raise questions regarding the theoretical foundation of the models. Experimental measurements of contact resistance was performed on a Gleeble 1500 system, and the measurements revealed that surface hardness and film resistance interacts with the effect of pressure on the contact resistance. Numerical simulation of downscaled joints introduce problems not observed for large scale welding. Especially the relatively small electrode force and the formation of the actual contact area is found to cause discrepancies in simulation of micro spot welding, as well as in micro welding of joints of complex geometry where simulation of the collapse of the geometric projections presented problems. Simulation of two- and three sheet spot welding of advanced high strength steels DP600 and TRIP700 did generally agree well with experimental observations. Microstructure characterisation revealed that martensite was the main constituent in the final weld. By using empirical formulae by Blondeau et al. predicting martensite hardness, and a proposed average volume weighted material composition function, the predicted post weld hardness corresponded well with experimental observations

Online Research Database In Technology

Resistance Welding of Advanced Materials and Micro Components

http://orbit.dtu.dk/ws/files/5166951/PhDThesisKLFR%5B1%5D.pdf

Resistance Welding of Advanced Materials and Micro Components

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology