铝合金电阻凸焊过程直接模拟

铝合金电阻凸焊过程直接模拟

王仕仙1， 卢 霞1，2， 丁一刚2， 喻九阳3， 王成刚3

(1. 武汉工程大学 邮电与信息工程学院，武汉 430073; 2. 武汉工程大学 化工与制药学院，武汉 430073;3. 武汉工程大学 机电工程学院，武汉 430073)

摘 要：文中采用ANSYS对电阻凸焊过程进行直接模拟，选用plane223单元同时模拟热、电、结构耦合过程，模拟焊核尺寸与试验结果基本吻合，验证了模拟算法的正确性. 结果表明，预压阶段的最大应力、应变位于凸焊筋周围，最大应力超过材料屈服极限，凸焊筋周围形成塑性变形区；通电焊接过程，最高温度位于凸焊筋与封装盖板的贴合面上，随着温度升高凸焊筋迅速压溃，通电后半阶段为焊核形成阶段，最终得到的熔深为1.42 mm；直接模拟电阻凸焊过程可以为选择合理的凸焊工艺参数提供良好的理论依据.

关键词：电阻凸焊；直接模拟；多场耦合；凸焊筋压溃；焊核形成

0 序 言

微型机电系统(micro-electro-mechanical systems， MEMS)被广泛应用于生物医疗、交通运输、工业自动化、智能机器人、航空航天和军事系统等领域[1]. MEMS系统通常由多种材料和部件组成，其工作条件常常处于高温、高湿或酸碱性等恶劣环境，其结构的复杂性和运行工况的恶劣性对封装技术提出了严格的要求[2]. 为了避免大气环境的氧化、气流振动或热传导介质等带来的不利影响，MEMS器件主要采用真空电阻凸焊封装. 很多MEMS器件对高温敏感，而铝合金由于熔点低，热导率大，可以作为这些器件的封装外壳. 因此,研究铝合金的MEMS器件真空凸焊封装十分有意义，将促进中国MEMS器件真空封装技术的发展[3].

早期研究主要采用试验法，如Hess等人[4]就研究了不同焊接参数和凸点尺寸对焊核成形和焊接质量的影响；Adams等人[5]研究了凸焊筋几何形状对焊接质量和强度的影响. 随着有限元方法的发展，国内外学者开始采用数值方法来模拟凸焊过程. 电阻凸焊过程涉及电、热、冶金、接触状态等的耦合影响，由于材料和接触的高度非线性，使得模拟过程非常复杂. 如果边界条件或几何模型设置不合理，往往导致求解不收敛. Sun等人[6]用顺序耦合的方法对凸焊过程进行了分析，并研究了凸点高度对凸点压溃和焊核成形的影响. 这种分析方法考虑热-电结构场的相互影响，顺序进行热-结构和热-电分析，迭代过程中更新变形及温度场，其最大的优点是避免了直接耦合收敛的困难，因此被许多其他学者接受. 国内学者罗爱辉等人[7,8]也采用有限元法对轿车车门凸焊过程进行了分析. 之前的研究也采用这种顺序耦合法，研究了不锈钢凸焊焊核形成过程[9]. 但相对于直接模拟，顺序模拟的误差较大，而直接模拟的复杂性导致模拟很容易不收敛，因此还没有研究者对真空电阻凸焊过程进行直接模拟. 研究中用ansys16.0直接模拟铝合金真空电阻凸焊过程，充分考虑热-电结构接触之间的相互作用，采用随温度变化的材料性能，研究凸焊筋压溃过程、焊核形成过程的规律，并且将模拟的焊核尺寸与试验进行比较，验证模型的正确性. 为铝合金MEMS器件真空封装焊接参数的选择提供参考.

1 MEMS器件真空电阻焊试验装备

与气密性焊接相比，在 MEMS器件真空电阻凸焊封装过程中对腔体的气密性要求更加严格. 文中采用自主开发的一套适于真空环境工作的真空电阻熔焊机，其结构如图1所示. 封装过程是通过真空系统先将封装设备腔体的气压抽取到一定的气压值，然后再利用凸焊系统将MEMS器件壳体封装起来. 焊接前在工件的一面加工出需要的凸焊筋，为避免表层氧化物对焊接造成不利影响，需先对焊接件的表面进行清洗，在氮气保护下将封装金属外壳移置于真空电阻焊机的真空腔中，通过手套箱取出封装金属外壳管座和管帽后装入焊接夹具中，将其置于封装设备的腔室中. 然后将封装设备的腔室抽真空至 5×10-3 Pa，调整合适的焊接电压和电极力，进行真空焊接. 最后将封装设备的真空室内充入氮气，将封装好的外壳从真空腔体中取出，并将焊后试样沿着截面切开观察其熔核尺寸.

图1 真空电阻熔焊封装设备结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of vacuum resistance welding package equipment

2 有限元建模分析

2.1 有限元模型及边界条件

铝合金板厚为1.5 mm，凸焊筋高度为0.8 mm，顶角为60°. 由于实际焊接的工件是轴对称的，为减少计算量，建立1/2轴对称模型. 模型由上下电极、封装盖板、封装管帽组成，上下电极采用简化处理. 耦合单元采用plane223单元，接触单元采用target169和contact172单元.

边界条件如图2所示，下电极端面施加位移边界条件Sy=0，电压边界条件V=0，对称轴施加位移边界条件Sx=0，下电极端面施加电极压力和电流边界条件，电极右端施加对流边界条件对电极进行冷却，对流传热系数为3 800 W/(m2·℃). 首先进行初始预压分析，得出结构初始位移和接触，然后进行热、电、结构耦合分析，得出温度分布、电压分布、变形规律、接触状态及应力应变，直到焊接结束.

2.2 凸焊工艺参数

铝导热和导电率都很大，因此与不锈钢电阻凸焊相比焊接质量控制更难，焊核形成过程需要更大的电流；铝的熔点较低，线膨胀系数大，所以焊接过程容易产生飞溅，需要更大的电极力来获得满意的焊核. 但焊接电流获电流过大又会使凸焊筋过早压溃，难以得到满意的焊核. 文中采用图3中的工艺参数，预压60周波(1.2 s)，焊接15周波(0.3 s)，焊后压力保持30周波(0.6 s).

图2 二维模型及边界条件

Fig.2 2d model and boundary conditions

图3 电阻凸焊工艺参数

Fig.3 Resistance projection welding parameters

2.3 铝合金的材料参数

准确的材料参数直接关系到模拟结果的准确性. 铝合金的材料特性如密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、线膨胀系数、电阻率、比热、热导率都随时间变化，文中采用文献[10]中的材料参数.

接触电阻率是影响温度的主要因素，接触电阻率不仅和焊接压力、温度有关，而且还和不断变化的零件接触面积有关. 文中采用文献[9]中的公式计算接触电阻.

3 仿真结果分析

3.1 结果验证

为了验证仿真结果的正确性，采用与模拟相同的工艺参数进行焊接. 铝合金板采用AA6022-T4，电极采用ZrCu，凸焊筋高度0.8 mm，顶角60°，焊后沿着截面切开，采用扫描电镜观测熔核尺寸.

图4为实际熔核尺寸和模拟尺寸比对. 试验熔核直径为1.93 mm，熔深1.21 mm,模拟熔核直径为2.14 mm，熔深1.42 mm，模拟结果和试验结果基本吻合，验证了模拟算法的正确性. 试验测得的焊核尺寸比模拟略小，原因是模拟没有考虑辐射传热的影响.

图4 真空电阻凸焊熔核形貌

Fig.4 Nugget of projection welding

3.2 模拟结果分析

3.2.1 预压阶段变形及应力分析

预压阶段在电极力作用下，凸焊筋发生塑形变形，在凸焊筋与封装盖板贴合面处形成初始接触面，为通电阶段电流通道. 从图5可以看出，轴向位移主要发生在凸焊筋周围，最大轴向负位移位于凸焊筋正上方. 说明在电极压力作用下，凸焊筋逐渐被压溃. 从图6可以看出最大应力位于凸焊筋边角处，最大值为329 MPa，而铝合金常温下的屈服应力为178 MPa，应力超过178 MPa的区域都发生屈服，产生塑性变形，屈服区域位于凸焊筋顶点周围.

图5 预压结束轴向应变

Fig.5 Axis strain contour after squeeze cycle

3.2.2 凸焊筋压溃过程及接触面演化

图7是凸焊筋顶点位移和接触面宽度曲线. 预压阶段凸焊筋在电极力作用下产生向下位移，通电后电阻产生热使凸焊筋周围温度逐渐上升，通电初期温度较低，而铝的热膨胀系数较大，凸焊筋电极压力和热膨胀的共同作用下，凸焊筋顶点位移略有下降；随着温度的进一步升高，凸焊筋变软并迅速被压溃；凸焊筋压溃后，温度继续上升，在热膨胀作用下，凸焊筋和封装管帽(下工件)整体向上移动，由于铝合金的线膨胀系数较大，因此最大向下位移为0.574 mm. 预压阶段凸焊筋与封装盖板产生一定的接触面，随着通电温度升高，接触线长度缓慢上升，随着温度的进一步上升，凸焊筋被压溃，接触线长度迅速增大，同时由于接触线长度增大，电流密度减小，而材料的热导率较大，因此温度上升变缓. 凸焊筋压溃之后接触面线长缓慢增长，最大长度2.496 mm.

图6 预压结束Von-Mises应力图

Fig.6 Von-Mises stress contour after squeeze cycle

图7 凸焊筋顶点位移及接触面宽度

Fig.7 Displacement of projection vertex and contact radius

3.2.3 熔核形成过程

通过模拟计算得到焊接过程的温度分布，而铝合金熔点为660 ℃，则温度场中高于660 ℃的为熔核区. 由于接触电阻比铝合金的体电阻大，因此最高温度始终位于凸焊筋与封装盖板的贴合面. 焊接阶段通电时间为15周波(0.3 s)，从图8可以看出，通电之后，铝合金变软，凸焊筋逐渐被压溃，第7周波，凸焊已经完全压溃. 这个阶段由于塑性变形，凸焊筋和封装盖板之间的接触面积迅速增大，因而升温速度较慢. 剩余的通电时间，在电阻热的作用下凸焊筋金属熔化，形成熔核. 第9周波，熔核深度为0.26 mm，之后由于接触面趋于稳定，凸焊筋周围温度上升加快，随着通电时间增长，熔核迅速增大，最终熔核深度为1.42 mm.

图8 凸焊筋压溃及熔核形成过程

Fig.8 Predicted projection collapse and nugget formation process

4 结 论

(1) 文中采用直接法模拟铝合金电阻凸焊过程，选取plane223单元同时进行电-热结构耦合场分析，得到铝合金电阻凸焊应力、应变、温度场信息，进而分析凸焊筋压溃过程和焊核形成过程. 模拟得到的熔核尺寸与试验基本吻合，验证了模拟算法的正确性.

(2) 预压阶段主要应力和应变位于凸焊筋周围，并且凸焊筋周围应力超过铝合金屈服极限，产生塑性变形. 最大接触应力也位于凸焊筋周围，为通电阶段提供了较好的热及电流通道.

(3) 通电后随着温度提高，凸焊筋迅速压溃，接触面也迅速增大. 最高温度始终位于凸焊筋与封装盖板的贴合面，第7周 波凸焊筋完全被压溃，通电后半部分时间为熔核形成过程，最大熔深1.42 mm.

(4) 影响真空电阻凸焊质量的工艺参数较多，直接模拟法模拟真空电阻凸焊过程可以为合理工艺参数选择提供良好的理论依据.

参考文献：

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收稿日期：2015-10-29

基金项目：湖北省教育厅科学研究指导性资助项目(B2016485)

中图分类号：TG 453+.9

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)03-0099-04

作者简介：王仕仙，男，1981年出生，硕士，讲师. 主要从事机械设计、化工机械及仿真技术的研究工作. 发表论文10余篇. Email: [e-mail]

通讯作者：卢 霞，女，博士，讲师. Email: [e-mail]