点焊模拟
理论：电流变成热，热改变形状
概述
点焊只是通电而已，为什么仿真很难？
因为电、热、变形相互影响，而且在约0.1秒内剧烈变化。用铜合金电极夹住两块钢板加压，通以几千到十几千安的电流，发热从电阻大的板-板接触面开始。温度升高后钢的电阻率增大数倍，发热进一步集中；软化的板被电极压下、接触面积扩大，电流路径和电流密度随之改变。电极用水冷却，大部分热量流入电极。熔化部分（熔核）过大时，熔融金属会从缝隙中喷出，即“喷溅”。仿真中电场、温度、变形三种分析在每个时间步交换数据求解，并把影响最大的接触电阻作为温度和压力的函数给出。
热量收支
I为电流，R为电极间电阻（动态电阻），t_w为通电时间，ρ、c、L为密度、比热和熔化潜热，T_m为熔点，V_n为熔核体积，t为板厚（mm），d_n为熔核直径（mm）。
一辆车几千个焊点
电阻焊由美国的伊莱休·汤姆森于1886年发明。如今的轿车车身有几千个点焊，机器人打一个点不到一秒。随着高强度钢板、镀锌钢板以及与铝的组合增多，合适条件的范围越来越窄，仅靠试焊确定条件变得困难，这正是点焊仿真得到广泛应用的原因之一。
算例
例1：两块1.0 mm钢板的热量收支（假设电极间电阻100 µΩ，通电0.2秒）
| 电流 | 发热量 |
|---|---|
| 8 kA | 1,280 J |
| 10 kA | 2,000 J |
| 12 kA | 2,880 J |
把熔核视为直径5 mm（5√t）、厚1.4 mm（总板厚的70%）的圆盘，体积为27.5 mm³。把钢加热到熔点并熔化需要每立方毫米9.6 J，所以熔核只需约264 J，仅占10 kA时产生的2,000 J的13%。
如果只有13%的热量用于熔核，其余87%去了哪里？仿真需要关心吗？
非常需要。其余热量大多流入水冷的铜合金电极，一部分加热熔核周围的板材。也就是说，熔核大小由发热与流向电极的散热之差决定，并随电极冷却条件和电极端部形状（磨损使端面直径变大、电流密度下降）而大幅变化。仿真中把电极当作恒温边界，容易高估散热、使熔核偏小。应把电极连同冷却水道一起建模，并给出电极与板之间的接触热阻。本例电极端面直径6 mm时电流密度约354 A/mm²，磨损使端面扩大到7 mm时下降约26%，同样条件下熔核会变小。
实务流程
- 建立板和电极的二维轴对称模型，按时间分为加压（预压）→通电→保持各阶段。
- 把电阻率、导热系数、比热和强度作为温度的函数，把接触电阻作为温度和压力的函数给出。
- 先做加压分析求接触面压力分布，再进行电场-温度-变形耦合的通电计算。
- 把熔核直径和动态电阻随时间的变化与剖面观察和焊机记录比较。
- 改变电流和通电时间，求出熔核不足与喷溅之间的范围（焊接窗口）。
“动态电阻峰值告诉我们什么”
在焊机上记录电极间电压和电流，可以看到电阻在通电后先下降，随后上升形成峰值，然后缓慢下降。最初的下降对应接触面的贴合，峰值对应温度升高引起的电阻率增大，之后的下降对应熔核长大和电极压入使导电面积扩大。仿真若能再现这一形状，就可以判断接触电阻和材料数据的给法大体正确。发生喷溅时电阻会突然下降，因此这条曲线也用于检测喷溅。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 接触电阻取常数 | 发热位置和量不准 | 作为温度和压力的函数 |
| 电极设为恒温 | 低估熔核 | 建模到冷却水道 |
| 省略加压 | 接触面积不准 | 先做加压分析 |
| 忽略电极端部磨损 | 漏判量产中熔核变小 | 改变端面直径评估 |
| 忽略镀层 | 低估所需电流 | 考虑镀层接触电阻 |
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