SORPAS专注于电阻焊与铆接的案例分析

SORPAS^®概念

SORPAS是专门用于模拟和优化电阻焊接，机械连接及相关过程设计的专用有限元分析（FEA / FEM）软件。

SORPAS是集成焊接工程专业知识与数值建模技术的一款独特而强大的工具，可直接用于工业应用。

SORPAS®概念的核心价值体现在：

• 了解行业面临的实际问题

• 尊重工程师的智慧及其工作方式

• 将新技术整合到工业工程师的日常工作中

SORPAS®无需先验数值模拟的知识即可学习和使用，所以可以被工业工程师快速学习并轻松使用。

焊接前确保^TM

找到良好参数的工艺窗口是实现最佳焊接质量的焊接计划、工艺控制和生产维护的关键。SORPAS^®的工艺优化和Excel批量处理功能可用于预测提高焊接质量、提高生产稳定性和减少飞溅。

焊接解决方案

焊接对于制造，组装和维修中的广泛应用至关重要，如图所示，从设计、优化、计划到生产和评估，焊接过程中还存在许多焊接问题需要解决。

然而，要找到许多焊接问题的根本原因并不容易，部分原因是焊接工艺的复杂性，部分原因是焊接过程非常快，焊接内部难以露出。

解决焊接问题的实际方法主要是通过反复试验来进行试错，首先在焊接设备上进行焊接设计，然后生成和评估焊接，最后批准或拒绝焊接设计，或调试焊接生产。这不仅耗时而且成本很高。

具有焊接模拟的新数字方法可以在焊接生命周期的不同阶段同时工作。例如，在设计过程中可以通过预测焊接尺寸和焊接强度来评估焊接结果，还可以在稳定的焊接生产之前优化焊接过程

在下面几页中，我们将详细介绍模拟焊接解决方案，并提供如何进行良好的焊接设计的指导，建立稳定的焊接生产以及在整个焊接生命周期的每个阶段都通过模拟来支持生产成功的焊接：

• 焊接设计

• 焊接优化

• 焊接计划

• 焊接生产

• 焊接评估

然后，我们将引领焊接数字化的道路，以提出创建焊接数字孪生的新方法，并对整个焊接生命周期的各个阶段给出了每个数字孪生的定义。

♦ 焊接设计

核心准则：进行焊接设计和选择材料组合以平衡焊接界面产生的热量。

实际问题：无法看到焊接内部产生的热量，因此很难进行良好的焊接接设计以获得最佳的热量平衡。

数字解决方案：通过所有焊接设计选项和材料组合的模拟，可视化热量产生并预测可焊接性。

在焊接设计中，重点是每个焊接零件的几何设计和材料选择。通常来说，对于优化和确定焊点的位置以及焊点间距以获得最佳焊接质量也很重要。

通过使用SORPAS进行焊接模拟，可以对焊接零件的几何设计建模，从而可以灵活地为任何零件选择材料，并且可以从集成材料数据库中的所有材料列表中自由选择任何材料。这样，可以在计算机上虚拟模拟所有几何设计和材料组合的可能性。在使用真实材料和真实零件进行任何焊接测试之前，可以根据模拟结果得到焊接设计和材料组合的最佳解决方案。

我们将在下面详细介绍点焊，凸焊和机械连接应用的焊接设计解决方案。

点焊设计因素和材料的可焊性

                                                    在电阻点焊中，板材厚度的比例（最厚至最薄）应小于3：1

每次在焊接和连接将新材料引入生产之前，都必须进行大量研究以评估材料的可焊性以及在生产中实施该材料的可行性。有时，为了组装工厂的持续生产，可能会更改材料供应商。这通常需要评估新供应商提供的材料的可焊接性，以保持焊接质量和生产稳定性。

SORPAS 2D.welding和SORPAS 3D.welding是已被用于评估各种厚度和材料比率的材料的可焊性的具有强大功能的工具。

汽车工业中最常见的可焊性问题之一是使用薄的低碳钢板和两种较厚的高强度钢进行的三层点焊。

在《焊接》杂志 2011年出版：先进的高强度钢的三层点焊。

                                                           实验和数值计算的三片点焊中心点焊缝截面图

近年来，SORPAS已用于提高第三代高级高强度钢（AHSS）的电阻点焊性能。

关于第十一届国际可焊性数值分析研讨会的会议论文（2015年）：

提高了第三代汽车用AHSS的电阻点焊性能。

                                      SORPAS热力学模型概述，显示了样品和电极的几何形状，以及网格的特写

凸焊设计因素和材料的可焊性

在点焊中，电极的设计对于将焊接电流集中到焊接区域很重要，而在凸焊中，工件上的凸出物的设计对于局部化电流至关重要。电极仅提供焊接压力，并将焊接电流传导至工件。

工件上的局部凸起可以专门设计用于将焊接电流集中到焊接区域，例如平板上的压花，圆螺母上的环形凸起或方螺母上的角凸起等。也可以使用工件的自然形状作为将焊接电流集中到焊接区域，例如交叉线焊接和管-板焊接。

凸焊的设计要素是凸出物的形状，角度和高度。凸焊的设计原则是：凸出物的设计应有效地集中电流，但应稳定且不会塌陷得太快或引起严重的脱落。

通过有效地集中电流和在工件上形成凸起，凸焊可在很大程度上用于焊接不同的材料（这些材料搭接组合可能无法进行点焊）。通过关键性表面涂层，甚至可以通过凸焊将极其困难的材料焊接起来，例如将铜合金焊接到钢上。

一般而言，为使焊接界面处的热量达到最佳热量平衡，会将凸起放在较难产生热量的一侧：

• 如果使用相似的材料，由于需要加热的体积和质量较大，因此应将凸起放置在较厚的工件上。

• 如果材料不同，则凸起应放在电阻较低的材料工件上。

• 同样，通常将具有较高电阻的关键性表面涂层放置在具有较低电阻的材料上。

凸焊的最佳设计和关键性表面涂层材料的最佳选择，最适合焊接的单个材料组合都可以使用SORPAS 2D进行模拟。对于结构复杂的凸焊，SORPAS 3D更具有优势。通过将模拟的焊接结果与不同的设计和材料选择进行比较，可以获得最佳的凸焊设计。

                                                       凸焊设计应有效地集中电流而不要坍塌得太快

机械接头的设计因素和接头的质量

机械连接被广泛运用到连接不同的材料，并且这可能是将碳纤维增强的聚合物与金属连接的唯一有效方法。自冲铆接（SPR）和铆接最常用于汽车工业中的板材连接。

为了获得最佳的接头质量，铆钉的形状和材料、模具设计和材料以及工具力应适当优化。SPR接头的质量可以通过关键的接头因素进行评估，例如联锁长度（铆钉张开），底板的最小厚度，铆钉头的高度以及底板中铆钉的有效长度。

SORPAS®2D.joining可用于模拟各种形状和材料的铆钉和模具的机械连接，适用于板材厚度和待连接材料的所有组合。

                                                                 自冲铆接质量因素: 联锁距离、底部厚度、顶部高度

♦ 焊接优化

核心准则：为了获得尽可能大的焊接工艺窗口，以确保高质量的焊接而不会喷溅/飞溅。

实际问题：需要使用真实材料进行大量焊接测试才能找到工艺窗口，这不仅耗费时间而且成本昂贵。

数字解决方案：通过数值模拟和优化来预测具有焊接接增长曲线和可焊性工艺窗口。

焊接工艺优化 

借助SORPAS 2D.welding，已经开发了一些用于自动仿真的功能，以支持焊接工艺参数优化。可以运行全自动程序来生成焊缝增长曲线和可焊性凸角。

铆接优化

SPR形状变化→最佳几何形状

♦ 焊接计划

核心准则：寻找最佳工艺参数以进行稳定的焊接生产以此来获得一致的焊接结果。

实际问题：每个工厂都有自己的材料供应商和设备制造商，所有焊接都需要各自适配的工艺设置。

数字解决方案：通过具有自动化模拟的焊接计划，为每种焊接组合获取优化的工艺参数。

批量管理计划

批量管理计划的功能可通过直接从Excel数据表文件中读取输入数据，然后自动制作仿真文件并运行所有仿真和优化以根据提供的数据生成优化的焊接工艺参数，把优化和计划焊接工艺参数的解决方案生成在Excel数据表文件中。这将为用户节省大量准备和仿真的时间，并大大提高了仿真和优化的效率！

借助此功能，工程师可以在大规模，快速的模拟和优化的支持下，最大限度地利用模拟和优化的优势，大幅减少焊接测试的次数，从而提高焊接质量和生产稳定性。

智能焊接计划

新版SORPAS®2D的新功能之一是智能焊接计划，用于预测最佳焊接进度（焊接电流，力，焊接和保持时间）。

根据用户定义的焊接任务说明（WTD），其中包含板材，电极，焊接机的类型以及所需的焊接质量的信息，SORPAS®将自动优化并找到最佳的焊接电流，力，焊接时间和保持时间。

可以预测飞溅（排出）极限。从而在质量要求的最小焊接熔核尺寸和飞溅（排出）极限之间预测焊接过程窗口。

软件将使用板材，焊条和焊接机的WTD信息生成焊接计划报告； 预测的最佳焊接进度规范（WSS）； 具有最佳焊接电流，力，焊接时间和保持时间的焊接工艺窗口； 以及使用最佳焊接工艺参数获得的焊接质量结果。

SORPAS ^®焊接规划程序

该SORPAS®焊接规划工作在以下步骤：

• WTD—焊接任务说明

• 用户首选项

• 运行焊接计划以预测最佳焊接参数

• WSS的焊接计划报告——焊接进度表规范

1）WTD—焊接任务描述用于定义焊接任务，包括板材，电极，焊接机类型和所需焊接质量的规格，请参见右图。

2）用户首选项用于用户首选的计划策略。焊接电流将始终通过SORPAS®进行优化，但是用户可以自由选择焊接力，焊接时间或脉冲数的首选值，方法是输入特定的输入值，或者直接将参数保留为0以使SORPAS ®完全优化。

3）进行焊接计划。定义焊接任务并选择用户首选项后，只需按“开始”按钮即可开始焊接计划。然后，SORPAS®将自动运行所有优化程序，首先确定最佳焊接力和焊接时间，然后预测焊接过程窗口和飞溅（排出）极限，最后优化焊接电流和保持时间。

4）使用WSS的焊接计划报告—最佳焊接计划规范是焊接计划的结果，其中包括给定的WTD，预测的最佳焊接工艺参数（焊接电流，焊接力，焊接时间和保持时间）以及焊接工艺窗口以及使用最佳焊接工艺参数预测的焊接质量结果。

在焊接计划期间，所有仿真和优化仅使用同一个数据文件完成，与生成焊接增长曲线和可焊性凸角相比，这大大减少了计算时间和硬盘空间的使用。

♦ 焊接生产

核心准则：为确保焊接生产在受控状态下运行并预见潜在问题以采取预防措施。

实际问题：焊接质量的不一致以及存在未知原因的意外焊接问题，因此很难找到快速解决方案。

数字解决方案：通过可能存在工艺公差和不规则焊接条件的模拟来找出焊接问题的根本原因。

生产维护

当焊接生产开始时，在最佳工艺窗口中进行了系统的优化规划，焊接生产过程中出现的问题主要是由于焊接条件的意外变化，例如电极帽磨损，板间隙，电极错位以及可能来自先前加工过程的错误，例如热冲压和热处理。

生产维护可提高焊接质量，生产稳定性和生产率。

最常见的问题之一是减少飞溅。

SORPAS可以帮助优化焊接过程，从而减少飞溅。

不规则条件

♦ 焊接评估

核心准则：为确保焊接尺寸，焊接强度和焊接周围的焊接材料性能（无缺陷）方面的质量。

实际问题：在产生实际焊接之前无法在设计阶段评估焊接质量，并且难以预测焊接缺陷。

数字解决方案：过模拟预测焊接熔核的形成，硬度和微观结构，开裂风险和焊接强度。

焊接质量

焊接质量由以下评估标准表示：

• 焊核直径或焊缝长度

• 焊接强度

• 微观结构

• 焊缝周围的硬度和其他性能

• 焊接后断裂的风险

借助新增的用于模拟冶金性能和残余物的功能，可以预测焊接后焊缝中的微观结构（马氏体，贝氏体，珠光体/铁素体）的分布，硬度分布以及残余应力和开裂风险。

焊接强度的计算也参照ISO标准描述的测试方法，包括交叉拉伸强度（ISO 14272：2000），剪切强度（ISO 14273：2000）和剥离强度（ISO 14270：2000）。因此，可以根据所得到的焊接强度来优化焊接工艺窗口和参数。

强度测试

评估焊接接头质量的常用方法是通过破坏性测试来获得各种载荷模式下的最大断裂力，并获得失效模式（纽扣或界面失效）。

SORPAS®3D.testing可以将电阻焊接过程和机械连接的模拟与焊接强度测试相结合：

• 拉伸剪切试验

• 十字拉伸测试

• 轴向拉伸试验

• 剥离（或弯曲）测试

• 扭转试验

产业领域解决方案

焊接行业的工业4.0意味着焊接过程计划和优化的数字化！

传统焊接生产工艺规划和优化的方法是进行大量反复的焊接试验。这是非常昂贵且非常耗时的，还浪费了大量的材料和人工，这延长了开发时间并延迟了新生产线的启动，会给生产维护留下许多未解决的问题或焊缝质量中无法发现的缺陷。

为了降低成本，加快开发速度并提高生产稳定性和焊接质量，一种新的工作方式是用计算机模拟和优化方法尽可能用数字（或虚拟）测试代替物理测试。

SORPAS®是由欧洲、亚洲和北美的汽车工业和电汽电子工业的世界领先公司专门为此目的研发的，并证明其在电阻点焊方面的有效证明。随着机械连接的新发展，该应用程序也扩展到了航空工业。

现在是时候转向一种新的焊接工艺计划和优化数字化工作方式！

SORPAS®为制造公司提供服务，这些制造公司在全球各个工业领域的生产工厂中都有越来越多的用户：

     • 汽车/汽车供应商                                     • 电气/电子

     • 航空/飞机                                                • 火车车厢/铁路

     • 散热器/容器                                             • 家用五金

     • 医疗仪器                                                  • 核设备

     • 饮食                                                         • 其他金属加工行业

案例研究库

SORPAS®的最大价值是领先的技术，并为制造公司生产附近的直接工业应用带来巨大收益。图库中提供了该软件的一些工业应用示例。

♦ 汽车行业

电阻焊接和机械连接是汽车工业中用于车身或白车身（BIW）组装的主要连接技术。

几乎所有的钢钣金件都是通过点焊组装的，而大多数铝钣金件是通过自冲铆接和铆接的方式组装的，而凸焊通常用于将焊接螺母紧固到板材上。

随着人们对轻型汽车减少二氧化碳排放，提高强度和提高碰撞性能以改善安全措施的要求不断提高，汽车中引入了越来越多的新材料，包括高级高强度钢（AHSS），铝合金和新的表面涂层。这些新材料极大地使焊接过程复杂化，并使传统材料焊接中的大部分现有知识无效。在建立焊接生产之前以及在生产维护期间，需要更多的焊接测试和工艺优化。

SORPAS®拥有汽车行业最大的用户群：

•  在研发部门，负责新材料的焊接性评估，以及连接工艺的创新

•  在规划部门，进行焊接工艺规划和优化，并建立新的焊接程序

•  在装配车间，进行生产启动和维护，以提高焊接质量和生产稳定性

电极降解

电阻焊接过程中的高电流和高压力条件使电极头处于在高磨损风险中。右图显示了镀锌钢板点焊中新旧电极头的比较。随着焊接数量的增加，电极头将发生两个主要变化：

1、几何变化

几何变化通常发生在钢板的电阻焊接中。由于钢的熔化温度较高，强度高于电极强度，电极尖端直径将因变形和磨损而增加，例如糊状，点蚀或拾取局部材料去除等。

2、冶金变化

在电阻焊接过程中，尖端表面附近的材料性能也会发生变化，例如与板材和涂层材料形成合金，以及由于过热而重结晶和软化。

飞溅预测

为了确保高质量的焊接，通常将焊接参数设置为接近飞溅条件。但是由于生产过程中动态条件的变化，可能导致熔液飞溅。

• 焊接工艺参数：焊接电流过大，焊接时间过长，或用力小都会引起飞溅。

• 电极接触：接触面积小，未对准

• 表面条件：灰尘，氧化物或其他任何物质均可导致高电阻表面，从而产生过多或局部的热量。

强度测试

目前有多种检测和评估点焊质量的方法。虽然用超声波或x射线扫描进行无损检测是检验点焊质量的理想方法，但通过手工凿试验或机械试验的破坏性强度检测仍然是评定焊缝强度最常用的方法之一。 以下是标准的机械化测试方法：

拉伸剪切试验

交叉拉伸试验

剥离测试

SORPAS 3D.testing可用于模拟焊接强度测试过程并预测载荷—伸长率曲线和最大断裂载荷。使用SORPAS 2D3D.link的新模块，也可以根据SORPAS 2D.joining仿真的结果来模拟机械连接的强度，例如SPR。

♦ 航天行业

机械连接和电阻焊接也广泛用于航空航天工业，用于连接重量轻，强度高的特殊金属部件，例如钛合金和铝合金，以及耐高温材料，例如镍铬合金等。

铆接是飞机机翼和机身组装中最常用的连接技术，而点焊也用于组装内部零件。

为了支持在航空航天工业中的应用，已将特殊材料添加到内置材料数据库中，包括铝合金，钛合金，铬镍铁合金和镍钴合金等。

除了开发完善的用于模拟和优化电阻焊接工艺的功能外，SORPAS®现在还得到了进一步开发，其新发布的版本用于模拟铆钉变形较大的铆接工艺。

♦ 电子行业

电阻焊接通常在电气和电子行业中用于连接各种（通常是良好的导电性，但更难焊接）材料和形状的部件，例如电连接器，转子和印刷电路等。

电气和电子工业中电阻焊接应用的特殊特征是其尺寸极小且难以焊接的奇特材料。

为了支持电气和电子行业的工业应用，已将特殊材料添加到内置材料数据库中，包括银，铜合金和镍合金等。为了简化微型组件的仿真，已将SORPAS®中的允许尺寸扩展到0.1微米（或4个小数点表示mm）。