基于異種鋼材焊點(diǎn)失效的仿真建模方法及驗(yàn)證*

李金柱，石興博，張 賽，任鵬飛，田杰斌，羅 原

（1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津 300300）

0 引言

相比于其他連接工藝，電阻點(diǎn)焊技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、效率高、焊接表面品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)的生產(chǎn)制造過(guò)程中[1]。焊點(diǎn)質(zhì)量不僅影響車(chē)輛的安全性能，還和NVH、疲勞耐久有關(guān)，保證焊點(diǎn)質(zhì)量的可靠是汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

在整車(chē)系統(tǒng)中，焊點(diǎn)的數(shù)量多、布置面積大，不同材料的焊接性能也不同，在實(shí)際變形中受到的載荷復(fù)雜多樣[2-3]，僅僅通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試會(huì)導(dǎo)致時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本壓力大的問(wèn)題。隨著CAE 仿真技術(shù)的成熟，可以很大程度彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題，而車(chē)身上焊接結(jié)構(gòu)的材料和厚度都不完全相同，焊接性能也不完全相同，僅僅通過(guò)一套焊點(diǎn)參數(shù)不能夠準(zhǔn)確模擬整車(chē)的焊點(diǎn)受力情況，需要測(cè)試得到不同部件之間的焊點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)，然后帶入到整車(chē)進(jìn)行計(jì)算。最重要的一步就是如何得到不同材料之間準(zhǔn)確的焊點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)，并通過(guò)仿真能夠預(yù)測(cè)焊點(diǎn)的脫開(kāi)情況是目前研究的重點(diǎn)。對(duì)于焊點(diǎn)的模擬，人們進(jìn)行了大量研究，主要是針對(duì)不同焊點(diǎn)類(lèi)型對(duì)仿真結(jié)果的影響[4-5]，然而對(duì)于不同材料之間焊點(diǎn)失效參數(shù)的獲得以及驗(yàn)證尚未有統(tǒng)一可靠的流程和方法。因此一種簡(jiǎn)單且能夠準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)在實(shí)際變形過(guò)程中出現(xiàn)失效脫開(kāi)現(xiàn)象的焊點(diǎn)模型一直是有限元模擬中的一個(gè)難點(diǎn)。

本文將通過(guò)搭接剪切試驗(yàn)、拉伸剝離試驗(yàn)、十字拉伸試驗(yàn)獲得兩種板材焊點(diǎn)不同方向的失效參數(shù)，并通過(guò)相同母材及焊接工藝的部件壓潰試驗(yàn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)部件變形、焊點(diǎn)失效情況及載荷-位移曲線進(jìn)行了全方面對(duì)比，驗(yàn)證了兩種金屬板材焊點(diǎn)失效參數(shù)的可靠性。該方法后續(xù)可以推廣應(yīng)用到更多的材料組合形式，進(jìn)而為整車(chē)及零部件性能的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則及建模方法

1.1 焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則

焊點(diǎn)在實(shí)際承載過(guò)程中主要受到沿焊點(diǎn)接觸面的剪切力、垂直于接觸面正拉力、平行接觸面的彎矩以及垂直于接觸面的扭矩的作用，通常沿接觸面的剪切力和垂直接觸面的正拉力是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要載荷形式。為了全面系統(tǒng)的描述焊點(diǎn)的受力形式和特點(diǎn)，為后續(xù)焊點(diǎn)失效判據(jù)的建立創(chuàng)造條件，有必要定量描述焊點(diǎn)接頭的所承受的各種載荷，如圖1 所示。

圖1 焊點(diǎn)受力情況

由于試驗(yàn)測(cè)試可以得到焊點(diǎn)不同方向的載荷值，根據(jù)焊點(diǎn)的實(shí)際受力情況，將復(fù)合載荷的作用分解為多個(gè)單向載荷的組合作用，構(gòu)建基于合力的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則[6]，如下式所示，當(dāng)焊點(diǎn)所受的力超過(guò)其承載能力時(shí)，焊點(diǎn)發(fā)生失效。

式中：NRRF為焊點(diǎn)能承受的R 向最大拉力；NRSF為焊點(diǎn)能承受的S向最大剪切力；NRTF為焊點(diǎn)能承受的T向最大剪切力；MRRF為焊點(diǎn)能承受的最大扭矩；MSSF為焊點(diǎn)能承受的S向最大彎矩；MTTF為焊點(diǎn)能承受的T向最大彎矩。

當(dāng)FC≥1 時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)被判定為失效。焊點(diǎn)失效判據(jù)中的分母即為焊點(diǎn)失效參數(shù)，而如何通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試并通過(guò)仿真校準(zhǔn)是對(duì)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)失效行為進(jìn)行準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵。

1.2 焊點(diǎn)模擬方法

焊點(diǎn)性能的精確模擬一方面需要精確的力學(xué)性能參數(shù)，另一方面還需要選擇合適的單元形式。焊點(diǎn)單元形式的選擇主要參考精度、建模復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間，選擇不同的單元類(lèi)型會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有一定的差距。目前常見(jiàn)的焊點(diǎn)模擬類(lèi)型主要有剛性單元（Rigid）、梁?jiǎn)卧˙eam）和實(shí)體單元（Solid）等[7]。

剛性單元是指在焊點(diǎn)位置約束相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度，通過(guò)這個(gè)方法，兩層殼單元在變形過(guò)程中保持一致，如圖2 所示。剛性單元無(wú)法模擬焊點(diǎn)所受的彎矩，且在建模時(shí)要求焊點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)必須對(duì)齊，使剛性梁能夠垂直于所連接的面，若存在一定夾角，則會(huì)對(duì)焊點(diǎn)力的計(jì)算有影響，這種方法一般用在不是關(guān)鍵部件的位置，計(jì)算效率較高，但精度較差。

圖2 剛性單元模型

梁?jiǎn)卧M是指在焊點(diǎn)位置用梁?jiǎn)卧B接兩層殼單元，如圖3 所示。梁?jiǎn)卧膬蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)分別與上下兩層的單元相連，再通過(guò)定義接觸的方法模擬焊點(diǎn)與母材的連接關(guān)系。梁?jiǎn)卧獋鬟f力的形式是通過(guò)對(duì)附近殼單元的多個(gè)節(jié)點(diǎn)按權(quán)分配載荷的大小，可以近似模擬焊點(diǎn)的受力情況，但對(duì)于復(fù)雜工況的焊點(diǎn)受力模擬精度不如實(shí)體單元。

圖3 梁?jiǎn)卧Ｐ?

采用實(shí)體單元來(lái)模擬點(diǎn)焊連接是在焊點(diǎn)位置定義體單元來(lái)連接殼單元，如圖4 所示。此方法從三維的角度盡可能地模擬焊點(diǎn)，通過(guò)定義接觸將兩殼單元連接起來(lái)，力與力矩是通過(guò)體單元來(lái)傳遞的，這種穩(wěn)固的連接方法能捕捉焊點(diǎn)位置的變形情況和所受載荷，準(zhǔn)確體現(xiàn)焊點(diǎn)與板材在變形過(guò)程中的實(shí)際情況。

圖4 實(shí)體單元模型

2 焊點(diǎn)失效參數(shù)獲取

2.1 母材和焊點(diǎn)基本參數(shù)

本文中選取1.6 mm 厚的DP590 與1.5 mm 厚的HC420 LA的搭接組合作為不同板材失效判據(jù)有效性的研究對(duì)象，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示，兩種材料強(qiáng)度已經(jīng)經(jīng)過(guò)仿真標(biāo)定。根據(jù)不同的工況對(duì)該搭接組合進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖5 母材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)對(duì)失效準(zhǔn)則中參數(shù)的分析，基于力的焊點(diǎn)失效將根據(jù)不同的載荷類(lèi)型選用對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方式，通過(guò)十字拉伸試驗(yàn)獲得焊點(diǎn)的軸向最大失效力，搭接試驗(yàn)獲得焊點(diǎn)的切向最大失效力，剝離試驗(yàn)獲得最大剝離彎矩，各試驗(yàn)方式如圖6 所示。其中拉伸速度為2 mm∕min。為減小試驗(yàn)的隨機(jī)誤差，試驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行了3組。

圖6 不同類(lèi)型試驗(yàn)接頭樣件

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，焊點(diǎn)熔核區(qū)的屈服強(qiáng)度可以根據(jù)金屬材料硬度與屈服強(qiáng)度的大小成比例的關(guān)系間接得出，可表示為[7]：

式中：HVW為焊點(diǎn)的維氏硬度；δSW為焊點(diǎn)的屈服強(qiáng)度；HVU為基體的維氏硬度；δSU為基體的屈服強(qiáng)度。

焊點(diǎn)的材料屬性如表1所示。

表1 焊點(diǎn)的基本屬性

2.2 焊點(diǎn)失效分析及參數(shù)的確定

搭接剪切試樣在試驗(yàn)中的變形如圖7（a） 所示，在加載過(guò)程中，母材產(chǎn)生了翹曲變形，因?yàn)楹更c(diǎn)脫開(kāi)導(dǎo)致1.5 mm 的母材出現(xiàn)一個(gè)孔洞。通過(guò)試驗(yàn)載荷-位移曲線（圖7（b））可以看出，搭接試驗(yàn)可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段oa（以第3 組曲線為例）可以看成一個(gè)近似彈性變化，這段主要為焊點(diǎn)和母材共同作用，焊點(diǎn)周?chē)鷦偠容^大，力值上升較快。這從側(cè)面證明了，焊點(diǎn)強(qiáng)度和母材有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。第二階段ab隨著位移的繼續(xù)增加，載荷增加速度變慢，這是因?yàn)樵撾A段焊點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域發(fā)生塑性變形，熱影響區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，焊點(diǎn)周?chē)植縿偠认陆?，出現(xiàn)吸能效果。隨著載荷的進(jìn)一步增大，當(dāng)焊點(diǎn)周?chē)冃纬^(guò)材料的最大塑性應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)的最大載荷出現(xiàn)，焊點(diǎn)失效。通過(guò)搭接試驗(yàn)可得到該焊接結(jié)構(gòu)中失效S向、T向剪切合力NRSF、NRTF為24 686 N。

圖7 搭接接頭試樣變形及載荷-位移曲線

拉伸剝離試樣試驗(yàn)變形如圖8（a）所示，母材在彎折的地方出現(xiàn)了較大的變形，在焊點(diǎn)周?chē)撻_(kāi)的地方并沒(méi)有出現(xiàn)孔洞。這說(shuō)明在焊點(diǎn)脫開(kāi)的過(guò)程中，焊點(diǎn)承受了大部分彎矩載荷。通過(guò)試驗(yàn)載荷-位移曲線如圖8（b）所示，可以看出，曲線的整體趨勢(shì)與搭接剪切的較一致，但載荷比較小。試驗(yàn)大致也分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段oa（以第3 組曲線為例）載荷上升較快，主要是母材彎折處在焊點(diǎn)的作用下發(fā)生拉伸展開(kāi)，該階段焊點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有發(fā)生明顯的變形。第二階段ab隨著位移的繼續(xù)增加，板材搭接的距離繼續(xù)增大，焊點(diǎn)周?chē)植砍霈F(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形，焊點(diǎn)周?chē)植縿偠冉档停d荷上升速度降低。隨著載荷的進(jìn)一步增大，當(dāng)塑性應(yīng)變達(dá)到最大值時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，最終焊點(diǎn)與母材分離，焊點(diǎn)失效。另外實(shí)際情況中，焊點(diǎn)受到扭轉(zhuǎn)的概率較低，可以近似等效為彎矩。由此可近似計(jì)算出該焊接結(jié)構(gòu)的失效彎矩和扭矩MRRF、MSSF、MRTF為27 808 N·mm。

圖8 剝離接頭試樣變形及載荷-位移曲線

十字拉伸試樣試驗(yàn)變形如圖9（a）所示，兩塊板材焊點(diǎn)位置發(fā)生翹曲，在焊點(diǎn)周?chē)霈F(xiàn)孔洞。試驗(yàn)載荷-位移曲線如圖9（b）所示，可以看出，曲線的整體趨勢(shì)與搭接剪切和拉伸剝離差異較大，呈現(xiàn)上升速度先慢后快的特點(diǎn)，焊點(diǎn)失效之前載荷急劇增加。這是由于拉伸過(guò)程中焊點(diǎn)周?chē)艿降妮d荷相對(duì)于其余兩個(gè)工況更加均勻，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，而是焊點(diǎn)周?chē)瑫r(shí)失效，所以載荷達(dá)到最大值后立即失效，沒(méi)有出現(xiàn)平臺(tái)階段。通過(guò)十字拉伸試驗(yàn)可得到該焊接結(jié)構(gòu)的失效最大軸向力NRRF=7 916 N。

圖9 十字拉伸接頭試驗(yàn)變形及載荷-位移曲線

3 多焊點(diǎn)子系統(tǒng)部件驗(yàn)證

車(chē)身中焊接部件多以型腔形式存在，為了接近實(shí)際情況，本文選擇口字型梁壓潰試驗(yàn)及其仿真來(lái)驗(yàn)證焊點(diǎn)失效模型的模擬精度，梁的材料、厚度與母材保持一致。焊點(diǎn)布置如圖7所示，焊點(diǎn)間距L=50 mm，焊點(diǎn)直徑為6 mm。利用前述焊點(diǎn)失效模型的建立方法，將測(cè)試得到的焊點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)填入仿真應(yīng)用的卡片。梁的壓潰速度為3 mm∕s，壓潰距離為140 mm。仿真模型中通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 模擬焊點(diǎn)與板材的連接；通過(guò)設(shè)置截面力，讀取關(guān)鍵字*DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE 輸出載荷；通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵字*DATABASE_HISTORY_NODE 輸出節(jié)點(diǎn)加載位移，模擬試驗(yàn)測(cè)試得到的位移和載荷。

圖10 焊點(diǎn)布置示意圖

圖11（a）所示為試驗(yàn)壓潰后的變形情況，圖11（b）所示為仿真壓潰后的變形情況。仿真折疊區(qū)域的變形與梁實(shí)際的變形特征接近，且焊點(diǎn)失效的位置也與試驗(yàn)一致。說(shuō)明焊點(diǎn)失效參數(shù)可以準(zhǔn)確的反映焊點(diǎn)在實(shí)際工況中的受力情況。從圖11（c）所示的載荷-位移曲線可知，仿真和試驗(yàn)的曲線形式基本吻合，仿真得到的最大峰值載荷為60 763.9 N，3組平行試驗(yàn)測(cè)試得到的的最大峰值載荷分別為59 719.6 N、62 622.6 N、614 72.6 N，最大誤差為2.9%，兩種板材之間焊點(diǎn)參數(shù)的模擬精度可以滿足實(shí)際工程的應(yīng)用。

圖11 口字型梁壓潰試驗(yàn)與仿真對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得兩種不同金屬板材之間焊點(diǎn)不同方向的力學(xué)性能參數(shù)，并通過(guò)部件壓潰試驗(yàn)及其仿真分析驗(yàn)證了焊點(diǎn)參數(shù)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果如下。

（1） 通過(guò)拉剪、剝離、十字拉伸試驗(yàn)可以獲得DP590與HC420 LA焊點(diǎn)的失效規(guī)律和力學(xué)性能參數(shù)。焊點(diǎn)可以承受的拉剪力最大，為24 686 N，其次是軸向拉力，為7 916 N，而所能承受的彎扭力最小，為3 476 N，在試驗(yàn)測(cè)試以及生產(chǎn)制造過(guò)程中要根據(jù)焊點(diǎn)的實(shí)際情況考慮焊點(diǎn)布置位置及數(shù)量。

（2）針對(duì)壓潰失效過(guò)程的焊點(diǎn)力仿真得到的峰值載荷與試驗(yàn)結(jié)果的誤差小于2.9%，且變形情況基本一致，表明試驗(yàn)測(cè)試得到的焊點(diǎn)力學(xué)性能參數(shù)可以滿足仿真精度要求，可以推廣到更多材料的焊接組合形式。