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超高强钢点焊失效抵抗能力的实验分析及建模研究

S. Dancette, D. Fabregrave;gue, V. Massardier, J. Merlin, T. Dupuy, M. Bouzekri

摘要

超高强钢电阻点焊的破坏是通过为断层摄影、金相学和金属断面的显微镜观察的方法结合起来进行交叉张力的调查。可以确认三种主要的失效机理和失效区域：（i）在基础金属或亚临界区焊接热影响区的应变局部化（ii）焊接区的韧性剪切（iii）焊核的半脆性断裂。为了阐述这些机制如何竞争并给出一个既定的失效类型，我们创建了一个有限的单元模型。通过模拟焊接热影响区微观结构的拉伸试验可以获取局部的构成状态。这个模型可以捕获故障类型间转化的主要走势，可以起到焊缝几何化的作用并可靠的估计承载能力。

1. 引言

超高强钢（AHSS）是车身结构设计中的关键材料，使其在减轻重量的同时能在碰撞情况下有更好的表现。因为汽车通常有上千个点焊，所以它们的焊接性是一个重要的问题。所以，结构的机械性能不仅与板件的机械性质有关而且和街头强度有关。此外，点焊包含多材质的多种在诱导空间中的局部行为。因此，理解产生的行为是一个科学难题，这种难题也可以在诸如微电子设备的其他系统中遇到。

超高强钢的点焊通常比传统的低碳钢对界面失效更为敏感。这些点焊失效的特点是通过焊核缺口前端复杂的裂缝路径表现出来的，这些裂缝可以在接合面增殖（完全界面破坏，FIF）也可以通过板厚偏离（部分界面破坏，PIF）。这与通常的拔出按钮（BP）不一样，可以通过准静态的交叉张力实验或拉伸剪切试验等来观察（图.1），这些都是焊接性测定的典型方法。因此，理解失效状况的多样性对于尝试点焊行为及其承载能力的建模就显得十分必要。

非常多的因素都有影响点焊机械性能的倾向。它们可以分为三类：（i）集合因素（焊缝尺寸、板件厚度、试样宽度、机械夹头间的距离hellip;hellip;）（ii）加载模式（由剪切力主导、由标准载荷主导或两者结合）（iii）与焊接热循环有关的冶金因素以及钢的化学组成（在不同的焊接热影响区中的微观组织脆性，夹杂或气孔的存在，残余应力hellip;hellip;）。

拉伸剪切 交叉张力

图1.拉伸剪切实验和交叉张力实验草图

金块边界的延性失效（金块拔出）已在低碳钢和低合金高强钢（HSLA）承受普通载荷的情况下观察过。合金化程度更高的钢在承受相同模式的载荷时可以呈现出脆性（部分）界面失效。低碳钢或超高强钢承受剪切载荷的大点焊已显示出因在接近焊缝处的基体金属（BM）的局部化应变而导致失效，并伴随产生按钮拔出（BP）。较小的焊缝会在接合面失效并伴随有剪切断裂面。

基于焊点断裂的这些知识，在给定负载模式下的模拟焊点的承载能力可以以几种方式进行：经验模式、极限载荷分析、有限元方法。

1. 实验过程

2.1材料

五种钢在这项研究里进行了调查，由无间隙原子钢（IF260 1.5mm），三种强度依次增加的不同的双相钢（DP450 1.5mm，DP590 1.5mm，DP980 2.0mm）和诱发相变的塑性钢（TRIP780 1.5mm）组成。它们都可在冷轧或退火状态下得到。它们的化学成分和拉伸力学性能在表1中陈列出来。这些不同级别的钢是由它们不同的冶金成分选定的，其合金成分依次增加，使得在经过如下一部分所述的电阻点焊和破坏性试验后可以得到很多种失效形式。

2.2焊接和测试过程

钢板沿着横向被切成125*38mm的取样片，随后采用ISO 18278-2的标准进行焊接。这么做以便为每个钢种产生两组50个相同的焊缝，一组是较小但合适的焊接接头（低焊接电流，有可再生焊点熔核发展的迹象），另一组是焊缝较大并接近飞溅极限（高焊接电流）。每组焊缝的焊点熔核直径在表2里列出。

焊缝之后再进行完全或间断的交叉张力实验（ISO 14272），十字头速度是15mm/min。用于此目的的兹维克试验机配备有100kN的负荷传感器。

2.3损伤调查

失效点焊金属断面的显微镜观察分析是用飞利浦XL20和莱奥982电子扫描显微镜（SEM）进行的。对于间断性试样，为了进一步的金相检查，用菲尼克斯断层X光摄影装置进行了对焊接完整性和局部损伤的非破坏性试验。层析可以获得试样容积的3D重建，这样，通过材料对X光不同的吸收可以突出标记出孔洞和裂痕。在这一研究中，通过对试样1000投影的360°的旋转重建了其容积，是用了140keV和160mu;A的入射电子束。获取的试样容积的分辨率为5-6mu;m，约半个焊点熔核。在机械研磨和抛光后用2%硝酸酒精溶液和贝谢-博雅尔刻蚀可以在损伤区获得点焊截面的光学显微照片（OM）。

2.4焊接中的局部微观组织和本构行为

在之前的研究中，用Gleeble3500热-机械模拟器进行了电阻点焊热循环的试验模拟。这是为了再现焊接中的局部微观结构并研究其机械性能。通过电阻点焊过程的有限元分析，用数值的热循环驱动了Gleeble模拟，采用的是专用的商业软件SORPAS。之后可以对模拟的焊接热影响区试样在室温下进行准静态拉伸试验，如下所述。焊缝微观组织可以成功获取，从这项研究中提取的本构行为在现今的焊缝响应有限元分析的工作中正被使用。

表1.钢种：化学成分wt.%和拉伸性能（轧制方向）

表2.焊点熔核直径

1. 点焊的断裂

3.1焊接区域和局部失效

焊接中，从基体金属到焊点熔核中心的材料成分混杂，有重要的显微结构梯度，这与焊接过程中的热过程有关。图2a阐述了一种常见的电阻点焊横断面。大致的焊点熔核和焊接热影响区边界在图中标记出来了。相应的显微硬度轮廓在图2b中描述了（用DP450材料的例子获取的）。

这里强调了两种不同的焊接热影响区，也就是亚临界焊接热影响区（SCHAZ）和粗晶粒焊接热影响区（CGHAZ）。亚临界焊接热影响区一般位于焊接热影响区边界的外部区域附近，如图2a所示，并且与焊接过程中，温度保持在奥氏体化开始的温度这一区域相对应。因此，虽然马氏体基体金属的回火或铁素体时效可以发生并改变机械性能，但显微结构演变几乎看不到。相反，可见的显微结构演变在粗晶粒焊接热影响区中发生了，这里的温度远高于（完全奥氏体化）并且接近固相线。这会导致严重的晶粒长大和冷却后淬硬组织的形成（主要是贝氏体、马氏体），特点是与与基体金属或亚临界焊接热影响区相比，硬度显著提高了。（如图2b）

接下来，回想引言中的文献调查和文献[7]中的实验观察，可以在电阻点焊中区分出三个主要的电阻点焊区域。这些在图2a中按图示描述了出来，其中，虚线箭头指出了潜在的裂纹路径。区域1在基体金属/亚临界焊接热影响区中，相对地离焊点熔核很远并且在完全断裂后容易导致BP类型失效。区域2从缺口尖端开始，通常位于粗晶粒焊接热影响区到熔核边界的区域范围内，并且还会导致熔核拉拔。熔核拉拔可以认为是另一种按钮拉拔，因此熔核拉拔也归类为BP。最后，区域3在焊点熔核中，在这里，起源于缺口尖端的裂缝可以在接触面（FIF）增殖或通过板厚导致一个潜在的PIF偏离。

图2.（a）常见电阻点焊的金相横断面和交叉张力中的潜在失效，（b）相应的硬度分布（DP450点焊的例子）

3.2载荷容量和失效类型

图3描述了规范化的力以及这项研究中调查的不同钢种交叉张力在点焊中的失效形式。最大载荷由板件厚度t和焊缝直径来规范化：。

在大焊缝的情形中（图3b），趋向随着基体金属的强度增加而增加，只要失效形式仍是BP。合金化程度最高的钢（TRIP780,DP980）呈现出了PIF或FIF，并且相应的降低了，分散程度提高了。小焊缝（图3a）倾向于对（部分）界面失效更敏感，尽管是事实不能看到明显的失效类型的转化。对于PIF/FIF的散布可以提出以下几种原因，包括：（i）在这种情况下，通常可以看到脆性断裂的统计性质（ii）各种工艺参数对焊缝周边初始缺口尖端锐度的影响范围（iii）焊点熔核潜在的裂纹路径的多样性，与裂纹在通往外边界可能遇到的局部微观结构障碍有关（iv）凝固缺陷及有害孔隙在焊点熔核中的分布可能影响裂纹路径。

图3.标准化的力及点焊失效类型（a）小半径组（b）大半径组

同样的点焊因载荷模式不同可以展现出完全不同的失效类型。例如，TRIP780在拉伸剪切中以BP形式失效，如[7，49]中的作者所示。此外，PIF或FIF并不表示一种成形很差的焊点熔核。在图3b中的所有焊缝都有大半径并且发生完全界面失效而不是部分界面失效也并不一定与降低点焊强度有关。

尽管如此，在大焊缝及小焊缝的情形中，不同种类的BP、PIF、FIF都有观察到，这是取决于涉及到的失效区域及在物质层面上的断裂过程。在3.1中首先以BP/NP的例子阐述了这一现象。不同的失效机制在下面详细解释。

3.3失效机理

对于肉眼可见的失效类型（FIF、PIF、BP或它们的不同的组合，正如美国焊接学会（AWS）所分类举出的）和在局部层面的失效机理（如脆性断裂、局部剪切或应变），在这份文档中表达出了明显的不同。

3.3.1.区域1的局部应变

损伤的发展在图4中呈现出来，所用的是DP450的例子。在加载期间，机器夹头的垂直位移会夹紧水平放置交叉张力试样（图1），这表明在上下两板中均有层叠的弯曲和张力。焊缝周边应力集中，且此处在加载的初期开始形成塑性区域。这是通过这一区域板件的层叠和影响加载曲线的斜率来实现的（系统刚度，在图4里，约4mm位移）。随着进一步加载，局部应变开始在基体金属和亚临界焊接热影响区中产生，就如点A处所阐述的。在B点，可以通过微断层摄影观察到板件内侧裂痕的产生，B点接近最大载荷。镀层开裂的声响在板件外侧是可见的。最大的负荷是在裂纹首次到达外边界时获得的，正如在刚出现后C点出所表明的。这会导致瞬间的载荷下降，同时，进一步的加载会撕裂焊缝的基体金属直至形成试样的最后一道裂纹。很明显，这一区域的断面是有韧性的，如图5a所示。

3.3.2.区域2的剪切

大焊缝IF260点焊的损坏过程在图6中呈现。在焊点熔核的区域中（图6中的点A），焊缝的初始布局呈现了最终成为裂纹的缺口尖端。由模式I载荷主导的接触面交叉张力倾向于打开缺口尖端，但是相对的，焊点熔核的球墨铸铁微观结构和IF260的焊接热影响区是大量的缺口尖端钝化（图6中的B点）。

图4.大焊缝DP450点焊交叉张力失效

图5.交叉张力断面：a）区域1（DP450）,b）区域2（IF260），c）区域3（DP980）

图6.IF260点焊交叉张力在熔核边界的韧性剪切

3.3.3.区域3的半脆性断裂

导致DP980PIF断裂的复杂损坏序列在图7中表示出来，在实验中，裂纹的增值随即产生。在十字头几微米的为以后，由模式I主导的加载界面会在缺口尖端产生裂纹（图7点A）。焊点熔核复杂的凝固结构会加到不对称载荷的交叉张力中，导致进一步加载后产生复杂的裂纹路径，如图7中的点B、C所示。这会导致复杂的裂纹轮廓，就如图7中D点所展示的那个一样。

图7.大焊缝DP980点焊交叉张力的焊点熔核的半脆性裂纹增殖

1. 通过有限元建模预测失效形式和承载能力

基于以上描述的实验观察，在这一研究中，建立了一个点焊机械性能的有限元模型。以DP450和TRIP780的情况获取的模型及结果在这一部分展现出来。

4.1局部本构行为和点焊模型

焊缝力学响应的有限应变模拟在焊接中对局部焊接热影响区本构行为有合适的描述。这不是一个简单的任务，因为不仅焊缝区域分布的离散化，而且获取本构行为是有争议的。在这一研究中，焊缝的局部力学性质是通过对电阻点焊热循环的试验模拟获取的，以便重塑不同的焊接热影响区的微观组织结构。

4.1.1.峰值温度及冷却速率对焊接热影响区力学性质的影响

图8阐述了峰值温度和恒定冷却速率对受到Gleeble模拟热循环的DP590极限抗张强度的影响。这一过程的细节可以在[7]中找到。

此外，鉴于焊缝可能经历提高的冷却速率（下一节），并回想点焊中硬度分布的演化（例如图2b）,图8中的线图表明焊缝中力学性能的梯度变化曲线是通过考虑基体金属本构行为两个主要的变化来捕获的。

图8.Gleeble模拟的DP590焊接热影响区的极限拉伸强度是峰值温度和冷却速率的函数

图9.电阻点焊过程有限元模拟（DP590）

4.1.2

除了上一节所说的连续冷却速率，焊接中真实的热循环如图9所示，由电阻点焊过程有限元分析获得。图9a描述了实验的及数值的焊点熔核及焊接热影响区的一致性，图9b则展示了粗晶粒焊接热影响区（峰值温度asymp;1200℃）的热循环。从这“两步”的冷却曲线模拟获取的本构行为微观结构张力的状况在图10中进行了阐述，采取的是DP450和TRIR780的例子。

图10.基体

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