CN102435514B - 一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其步骤为：(1)制备用于硬度试验用的焊点试样；(2)在焊点试验直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行硬度试验，根据硬度值进行分区；(3)在所分区域内进行动态压痕试验，得到不同试验点处的载荷深度曲线；(4)建立压痕实验的有限元模型并进行验证；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果构造焊点不同区域处的优化数学模型；(6)采用全局优化算法对步骤(5)中的优化数学模型进行求解，求出焊点不同区域的动态力学性能参数。本发明原理简单、操作方便，能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部力学性能动态参数，拓展了压痕实验的应用范围。

Description

一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法

技术领域

本发明主要涉及到机械工程制造中材料检测领域，特指一种焊点区域材料力学性能参数的检测方法。

背景技术

在对金属板材进行焊接过程中，由于电阻热的影响，焊接区域的材料特性会发生变化，这就使该区域的性能也有别于母材，按照硬度的特征可以将焊接区域分成三个子区域：母材区、热影响区、焊点区。由于一般母材的尺寸与热影响区相比足够大，故在以往对此方面的研究中均忽略了热影响区的材料特性，即在对焊接区域进行有限元数值建模时常采用共节点连接方式或者刚性连接方式与母材直接相连，很显然这种情况下不能考虑焊点处的材料特性，这种建模方法不足以模拟焊点材料的真实力学响应；另一方面，考虑焊点处的力学响应，即采用体单元对焊点进行建模，但焊点材料的材料参数是非常难确定的，常常是根据经验进行设定，并且是假定焊点各区域的材料特性是均匀的。然而，通过显微硬度试验得知焊点的力学性能参数并非均匀分布，因而并不能简单的将焊点各区域的力学性能材料设计为一固定值。综上所述，目前对焊点的处理方法并不能满足实际工程的需求。焊点连接是车身零部件的最主要连接方式，对焊点连接进行精确模拟直接影响到整个有限元模型的精度和可信度，事关整个仿真分析的成败，焊点模型的精度与焊点材料的材料参数的准确获取息息相关。

由于焊点焊接过程相当于一个热处理过程，直接导致焊点区域处的微观组织结构导常复杂并且不同区域处具有不同的微观组织，对于钢铁金属而言，焊点中间处金相组织包括马氏体和贝氏体，而热影响区有着混合金相组织，既有马氏体、贝氏体，又有铁素体和珠光体，这些不同的金相组织导致了焊点处不同的材料特性，进一步研究发现此处的力学参数会呈现非均匀性分布，即焊点、热影响区处会有着梯度变化的参数特征，所以仅通过简单的拉伸或者压缩试验很难确定焊点不同区域处的具体力学参数，并且该处的应力应变关系很难通过常规方法得到，故不能根据曲线拟合的思路对其进行参数反求。

另外，在动态条件下焊点的力学性能参数会随着应变率的变化而变化，因而从静态硬度得到的力学参数无法反映出在碰撞这种在高应变率下的焊点材料的动态行为，基于此问题，如何准确获取焊点不同区域的材料动态力学特性参数就显得尤为重要。

硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，显微硬度压痕试验为我们提供了测定和评价微米级甚至纳米级的表征尺寸的材料强度特性。以往的研究工作中，不管是针对传统金属材料还是像泡沫金属这样的新型材料，都是建立在这些材料参数均匀分布的基础上的，而且大都集中于材料静态参数的识别上，很少通过动态压痕试验来测定材料的动态参数，动态硬度压痕试验为我们提供了测定和评价更小的表征尺寸甚至是纳米级的材料强度特性，是一种评价材料尤其是金属或材料某点周围表面的力学性能的方法，利用应力脉冲作用在与试样接触的刚性压头上，使试样表面形成动态压痕，进而测得材料的动态压痕硬度和动态材料特征曲线，动态硬度试验时的应变率可以达到10³-10⁴/s，切实反映了材料抵抗压头动态压入变形的能力，并且这种测试快捷方便、试样无破坏，能够体现出材料在复杂三向应力状态下高应变率效应的重要参数特性。另一方面，通过动态霍普金森压杆试验基本方程即反射信号ε_i(t)、透射信号ε_r(t)、弹性模量E、波速C₀、试件的初始横截面积A₀和初始厚度L₀就可以推导出试件的平均应力和平均应变

之间的关系，这样就可以拟合出均匀材料的力学参数。然而对于识别检测像焊点这种各区域的材料特性具有不均匀性特点的材料动态性能参数时，待测各个区域的初始横截面积A₀难以确定，因此，不能通过动态压痕试验直接根据上诉的基本方程得到应力应变关系，进而不能直接拟合出该区域的动态力学性能参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作方便、能够测定毫米甚至微米尺寸范围内焊点不同区域的材料动态力学性能参数的检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为：

(1)制备用于硬度试验用的焊点试样，并对进行硬度试验侧的焊点表面进行打磨、抛光；

(2)在焊点试样直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行硬度试验，根据测得的硬度值进行分区；

(3)对焊点不同区域进行动态压痕试验，得到不同区域内各个试验点处的载荷深度曲线；

(4)建立压痕试验有限元数值模型：为了减少计算规模，整个压痕试验有限元数值模型以及载荷都是关于中心线轴对称的，另外，为了不使模型过于庞大，这里采用对实际尺寸适当的进行放缩，长度由原来的3040mm减小为1000mm，直径增加到25mm，试件的长度和直径也分别变化为22mm和18mm，这样的优势在于优化网格的质量，减小模型规模；另一方面，由于撞击杆仅用于产生应力脉冲的作用，所以在压痕试验有限元数值模型中没必要考虑撞击杆，取代的方法是直接在入射杆的输入端施加均布的应力脉冲。

(5)在步骤(3)、(4)的基础上，根据动态压痕试验有限元数值模型与对应的试验结果得出不同区域处的目标响应函数，根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊点不同区域处的优化数学模型；

(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，需要提前设定的参数有：种群大小M，即种群中所含个体的数量，一般取20～100；遗传运算的终止迭代次数T，一般取100～500；交叉概率P_c，一般取0.4～0.99；变异概率P_m，一般取0.0001～0.1。根据步骤(5)所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到某种收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(3)中，在所分区域进行至少三个压痕试验。

所述优化数学模型为下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1{\≤x}_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ \·\·\·\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，x₁，x₂，…，x_n为待求参数，

分别是待求参数的上限和下限，

为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，为有限元仿真时求得的动态压痕载荷，m为时间增量步总数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明从测定硬度时的压痕试验法的角度出发，结合有限元数值模拟技术和反演技术，提供一种精确获得焊点不同区域处的材料动态弹塑性力学参数的简便方法，具有很强的工程使用价值，拓宽了压痕试验的使用范围。本发明能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部力学参数，特别像焊点区域这种力学参数具有较强的非均匀分布的工程结构，克服了传统意义上的简单拉伸试验在测定该尺寸范围内材料的不足。

2、本发明取代在大多数情况下只能判定和表征材料宏观行为意义上的单向拉伸或压缩试验，克服了实际工程中难以精确获取像焊点区域这种毫米级表征尺寸的性能参数等技术瓶颈；本发明考虑焊点不同区域的材料和尺寸等特征属性，更能真实反映出焊点区域处的材料特性，具有较高的实用价值和较强的工程意义。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程示意图；

图2是本发明压痕硬度试验测试点位置示意图；

图3是本发明参考点处的硬度值及分区情况的示意图；

图4是本发明方法中通过压痕试验得到的不同区域的载荷深度曲线示意图；

图5是本发明方法中的动态压痕试验二维轴对称有限元模型；

图6是本发明求解迭代过程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

由于大多数工程多晶体金属材料在冲击载荷作用下的变形常常使用最广的Johnson Cook强化模型来模拟，故本发明采用该模型作为此实施例的本构关系，如式(1)所示，从公式可以看出，J-C模型表示为三项的乘积，分别反映了应***化、应变率硬化和温度软化(注：这里使用J-C模型的修正形式)。

$\mathrm{\σ}=(A+B{\mathrm{\ϵ}}^n)[1+\mathrm{CIn}(1+\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_0})](1-T^{*m})---\left(1\right)$

式(1)所示的模型中包含A，B，n，C，m五个参数，其中前三个参数A，B，n分别对应焊点区域材料的初始屈服应力、强度系数和应***化指数，这些值并不能简单等价于静态条件下对应的参数值，因为在动态条件下屈服应力会随着应变率的提高而增加；C为动态经验性应变率敏感系数；m为表征温度效应的指数。一般假设参考应变率

公式中的T^*m为无量纲化的温度，如式(2)；

$T^{*m}=\frac{T-T_r}{T_m-T_r}---\left(2\right)$

其中，T_r为室温，T_m为材料的熔点，J-C模型在温度从室温到材料熔点温度变化的范围内都是有效的。为简便起见，本实施例不考虑温度软化效应，即温度始终保持室温，这样就有A，B，n，C四个参数作为本发明所求的动态力学参数。

如图1所示，为本发明在具体实例中的应用实例，该实施例中所用焊点结构是通过为两种不同材料的高强度钢板焊接而成，分别为DP600和DP980，厚度均为2mm，其具体步骤如下：

(1)制备用于硬度试验用的焊点试样，并对进行硬度试验侧的焊点表面进行打磨、抛光等工序，使试验侧的焊点表面平整、光洁，粗糙度达到试验的要求。

(2)在焊点直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行硬度试验，试验过程中试样应平稳地放在刚性支撑物上，并使压头轴线与试样表面垂直，以避免试样产生位移、压痕设备并避免受到冲击和振动。图2给出了压痕试验测试点的位置，为了减少试验误差，这里测定四条直径线上的硬度值；为了减轻压痕过程中两个相邻测试点之间的***或者沉陷的影响，每条线上两个相邻测定点之间的距离为0.12mm，以满足GB/T4340.1对两个测点中心距离的标准要求，之后取其平均值作为最后的真实数据，测得的硬度值如图3所示，根据这真实的硬度值进行合理分区，可分为熔池区，热影响区，母材区，从中可以明显看出焊点处的硬度值与母材相比差别很大，进而可以间接判断出其材料特性也有着较大的差异；

(3)在所分区域进行动态压痕试验，读取焊点不同区域压痕试验结果，得到不同区域的载荷深度曲线，试验点数的多少与将整个焊点区域分成多少个分区相关。值得注意的是，这里并不是根据普通的动态霍普金森压杆试验得到电压时间曲线，再根据一维弹性波理论，通过测量两根压杆上的应变来推导出应力应变关系，该思路只能针对材料特性均匀的情况，对于像焊点这种需要考虑各个区域具有不同材料特性的特殊结构，每个待求区域或待求点处的初始横截面积A₀非常难获取，甚至不可能获取，进而不能推导出其应力应变关系。所以，本发明只需测得试验点处的载荷深度曲线，该步骤中试验点数的多少与将整个焊点区域分成多少个分区相关，在每个分区内，至少保证有三个试验点；

在进行分离式霍普金森(Hopkinson)压杆试验的过程中，由于本发明所涉及的研究区域较小，大约3-6mm，所以不能直接选用传统的SHPB试验装置，需在入射杆处安装一个金刚石压头，通过在金刚石维氏压头上施加单次压缩脉冲，激励压头动态压入参考线的若干点，获得这些点的动态压痕，测得离焊点中心线不同距离处的深度值，这种载荷深度关系对于任意一种形状的压头，比如圆锥型、三棱锥型(Berkovich压头和Vickers压头)，圆柱平底，球型等等，都有一种相似的曲线形式，如式(3)所示；

$\mathrm{DH}=C\frac{P}{d^2}---\left(3\right)$

其中C值是取决于压头形状和材料特性的常量，P为动态载荷条件下的应力脉冲峰值，即载荷(N)，由压电传感器输出的信号转换得到；d是压痕对角线长度的平均值(mm)。

本实施例将整个焊点区域分成三个区域，其中热影响区1中取测试点1-3，熔池区内取测试点4-6，热影响区2取测试点7-9，分别得到的加载卸载曲线如图4所示，这里采用Vickers压头，故压痕载荷深度有如式(4)的曲线形式；

$\mathrm{DH}=0.1891\frac{P}{d^2}---\left(4\right)$

其中C值为0.1891。

(4)建立动态压痕试验简化有限元模型：采用有限元商业软件Abaqus并根据压痕试的物理过程建立压痕实验的有限元模型，为了减少计算规模，整个有限元模型以及载荷都是关于中心线轴对称的，另外，为了不使模型过于庞大，这里采用对实际尺寸适当的进行放缩，长度由原来的3040mm减小为1000mm，直径增加到25mm，试件的长度和直径也分别变化为22mm和18mm，这样的优势在于优化网格的质量，减小模型规模；另一方面，由于撞击杆仅仅起到产生应力脉冲的作用，所以在有限元模型中没必要考虑撞击杆，取代的方法是直接在入射杆的输入端施加均布的应力脉冲，如图5所示；

(5)目标函数的选取及建立：在步骤(3)、(4)的基础上，根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊点不同区域处的目标响应函数优化数学模型，优化数学模型中包含目标函数与约束函数。

该优化数学模型为下式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1{\≤x}_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ \·\·\·\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)中，x₁，x₂，…，x_n为待求参数，

分别是待求参数的上限和下限，为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，为有限元仿真时求得的动态压痕载荷，m为时间增量步总数。

针对选取不同的参考点，根据优化过程中不断变化的力学参数就可以得到特定组合参数下的有限元载荷深度关系，然后通过优化方法不断的调用压痕试验有限元模型，进而得到目标响应函数，由于本实施例所求弹塑性参数A，B，n分别对应焊缝区域材料的初始屈服应力、强度系数和应***化指数，C为动态经验性应变率敏感系数，故这里的数学模型如式(6)所示，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minimize}:\mathrm{\Δf}(A,B,n,C)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(A,B,n,C)-F_i^{\mathrm{sim}}(A,B,n,C)}{F_i^{\exp }(A,B,n,C)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}200\mathrm{MPa}\≤A\≤1000\mathrm{MPa}\\ 500\mathrm{MPa}\≤B\≤2000\mathrm{MPa}\\ 0.001\≤n\≤0.5\\ 0.01\≤C\≤0.5\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，

为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，

为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，本实施例需要提前设定的参数有：种群大小，即群体中所含个体的数量，M＝100；遗传运算的终止迭代次数T＝500；交叉概率P_c＝0.70；变异概率P_m＝0.05。根据步骤(5)所选的目标响应函数逐步不断迭代逼近每个选取点的试验载荷-深度曲线，图6为物理试验值与有限仿真值逐步迭代示意图，迭代的同时依据某种收敛准则，这里采用式(6)的目标函数足够小为收敛准则即图6中的残值Δf小于某个足够小的常量ε进行收敛校验。通过遗传优化算法本身的优点不断的自动更新所求的弹塑性参数，当某步迭代达到该收敛准则时，就可以判断该迭代步下的A，B，n，C就是所要寻求的最优参数解。通过上述的求解过程可以得出每个区域所选点的弹塑性力学参数，如下表1所示，这些点有着较为明显的变化和规律，并具有阶梯特性，熔合区处的强度系数明显大于热影响区。从本实施例可知，该方法可以较为精确地识别出焊点不同区域处的材料动态力学性能参数，这就使得有关焊点结构的有限元建模比如车身前纵梁碰撞过程的建模更为准确，为焊接结构的进一步计算机仿真研究提供了很好的CAE基础，对于工程实际具有较好的借鉴意义和参考价值。

表1：

位置	A值	B值	n值	C值
					测试点1	447	923.6	0.0802	0.0146
测试点2	497	958.8	0.0844	0.0157
					测试点3	548	1015.1	0.9123	0.0182
测试点4	691	1026.9	0.1025	0.0212
					测试点5	704	1109.3	0.1058	0.0227
测试点6	683	1158.9	0.1102	0.0231
					测试点7	672	1053.0	0.1072	0.0219
测试点8	654	1042.4	0.1062	0.0208
					测试点9	642	981.1	0.1047	0.0189

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为：

（1）制备用于硬度试验用的焊点试样，并对进行硬度试验侧的焊点表面进行打磨、抛光；

（2）在焊点试验直径方向上的整个焊点区域内选取若干个点进行静态硬度试验，根据所得硬度值进行分区；

（3）在所分区域内进行动态压痕试验，得到不同区域内各个试验点处的载荷-深度曲线；

（4）建立压痕试验有限元数值模型；

（5）根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果构造焊点不同区域处的优化数学模型，优化数学模型中包含目标函数与约束函数、待检测的参数和每个参数的取值范围；

（6）采用全局优化算法对步骤（5）的优化数学模型进行求解，优化过程中不断的自动调整待求参数的取值使仿真模型的载荷-深度曲线不断迭代逼近对应实验点的实验曲线，迭代的过程中若达到指定的优化收敛准则，则优化迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解，重复该过程即可求出焊点不同区域的动态力学性能参数；

所述优化数学模型为下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,...,x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,...,x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,...,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,...,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subjectto}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1\≤x_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ ...\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，x₁,x₂,…,x_n为待求参数，

k=1,2,…n，分别是待求参数的下限和上限，

(x₁,x₂,…,x_n)为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，

(x₁,x₂,…,x_n)为有限元仿真时求得的动态压痕载荷，m为时间增量步总数。

2.根据权利要求1所述的识别焊点不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在所分区域进行至少三个压痕试验。

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