CN104785947A - 判断复合作用下点焊接头失效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种判断复合作用下点焊接头失效的方法，其包括以下步骤：步骤1、进行试样准备；步骤2、进行双U型点焊试样试验；步骤3、进行折边剥离试验；步骤4、进行扭转试验；步骤5、进行焊点熔核直径的测试；步骤6、进行基于合力失效判据参数处理；步骤7、进行基于应力失效判据参数处理。本发明可以准确预测焊点失效情况，提高汽车碰撞的仿真精度。

Description

判断复合作用下点焊接头失效的方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊的失效技术，具体地说是一种判断复合作用下点焊接头失效的方法。

背景技术

在汽车各个零部件的制造中，点焊由于具有质量轻、可靠性好、性能稳定和易于实现自动化等优点，在现代轿车的承载式车身中，作为最主要的车身装配工艺手段。这些焊点的质量会直接影响车身的各项性能，如强度、抗冲抗压性能、疲劳性能等。随着先进高强钢应用领域地不断扩展与深入，其电阻点焊性能受到了人们的广泛关注，而先进高强钢的焊点强度对整车性能有着重要的影响。

近年来，随着有限元技术的迅速发展，汽车设计正逐渐由原来的经验、类比、静态设计转化建模、静动态分析及虚拟现实设计。数值模拟不仅可以排除实验过程中的偶然性，灵活地对点焊过程中的各种影响因素进行综合研究和分析，节约生产成本和时间，还可为电阻点焊过程的机理研究提供有效的理论分析手段，帮助实验者明确研究方向，为提高汽车安全性能提供指导。焊点的模拟精度不仅要体现车身耐撞性指标的仿真要求，还应该真实反映焊点的失效情况。

对于汽车碰撞仿真来说，传统的点焊模拟采用先进行整车模拟，然后再校核焊点受力，这样无法判断焊点在碰撞过程中的失效情况。虽然，国外学者对焊点失效机理方面的研究做了大量的工作，但是对于焊点失效模拟以及焊点失效判据的具体获取方法仍然做了保留，尚未有明确的方法和步骤。而国内的研究人员还大多局限于研究不同类型焊点单元对薄壁零件碰撞仿真精度影响的探讨，对于焊点失效的具体模拟方法的研究还不够深入，留下了许多需要解决的问题。因此本发明针对这种情况，对汽车碰撞仿真中的焊点失效模拟进行***全面的研究，提出了焊点失效判据的具体获取方法，从而能够为本土汽车企业的设计与开发提供参考。

数值模拟中焊点失效判据主要分为两种：一种是基于合力的失效(Resultantbased failure)，另一种焊点失效判据是用应力表示的焊点失效参数来描述焊点的失效行为，称为基于应力的失效(stress based failure)。

基于力的失效判据如式(1)，当FC≥1时，焊点被判定为失效如下式(1)：

$\mathrm{FC}=\sqrt{{\left(\frac{\max (N_{\mathrm{rr}},0)}{N_{\mathrm{rrF}}}\right)}^2+{\left(\frac{N_{\mathrm{rs}}}{N_{\mathrm{rsF}}}\right)}^2+{\left(\frac{N_{\mathrm{rt}}}{N_{\mathrm{rtF}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{rr}}}{M_{\mathrm{rrF}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{ss}}}{M_{\mathrm{ssF}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{tt}}}{M_{\mathrm{ttF}}}\right)}^2}---\left(1\right)$

在RST三维坐标中，分母中N_rr代表沿R正方向的拉力；N_rs代表沿S正方向的剪切力；N_rt代表沿T正方向的剪切力；M_rr代表扭矩；M_ss代表沿S正方向的弯矩；M_tt代表沿T正方向的弯矩。

另一种应力失效判据是用应力作为焊点失效参数，来描述焊点的失效行为。如式(2)所示，分别用焊点的剪切应力τ，轴向正拉应力σ_N和弯曲应力σ_B来表示焊点的实际承载情况。与式(1)类似，当式(2)中的f≥1时，焊点被认为已经失效。

$f={\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_N}{S_N}\right)}^{n_N}+{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_B}{S_B}\right)}^{n_B}+{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{S_S}\right)}^{n_S}---\left(2\right)$

本发明就是利用一系列试验来确定以上两种失效判据中的失效参数(即式(1)和(2)中的分母)，以此来判断点焊接头在复合作用下的失效情况。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种判断复合作用下点焊接头失效的方法，具体是指导失效判据中失效参数的获取方法，将判据运用于汽车碰撞模拟中，可以准确预测焊点失效情况，提高汽车碰撞的仿真精度。

本发明提供一种判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、进行试样准备；

步骤2、进行双U型点焊试样试验；

步骤3、进行折边剥离试验；

步骤4、进行扭转试验；

步骤5、进行焊点熔核直径的测试；

步骤6、进行基于合力失效判据参数处理；

步骤7、进行基于应力失效判据参数处理。

优选地，所述步骤1对双U型点焊试样、折边剥离试样、扭转试样以及测试熔核直径试样进行焊接，焊接参数以及焊接所用电极头的尺寸和标准要与实际生产线上的焊接工艺相同，力求试样上的焊点与实际部件上的焊点相同。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤201、试样焊接完即可开始双U型点焊试样试验，将双U型点焊试样通过四个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验0°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止；

步骤202、完成了U型点焊试验0°，即可进行U型点焊试验30°；

步骤203、完成了U型点焊试验30°，即可进行U型点焊试验60°；

步骤204、完成了U型点焊试验60°，即可进行U型点焊试验90°。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤301、完成了U型点焊试验后，即可进行折边剥离试验；

步骤302、将步骤301中的试验重复三次，即测试三组折边剥离试样，记录下三组失效力，取平均值；通过折边剥离试验获得失效载荷，可计算出弯矩。

优选地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤401、完成了折边剥离试验后，即可进行扭转试验；

步骤402、将步骤401中的试验重复三次，即测试三组扭转试样，记录下三组失效力，取平均值，通过扭转试验获得失效载荷，可计算出扭矩。

优选地，所述步骤5包括以下步骤：

步骤501、在焊点中心位置对焊点横截面进行打磨，抛光和腐蚀，腐蚀采用4％硝酸酒精；

步骤502、在焊点横截面经过处理后，可以根据焊点熔核区与母材部分组织不同的特点，采用超景深三维显微***测量焊点的熔核直径。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性特点和优点：本发明将判据运用于汽车碰撞模拟中，可以准确预测焊点失效情况，提高汽车碰撞的仿真精度。

附图说明

图1为双U型点焊试样拉伸试验示意图，其中图1(a)为双U型点焊试样0°拉伸试验示意图，图1(b)为双U型点焊试样30°拉伸试验示意图，图1(c)为双U型点焊试样60°拉伸试验示意图，图1(d)为双U型点焊试样90°拉伸试验示意图。

图2为折边剥离试验示意图。

图3为扭转实验示意图。

具体实施方式

本发明判断复合作用下点焊接头失效的方法包括以下步骤：

步骤1、进行试样准备，具体步骤如下：

步骤101、对双U型点焊试样、折边剥离试样、扭转试样以及测试熔核直径试样进行焊接，焊接参数以及焊接所用电极头的尺寸和标准要与实际生产线上的焊接工艺相同，力求试样上的焊点与实际部件上的焊点相同，尽可能地减小误差。

步骤2、进行双U型点焊试样试验，具体步骤如下：

步骤201、试样焊接完即可开始双U型点焊试样试验，将双U型点焊试样通过四个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验0°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，如图1(a)所示，开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定双U型点焊试验0°的失效力。重复三次，记录下三组失效力，取平均值。

步骤202、完成了U型点焊试验0°，即可进行U型点焊试验30°；将双U型点焊试样通过四个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验30°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，如图1(b)所示，开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定双U型点焊试验30°的失效力。重复三次，记录下三组失效力，取平均值。

步骤203、完成了U型点焊试验30°，即可进行U型点焊试验60°。将双U型点焊试样通过4个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验60°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，如图1(c)所示。开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定双U型点焊试验60°的失效力。重复三次，记录下三组失效力，取平均值。

步骤204、完成了U型点焊试验60°，即可进行U型点焊试验90°。将双U型点焊试样通过4个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验90°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，如图1(d)所示。开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定双U型点焊试验90°的失效力。重复三次，记录下三组失效力，取平均值。

步骤3、进行折边剥离试验，具体步骤如下：

步骤301、完成了U型点焊试验后，即可进行折边剥离试验。将折边剥离试样通过四个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验90°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，如图2所示。开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定折边剥离失效力。

步骤302、将步骤301中的试验重复三次，即测试三组折边剥离试样，记录下三组失效力，取平均值；通过折边剥离试验获得失效载荷，可计算出弯矩。

步骤4、进行扭转试验，具体步骤如下：

步骤401、完成了折边剥离试验后，即可进行扭转试验。将扭转试样通过2个销子固定在扭转试验的夹具上，如图3所示。再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止。根据试验机采集到的载荷，确定扭转失效力。

步骤402、将步骤401中的试验重复三次，即测试三组扭转试样，记录下三组失效力，取平均值，通过扭转试验获得失效载荷，可计算出扭矩。

步骤5、进行焊点熔核直径的测试，具体步骤如下：

步骤501、在焊点中心位置对焊点横截面进行打磨，抛光和腐蚀，腐蚀采用4％硝酸酒精；

步骤502、在焊点横截面经过处理后，可以根据焊点熔核区与母材部分组织不同的特点，采用超景深三维显微***测量焊点的熔核直径。

步骤6、进行基于合力失效判据参数处理，具体步骤如下：

步骤601、在完成上述试验后，便可计算出基于合力失效判据所需的参数。对于基于合力的焊点失效判据，如式(1)所示，分母中，最大失效拉力N_rrF可通过步骤201双U型点焊0°试验获得，最大失效剪切力力N_rsF、N_rtF可以通过步骤204双U型点焊90°试验获得，最大失效弯矩M_ssF、M_ttF可以通过步骤3折边剥离试验获得，最大失效扭矩M_rrF可以通过步骤4扭转试验获得。

步骤7、进行基于应力失效判据参数处理，具体步骤如下：

步骤701、根据实验结果，便可计算出基于应力失效判据所需参数。对于基于应力的焊点失效判据，如式(2)所示，需要确定的参数为分母S_N、S_B和S_S以及指数n_N、n_B和n_S。分母S_N、S_B和S_S分别由式(3)、(4)、(5)获得：

$S_N=\frac{N_{\mathrm{rrF}}}{A}---\left(3\right)$

$S_B=\frac{\sqrt{M_{\mathrm{ssF}}^2+M_{\mathrm{rrF}}^2}}{Z}---\left(4\right)$

$S_S=\frac{M_{\mathrm{rrF}}}{2Z}+\sqrt{\frac{N_{\mathrm{rsF}}^2+N_{\mathrm{rtF}}^2}{A}}---\left(5\right)$

步骤702、式(3)、(4)和(5)中A和Z的计算如式(6)和(7)，式中d为焊点的熔核直径，由步骤5所得：

$A=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}---\left(6\right)$

$Z=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{32}---\left(7\right)$

步骤703、基于应力失效判据所需参数除了上述的分母S_N、S_B和S_S，还有指数n_N、n_B和n_S。n_N、n_B和n_S为应力指数，分别由双U型点焊30°试验(步骤202)、双U型点焊60°试验(步骤203)和扭转试验(步骤4)通过最小二乘法获得。

车辆在碰撞过程中，连接金属薄板的焊点受到强烈撞击后，其失效与否会强烈影响车身薄壁构件的变形和吸能的能力，而且焊点失效会直接破坏碰撞过程中结构的完整性，从而改变碰撞力的传递途径，进而使前纵梁等吸能部件不能按照设计的变形模式变形，因此会导致车辆耐撞性能的降低。考虑到焊点脱落失效对汽车被动安全性具有如此重要的影响，在整车的耐撞性设计中必须研究焊点的失效机理从而避免因焊点失效导致的车身耐撞性降低。

本发明的实施过程以DP1180同种钢板焊接为例，针对DP1180进行了双U型点焊试样0°拉伸试验、双U型点焊试样30°拉伸试验、双U型点焊试样60°拉伸试验、双U型点焊试样90°拉伸试验、折边剥离试验、扭转试验以及熔核直径的测试。

测试前做如下准备：对双U型点焊试样试验以及扭转试验的夹具进行设计。准备好标准尺寸的试样，并且进行焊接。

试验结果如表1～表4，计算结果如表5。

表1 双U型点焊试样试验结果表

表2 折边剥离试验结果表

表3 扭转试验结果表

表4 熔核直径测试结果表

表5 DP1180失效参数计算结果表

NrrF(N)	NrsF(N)	NrtF(N)	MrrF(Nm)	MssF(Nm)	MttF(Nm)
						7879.1	26659.9	26659.9	73.8862	49.1003	49.1003
SN(Mpa)	SB(Mpa)	SS(Mpa)	nN	nB	nS
						201.0	2030.5	2029.1	0.4831	10.5457	1.5495

Claims (6)

1.一种判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、进行试样准备；

步骤2、进行双U型点焊试样试验；

步骤3、进行折边剥离试验；

步骤4、进行扭转试验；

步骤5、进行焊点熔核直径的测试；

步骤6、进行基于合力失效判据参数处理；

步骤7、进行基于应力失效判据参数处理。

2.根据权利要求1所述的判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，所述步骤1对双U型点焊试样、折边剥离试样、扭转试样以及测试熔核直径试样进行焊接，焊接参数以及焊接所用电极头的尺寸和标准要与实际生产线上的焊接工艺相同，力求试样上的焊点与实际部件上的焊点相同。

3.根据权利要求1所述的判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤201、试样焊接完即可开始双U型点焊试样试验，将双U型点焊试样通过四个销子固定在双U型点焊试验的夹具上，夹具旋转到双U型点焊试验0°的位置，再将夹具通过插销固定在拉伸试验机上，开始进行拉伸试验，直至焊点失效为止；

步骤202、完成了U型点焊试验0°，即可进行U型点焊试验30°；

步骤203、完成了U型点焊试验30°，即可进行U型点焊试验60°；

步骤204、完成了U型点焊试验60°，即可进行U型点焊试验90°。

4.根据权利要求1所述的判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤301、完成了U型点焊试验后，即可进行折边剥离试验；

步骤302、将步骤301中的试验重复三次，即测试三组折边剥离试样，记录下三组失效力，取平均值；通过折边剥离试验获得失效载荷，可计算出弯矩。

5.根据权利要求1所述的判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤401、完成了折边剥离试验后，即可进行扭转试验；

步骤402、将步骤401中的试验重复三次，即测试三组扭转试样，记录下三组失效力，取平均值，通过扭转试验获得失效载荷，可计算出扭矩。

6.根据权利要求1所述的判断复合作用下点焊接头失效的方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：

步骤501、在焊点中心位置对焊点横截面进行打磨，抛光和腐蚀，腐蚀采用4%硝酸酒精；

步骤502、在焊点横截面经过处理后，可以根据焊点熔核区与母材部分组织不同的特点，采用超景深三维显微***测量焊点的熔核直径。