CN105699186A - 一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利基于一种焊点失效判定模型，提供了相应的针对金属板材电阻点焊焊点在复合加载条件下的力学性能试验评价流程方法。其包括以下步骤：步骤1：焊前试样准备；步骤2：进行点焊试验；步骤3：进行不同加载角度下的点焊焊点力学性能试验；步骤4：进行试验数据处理；步骤5：建立焊点复合加载失效力学性能判定模型。利用本专利试验评价方法，仅通过几组剪切拉伸与正向拉伸试验，经简单的数据拟合处理后即可建立对应材料焊点在剪切-正拉复合加载条件下的失效判定模型，并应用于汽车安全数值模拟过程中，实现对焊点在复杂应力状态下力学性能、失效模式等方面的仿真预测，具有流程简单、测评成本低、效率高等优势，有利于提升国内现有汽车安全模拟技术水平。

Description

一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法

所属技术领域：

本发明属于一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，适用于对各类金属板材电阻点焊焊点在复合加载条件下力学性能、失效模式的仿真预测。

背景技术：

点焊工艺是目前以汽车为代表的诸多工业制造领域内应用最为广泛的连接技术手段之一，在汽车产品实际服役过程中，焊点常常将同时承受沿结合面分布的剪切撕裂力及沿焊点法向分布的正向拉力，实际体现为这两种载荷力的合力。因此，研究在复合应力加载条件下焊点的力学性能变化较单一加载模式更符合实际情况。此外，近年来随着各类先进高强钢、超高强度钢等材料被大量应用于汽车制造中，成为汽车安全结构件的最主要的原材料类别，研究这些材料焊点在更为真实的服役承载环境下的力学行为特性对于进一步推进我国汽车的安全设计开发技术水平具有重大意义。

其次，近年来数值模拟法已经成为国内外汽车安全设计领域最基本、重要的技术手段之一。采用数值模拟法对焊点的失效进行模拟，可有效避免真实试验误差对试验结果的影响，灵活地对焊点的各种影响因素进行综合研究和分析。通过模拟对汽车上各焊点的力学性能、失效模式等进行预测，能大大减少实际发生的试验工作量，显著降低企业开发成本、提升开发效率。

对焊点进行数值模拟的关键在于提升模拟的精度，即模拟结果能最大程度上反映出焊点的真实力学性能变化规律，而这首先得益于合理的焊点失效模型的建立。目前国内针对汽车零部件焊点失效的模拟尚处于起步阶段，大量企业在进行汽车安全性能模拟时要么不专门对焊点进行分析，要么依旧沿用一些模拟软件附带的简化的焊点模型进行处理，由于这些模型大多无法准确的反映实际服役环境下焊点的力学性能特性，往往导致模拟结果与真实试验结果之间存在较大的差距。国外研究者近年来基于金属板材焊点结构特性，从断裂力学角度出发，建立了更为合理、可靠的焊点失效判定模型，并成功应用于模拟中，取得了良好的效果。

目前，在诸如ABAQUS、Explicit、LS-DYNA3D等典型模拟软件中针对焊点失效主要使用的是所谓的椭圆失效模型，其形式具体如下式(1)。

$F_e={\left(\frac{f_s}{F_s}\right)}^2+{\left(\frac{f_n}{F_n}\right)}^2---\left(1\right)$

上式中：f_s与f_n为实际作用于焊点沿结合面切向及法向两个方向上的载荷力分值；F_s与F_n为焊点经试验得出的最大剪切力与最大正向拉伸力值。当F_e值＝1时，即判定焊点发生失效。

通过对上述式(1)提出的模型进行完善改进，提出的另一种焊点失效判定模型具体形式如式(2)，β为拟合系数。当F_e值满足＝1时，即判定焊点发生失效。

$F_e={\left(\frac{f_s}{F_s}\right)}^2+\mathrm{\β}\left(\frac{f_s}{F_s}\right)\left(\frac{f_n}{F_n}\right)+{\left(\frac{f_n}{F_n}\right)}^2---\left(2\right)$

当前，国内大量汽车企业对碰撞等服役环境中焊点的力学性能、失效行为等进行模拟时，不清楚如何应用相关试验手段获取参数，并通过一定的数据处理流程，构建相应的焊点模型。

对现有相关技术的文献检索结果表明：CN101614637公开了“一种测量焊点拉伸强度的装置和试验方法”，介绍了一种基于盒状试样设计的单一正向拉伸方法，可满足焊点所在拉伸表面变形均匀性要求；CN201477012U公开了“变角度剪切试验夹具”介绍了一种基于双V形试样结构的变角度力学性能测试夹具，适用于对各类工业化材料性能的批量化测试；CN202649056U公开了“用于测量焊点剪切强度的试验装置”，介绍了一种可确保焊点在拉伸过程中保持纯剪切状态的夹具；CN104785947A公开了一种“判断复合作用下点焊接头失效的方法”，基于“U”型试样设计，在对焊点进行一系列力学性能测试基础上，提出了焊点在复合加载条件下的失效判定模型，但该方法流程复杂，试验工作量较大，且适用于一般普通钢材，针对目前在汽车领域广泛使用的各类超高强度钢如热成形钢等，因强度过高而难以满足“U”型试样加工对弯曲等工序的要求。

综上所述，以上方法及其夹具或是仅能实现对焊点在单一剪切、正向拉伸等状态条件下力学性能的测试，且针对如何通过开展试验，搭建相应的焊点失效判定模型，并应用于安全数值模拟过程中去无所涉及。或是试验流程过于复杂化，且对试样加工的要求较高，尤其针对热成形钢等更高强度的材料并不适用。

本专利基于上述情况，面向国内汽车企业，提供了基于一种焊点失效判定模型的试验评价方法。针对不同特性的焊点，通过一定的步骤，结合相关数据处理手段，构建具体的焊点失效判定模型，并应用于汽车碰撞模拟中，实现对焊点在复合加载模式下力学性能、失效情况的高精度仿真预测。

发明内容：

为提升国内现阶段汽车零部件焊点服役性能模拟技术水平，本专利针对一种焊点失效判定模型，提出了基于该模型构建的相关参数试验采集及处理流程方法，通过试验手段获取相关参数，建立失效模型，并将其运用于汽车碰撞模拟中，可提升焊点失效预测的精确性。具体步骤如下：

1.一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，包括以下步骤：

步骤1：进行焊前试样准备；

步骤2：进行点焊试验；

步骤3：进行不同加载角度下的点焊焊点力学性能试验；

步骤4：进行试验数据处理；

步骤5：建立焊点复合加载失效力学性能判定模型。

所述步骤1，焊前需对试焊样片进行表面去污预处理，试样包含“剪切型”及“正拉型”两种对称型搭接结构。

所述步骤2，在焊接设备上按同一参数条件完成两种点焊试样制备，电极规格、参数设置应与实际生产过程完全一致，此外焊接过程中应确保焊点位置处于上下端样片搭接区正中心。

所述步骤3，具体流程如下：

步骤301：将“剪切型”点焊试样置于材料拉伸试验机上完成0°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次焊点最大剪切力值，并求出平均值；

步骤302：利用夹具完成“正拉型”点焊试样装配，并调整夹具至30°拉伸位置，将夹具置于材料拉伸试验机上完成30°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次的点焊最大载荷力值，并求出平均值；

步骤303：按照步骤302流程，完成60°拉伸测试；

步骤304：按照步骤302流程，完成90°拉伸测试。

所述步骤4，基于加载角度及其对应的最大载荷力平均值，通过计算求得沿焊点纯剪切、法向两个方向上对应的载荷力分值；

所述步骤5，基于不同加载角度条件下沿焊点切向及法向两个方向的载荷分值，采用椭圆曲线模型关系式对试验数据进行拟合，建立焊点在复合加载条件下的失效载荷判定模型。

本专利面向广大汽车企业提供了一种先进的焊点椭圆失效判定模型，并给出了相应的搭建该模型的试验技术方法，与现有技术水平相比，有效解决了国内当前汽车业界普遍存在的焊点仿真与焊点试验相互隔离的问题。此外，基于本专利模型提出的试验流程简便易行、仅通过开展简单的几组拉伸试验，即可建立起相应的焊点失效模型，应用于汽车安全仿真模拟中。对于广大汽车企业而言，不失为一种有效、快捷的焊点安全性能仿真技术支持手段。

附图说明：

图1金属板材电阻点焊焊点0°剪切力学性能试验示意图；

图2金属板材电阻点焊焊点变角度加载(30°、60°、90°)装配位置示意图；

图3“剪切型”试样结构图；

图4“正拉型”试样结构图；

图5复合加载条件下焊点的受力情况示意图；

图6DP600焊点在复合加载条件下的剪切力-正拉力曲线示意图。

具体实施方式：

结合图1～图6，对本专利具体流程做进一步说明：

步骤1：焊前准备，具体如下：

焊前需对试焊样片进行表面去污预处理，如图3～4，搭接模式为“剪切型”试样及“正拉型”试样两种结构。

步骤2：进行点焊试验，具体如下：

在设备上按同一参数条件完成两种点焊试验，电极规格、参数设置应与实际生产过程完全一致，此外焊接过程中应确保焊点位置处于上下端样片搭接区正中心。

步骤3：进行不同加载角度下的点焊焊点力学性能试验，具体如下：

首先，如图1，将“剪切型”试样置于拉伸试验机上完成0°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次焊点最大剪切力值，并求出平均值。

其次，在试验夹具上完成“正拉型”试样的装配，将调整夹具至30°拉伸试验位置(如图2)，将夹具置于拉伸试验机上完成30°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次的点焊最大载荷力值，并求出平均值。

第三，在试验夹具上完成“正拉型”试样的装配，将调整夹具至60°拉伸试验位置(如图2)，将夹具置于拉伸试验机上完成60°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次的点焊最大载荷力值，并求出平均值。

第四，在试验夹具上完成“正拉型”试样的装配，将调整夹具至90°拉伸试验位置(如图2)，将夹具置于拉伸试验机上完成90°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次的点焊最大载荷力值，并求出平均值。

步骤4：进行试验数据处理，具体如下：

通过上述0°、90°拉伸试验，求得模型式(2)中对应的焊点最大剪切、正拉载荷力值(F_s、F_n)。针对30°、60°拉伸试验最大载荷力值，通过式(3)～(4)求得相应的沿焊点结合面切向、法向两个方向上的载荷力分值。

f_s＝Fcosα(3)

f_s＝Fsinα(4)

式(3)、(4)中，F为焊点在指定角度条件下的最大载荷力值，α为外力加载方向与焊点结合面之间的夹角，如图5。根据试验结果，可借助诸如Origin等常见数据处理软件绘制出相应的基于不同加载角度条件下焊点切向力与正拉力间的关系曲线，其中纯剪切条件下正拉力为0，纯正拉条件下剪切力为0。

步骤5：建立焊点复合加载失效力学性能判定模型，具体如下：

将纯剪切、纯正拉两种条件下测得的最大载荷力值(F_s、F_n)代入式(2)，形成相应的拟合函数，通过Origin等常见数据处理软件具备的自定义函数拟合功能，对上述基于不同加载角度条件下焊点切向力与正拉力间的关系曲线进行数据拟合，求得相应的拟合系数β值，即可建立该焊点在复合加载条件下的失效判定模型。

下面以DP600为例，焊后按照0°、30°、60°、90°角度顺序，进行拉伸试验，其中每个角度条件下重复3次，取平均值。试验结果如表1。将每个角度条件下测试得到最大载荷力值与对应的角度值相结合，按照式(3)、(4)要求，计算出不同角度条件下对应的沿焊点结合面切向、法向两个方向上的载荷力分值，如表2。

表1DP600拉伸试验结果

表2DP600拉伸试验数据处理结果

如图6，将表2中对应各角度条件下经计算得到的沿着焊点结合面切向、法向两个方向上的载荷力分值绘制成坐标曲线，以正拉力为横坐标，以剪切力为纵坐标。进一步将0°与90°两个加载角度条件下测得的最大切向力(F_s)、正拉力(F_n)分别作为式(2)中的两个分母值，如式(5)。

${\left(\frac{f_s}{16.24}\right)}^2+\mathrm{\β}\left(\frac{f_s{f}_n}{144.9}\right)+{\left(\frac{f_n}{8.92}\right)}^2=1---\left(5\right)$

最后，利用Origin等数据分析软件，采用上式(5)对图6所示的剪切力-正拉力关系曲线进行函数拟合，即可得到对应的β系数值，建立基于DP600钢焊点在复合加载条件下的失效判定模型(式(6))，并应用于有限元仿真中。

${\left(\frac{f_s}{16.24}\right)}^2+1.35\left(\frac{f_s{f}_n}{144.9}\right)+{\left(\frac{f_n}{8.92}\right)}^2=1---\left(6\right)$

Claims (6)

1.一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行焊前试样准备；

步骤2：进行点焊试验；

步骤3：进行不同加载角度下的点焊焊点力学性能试验；

步骤4：进行试验数据处理；

步骤5：建立焊点复合加载失效力学性能判定模型。

2.根据权利要求1所述的金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于：所述步骤1焊前需对试焊样片进行表面去污预处理，试样包括“剪切型”及“正拉型”两种对称型搭接结构。

3.根据权利要求1所述的金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于：所述步骤2在焊接设备上按同一参数条件完成两种点焊试样制备，电极规格、参数设置应与实际生产过程完全一致，此外焊接过程中确保焊点位置处于上下端样片搭接区正中心。

4.根据权利要求1所述的金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于：步骤3具体流程如下：

步骤301：将“剪切型”点焊试样置于材料拉伸试验机上完成0°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次焊点最大剪切力值，并求出平均值；

步骤302：利用夹具完成“正拉型”点焊试样装配，并调整夹具至30°拉伸位置，将夹具置于材料拉伸试验机上完成30°拉伸测试，重复试验3次，记录下每次的点焊最大载荷力值，并求出平均值；

步骤303：按照步骤302流程，完成60°拉伸测试；

步骤304：按照步骤302流程，完成90°拉伸测试。

5.根据权利要求1所述的金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于：步骤4基于加载角度及对应的最大载荷力平均值，通过计算求得沿焊点切向、法向两个方向上对应的载荷力分值。

6.根据权利要求1所述的金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，其特征在于：步骤5基于求得的不同加载角度条件下沿焊点切向及法向两个方向的载荷分值，以一种新型“椭圆”曲线关系式为自定义函数，对试验数据进行拟合，建立焊点在复合加载条件下的失效判定模型。