CN108663183B - 金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法，包括以下步骤：焊前进行点焊试样准备；制备点焊试样；进行焊点准静态力学性能测试；处理焊点准静态力学性能数据；进行焊点动态冲击试验；建立焊点动态冲击力学性能测试模型。采用上述技术方案，提供了一种合理、可行的建立焊点动态力学行为本构关系模型的工程化技术方法，是在动态试验基础上，仅通过简单的数据处理，即可获取相应的焊点动态应力‑应变本构模型式，能直接应用于焊点碰撞仿真过程中，为汽车产品连接的安全设计提供直接的技术支持，具有较强的工程意义和较大的工业化推广应用价值。

Description

金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法

技术领域

本发明属于材料力学性能试验的技术领域。更具体地，本发明涉及一种金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法。

背景技术

汽车的安全性一方面取决于汽车零部件材料的强度，另一方面还取决于零件之间的连接强度。点焊是汽车构件连接的重要方法，据统计普通乘用车上电阻焊焊点的数量大约有4000～6000个。因此，焊点的连接强度对汽车产品的安全有着极其重要的影响，而焊点的连接强度取决于电阻点焊的连接工艺。

由于汽车的碰撞发生在高速行驶过程中，因此点焊的动态强度相对静态强度来说，对提高车身的抗碰撞性能更有意义。

基于当前汽车行业安全性设计需求，近年来针对点焊冲击性能的研究已成为国内外汽车连接技术领域的研究热点之一。已有车企在尝试采用高速冲击法来评价焊点的冲击力学性能，通过冲击试验，获得焊点的冲击强度变化，作为对车身安全性能评价的重要基础数据之一。此外，近年来计算机模拟已成为国内外研究汽车车身或零部件抗碰撞性能的重要方法之一，这一领域目前也迫切需要详实可靠的点焊冲击强度指标数据做支撑，以此作为评价仿真过程中焊点是否发生失效的关键依据。

当前基于冲击试验过程的繁琐性，因此车企往往趋向于仅通过少量的冲击试验，即可获取一定尺寸规格的焊点在任意冲击应变速率条件下的极限强度值，以供仿真所用，这就需要建立一种可供工程化应用的焊点动态冲击极限强度测试模型。

国外已有研究结果表明：焊点的动态冲击强度指标往往与其准静态强度指标间存在一定的定量关系，然而传统的描述金属材料在快速应变条件下力学行为的诸如JohnsonCook(JC)、Cowper-Symonds(CS)及Zerilli-Armstrong(ZA)等模型并不适用于焊点，而目前国内更极度缺乏焊点有关冲击强度性能研究的报道，导致车企无法获取这方面的数据以用于车辆安全设计中，而材料企业也不知如何建立此类模型以提供给车企使用。

对现有相关技术的文献检索结果表明：当前国内针对焊点力学性能的研究主要还局限于通过开发出各类专用装置，通过实验测试获取相应的力学性能数据；针对焊点在不同加载条件下的力学本构关系模型方面的研究较少；而仅有的一些零星研究也仅针对准静态层面，针对焊点在高速应变条件下的力学行为、力学性能测试技术方面的研究报道极少。

有关专利文献公开的技术方案有：

CN104785947A公开了一种用于测试焊点在不同加载条件下的力学性能的实验技术方法，通过对焊点进行剪切、正拉、扭转、剥离等试验，获取相应的性能数据，建立焊点的失效判定模型。

CN105699186A公开了一种金属电阻点焊焊点变角度力学性能试验评价方法，提出一种改进型的焊点椭圆型承载模型关系式，基于此仅通过对焊点在不同加载位向条件下的力学性能进行测试，即可建立基于判定焊点的失效判定模型。

CN104897357A公开了一种可用于金属板材点焊接头冲击性能测试的试验方法，可实现对冲击峰值载荷力、位移量、应力应变量、冲击吸收功等参量的检测，然而并未进一步给出相应的可描述焊点在冲击条件下应力应变关系的本构关系模型，难以将试验数据用于对焊点的碰撞仿真。

CN102435514A公开了一种可识别焊点在不同区域材料动态力学性能参数的检测方法，通过在焊点不同区域内进行显微硬度试验基础上，结合有限元法，建立焊点不同区域处的数学模型，并借助于遗传算法，通过反复的迭代计算，建立焊点冲击应力应变本构模型。

以上技术方案，要么仅适用于准静态条件下焊点力学性能的测试评价，要么是仅能给出了具体的试验参量值，而无法提出可描述焊点力学行为的本构模型，从而用于仿真过程。CN102435514A所提供技术方法技术流程复杂、工作量较大、且涉及诸如遗传算法等难度较大的技术手段，难以操作，并不利于大规模行业推广应用。

发明内容

本发明提供一种金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法，其目的是实现对焊点在高速应变条件下的力学行为的精确描述。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的测试方法的技术方案包括以下步骤：

1)、焊前进行点焊试样准备；

2)、制备点焊试样；

3)、进行焊点准静态力学性能测试；

4)、处理焊点准静态力学性能数据；

5)、进行焊点动态冲击试验；

6)、建立焊点动态冲击力学性能测试模型。

在所述的步骤1)中，对点焊试样样片进行表面去污预处理；点焊试样为“剪切型”对称型搭接结构，点焊试样准备多件，分别用于准静态及动态冲击试验。

在所述的步骤2)中，在焊接设备上按同一参数条件完成步骤1)所述的点焊试样的制备，电极规格及参数设置与实际生产过程完全一致；焊接过程中，确保点焊试样的焊点位置处于上下端样片搭接区正中心。

在所述的步骤3)中，将点焊试样置于材料拉伸机上完成拉伸试验，重复试验3次；试验过程按照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》标准要求进行；每件试样试验后记录下相应的焊点剪切拉伸应力-应变曲线数据。

在所述的步骤4)中，将由步骤3中获得的3件点焊试样剪切拉伸应力-应变曲线数据转变为对应的真应力-真应变曲线，再将真应力-真应变曲线从屈服点至断裂应力点一段数据按Holloman方程得到待测金属板材焊点的准静态流变应力-应变关系式，并对3件试样准静态流变应力-应变关系式中的相关参数取平均值，计为准静态焊点流变应力-应变最终关系式。

在所述的步骤5)中，在具备数据采集功能的工业用材料冲击试验机上进行焊点动态冲击力学性能试验，记录冲击应变速率、应力-应变曲线；试样不少于3组，对应多个不同的初始冲击加载试验条件，这些不同的初始冲击加载试验条件对应不同冲击应变速率；每组试样在相同初始冲击加载试验条件下重复不少于5次，以避免试样过少所导致的数据分散性问题；对于每组重复试验所获取的最大动态冲击应力值、动态冲击应变速率取平均值。

在所述的步骤6)中，基于可描述焊点在高速应变条件下的力学行为的理论模型，将准静态最大应力值、每组动态冲击试验所获得平均最大动态冲击应力值、冲击应变速率、准静态应变速率的参数代入上述理论模型中，通过数据拟合，获取上述理论模型中的相关常数参量值，即建立焊点在动态冲击加载条件下的应力测试模型。

所述的在高速应变条件下的力学行为的理论模型，如以下式(1)、式(2)：

σ₀＝Kεⁿ (2)

上式中：

σ为极限冲击强度极限值；

σ₀为准静态强度极限值；

ε为应变；

K与n为准静态条件下的应力应变关系参量；

为冲击应变率；

为基准应变率(可根据准静态试验加载速率确定)；

C1、C2及C3为常数。

利用上述模型，即可通过对焊点进行准静态剪切拉伸基础上，通过简单的数据拟合，求得任意冲击应变率条件下焊点的应力值，实现对焊点在高速应变条件下的力学行为的精确描述，可为实际汽车连接安全设计仿真提供相应的指导依据。

本发明采用上述技术方案，提供了一种合理、可行的建立焊点动态力学行为本构关系模型的工程化技术方法，是在动态试验基础上，仅通过简单的数据处理，即可获取相应的焊点动态应力-应变本构模型式，能直接应用于焊点碰撞仿真过程中，为汽车产品连接的安全设计提供直接的技术支持，具有较强的工程意义和较大的工业化推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的测试试样为“剪切型”对称型搭接结构的示意图；

图2为本发明的试样试验后记录下相应的焊点剪切拉伸应力-应变曲线图；

图3为采用图1所示方式，对三超高强汽车用钢焊点准静态剪切力学性能曲线进行拟合，得到相应的准静态应力-应变模型的曲线图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示的结构，为本发明的金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法采用的点焊试样。为提汽车产品焊点服役性能模拟技术水平，本发明提出了一种新的课用于描述焊点在高速应变条件下力学行为的本构关系模型及建立模型所对应的试验技术流程方法，可用于指导汽车产品的碰撞仿真，具有较强的工程意义。

为了克服现有缺陷，实现对焊点在高速应变条件下的力学行为的精确描述的发明目的，本发明适用于预估各类金属板材电阻点焊焊点在冲击加载条件下的极限强度值，其采取的技术方案为：

本发明的测试方法的技术方案包括以下步骤：

1)、焊前进行点焊试样准备；

2)、制备点焊试样；

3)、进行焊点准静态力学性能测试；

4)、处理焊点准静态力学性能数据；

5)、进行焊点动态冲击试验；

6)、建立焊点动态冲击力学性能测试模型。

具体过程如下：

1、焊前准备：

在所述的步骤1)中，焊前需对试焊样片进行表面去污预处理，如图1所示，测试试样为“剪切型”对称型搭接结构，点焊试样准备多件，分别用于准静态及动态冲击试验。

2、制备点焊试样：

在所述的步骤2)中，在焊接设备上按同一参数条件完成步骤1)所述的点焊试样的制备，电极规格及参数设置与实际生产过程完全一致；焊接过程中，确保点焊试样的焊点位置处于上下端样片搭接区正中心，如图1所示。

3、进行焊点准静态力学性能测试：

在所述的步骤3)中，将点焊试样置于材料拉伸机上完成拉伸测试，重复试验3次，试验过程参照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》标准要求执行。每件试样试验后记录下相应的焊点剪切拉伸应力-应变曲线数据，如图2所示。

4、点焊准静态力学性能试验数据处理：

在所述的步骤4)中，将由步骤3中获得的3件点焊试样剪切拉伸应力-应变曲线数据转变为对应的真应力-真应变曲线，再将真应力-真应变曲线从屈服点至断裂应力点一段数据按Holloman方程得到待测金属板材焊点的准静态流变应力-应变关系式，并对3件试样准静态流变应力-应变关系式中的相关参数取平均值，计为准静态焊点流变应力-应变最终关系式。

5、点焊动态力学性能试验：

在所述的步骤5)中，在具备数据快速采集功能的工业用材料冲击试验机上进行焊点动态冲击力学性能试验，记录冲击应变速率、应力-应变曲线；试样不少于3组，对应多个不同的初始冲击加载试验条件，这些不同的初始冲击加载试验条件对应不同冲击应变速率；每组试样在相同初始冲击加载试验条件下重复不少于5次，以避免试样过少所导致的数据分散性问题；对于每组重复试验所获取的最大动态冲击应力值、动态冲击应变速率取平均值。

6、点焊动态力学性能试验：

在所述的步骤6)中，基于一种可描述焊点在高速应变条件下的力学行为的理论模型，将准静态最大应力值、每组动态冲击试验所获得平均最大动态冲击应力值、冲击应变速率、准静态应变速率、等参数代入上述理论模型中，通过数据拟合，获取上述理论模型中的相关常数参量值，即建立焊点在动态冲击加载条件下的应力测试模型。

所述的在高速应变条件下的力学行为的理论模型，如以下式(1)、式(2)：

σ₀＝Kεⁿ (2)

上式中：

σ为极限冲击强度极限值；

σ₀为准静态强度极限值；

ε为应变；

K与n为准静态条件下的应力应变关系参量；

为冲击应变率；

为基准应变率(可根据准静态试验加载速率确定)；

C1、C2及C3为常数。

利用上述模型，即可通过对焊点进行准静态剪切拉伸基础上，通过简单的数据拟合，求得任意冲击应变率条件下焊点的应力值，实现对焊点在高速应变条件下的力学行为的精确描述，可为实际汽车连接安全设计仿真提供相应的指导依据。

下面以冷轧双相钢DP800、镀锌双相钢DP800-Z、冲压硬化钢22MnB5三种超高强汽车用钢为例，焊后进行焊点的准静态剪切拉伸试验，每种钢重复试验3次，按照采用Holloman模型(即式(2))对三种钢焊点准静态剪切力学性能曲线进行拟合，得到相应的准静态应力-应变模型，并对依托于3次试验分别建立的模型式中的相关参数取均值，如式(3)～(5)。

DP800：σ₀＝3410ε^0.61 (3)

DP800-Z：σ₀＝3230ε^0.66 (4)

22MnB5：σ₀＝3740ε^0.59 (5)

将三种钢材焊点的冲击应变率、基准应变率(本例中取0.1s-1)、不同直径焊点对应的准静态极限强度、冲击极限强度代入式(1中)，通过数据拟合，求得C1、C2、C3，如下表1。

表1：三种钢焊点动态本构模型相关常数参量拟合结果

钢种牌号	C1	C2	C3
				DP800	0.014	0.006	0.034
DP800-Z	0.021	0.006	0.041
				22MnB5	0.028	0.006	0.030

将表1三种钢材焊点的动态本构模型常数参量C1、C2、C3及式(3)～(5)全部带入式(1)中，即得到三种钢焊点的动态本构模型，如式(6)～(8)。对应得到的焊点动态应力应变曲线如图3。

DP800：

DP800-Z：

22MnB5：

本发明的上述技术方案为广大汽车及材料企业提供了一种先进的、可描述焊点在高速应变条件下力学行为的本构关系模型，并介绍了其对应的试验技术流程方法；与现有技术方案相比，上述技术方案实现了将焊点的准静态与动态冲击力学性能相结合，摆脱以往仅针对焊点力学性能数值进行定点检测而无法建立物理层面模型的局限性，同时，上述技术方案具有对物质条件要求较低、操作流程简便，不涉及复杂的数学物理层面的计算等优势，便于企业实施，因此对于企业而言，不失为一种有效、快捷的焊点安全性能仿真技术支持手段，值得行业推广应用。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.金属薄板电阻点焊焊点动态冲击力学性能测试方法，其特征在于：该测试方法包括以下步骤：

1)、焊前进行点焊试样准备：对点焊试样样片进行表面去污预处理；点焊试样为“剪切型”对称型搭接结构；点焊试样准备多件，分别用于准静态及动态冲击试验；

2)、制备点焊试样：在焊接设备上按同一参数条件完成步骤1)所述的点焊试样的制备，电极规格及参数设置与实际生产过程完全一致；焊接过程中，确保点焊试样的焊点位置处于上下端样片搭接区正中心；

3)、进行焊点准静态力学性能测试：将点焊试样置于材料拉伸机上完成拉伸试验，重复试验3次；试验过程按照GB/T228.1《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》标准要求进行；每件试样试验后记录下相应的焊点剪切拉伸应力-应变曲线数据；

4)、处理焊点准静态力学性能数据：将由步骤3)中获得的3件点焊试样剪切拉伸应力-应变曲线数据转变为对应的真应力-真应变曲线，再将真应力-真应变曲线从屈服点至断裂应力点一段数据按Holloman方程得到待测金属板材焊点的准静态流变应力-应变关系式，并对3件试样准静态流变应力-应变关系式中的相关参数取平均值，计为准静态焊点流变应力-应变最终关系式；

5)、进行焊点动态冲击试验：在具备数据采集功能的工业用材料冲击试验机上进行焊点动态冲击力学性能试验，记录冲击应变速率、应力-应变曲线；试样不少于3组，对应多个不同的初始冲击加载试验条件，这些不同的初始冲击加载试验条件对应不同冲击应变速率；每组试样在相同初始冲击加载试验条件下重复不少于5次，以避免试样过少所导致的数据分散性问题；对于每组重复试验所获取的最大动态冲击应力值、动态冲击应变速率取平均值；

6)、建立焊点动态冲击力学性能测试模型：在所述的步骤6)中，基于可描述焊点在高速应变条件下的力学行为的理论模型，将准静态最大应力值、每组动态冲击试验所获得平均最大动态冲击应力值、冲击应变速率、准静态应变速率的参数代入上述理论模型中，通过数据拟合，获取上述理论模型中的相关常数参量值，即建立焊点在动态冲击加载条件下的应力测试模型；

所述的在高速应变条件下的力学行为的理论模型，如式(1)、式(2)：

σ₀＝Kεⁿ (2)

上式中：

σ为极限冲击强度极限值；

σ₀为准静态强度极限值；

ε为应变；

K与n为准静态条件下的应力应变关系参量；

为冲击应变率；

为基准应变率，可根据准静态试验加载速率确定；

C1、C2及C3为常数；

利用上述模型，通过对焊点进行准静态剪切拉伸基础上，通过简单的数据拟合，求得任意冲击应变率条件下焊点的应力值，实现对焊点在高速应变条件下的力学行为的精确描述，可为实际汽车连接安全设计仿真提供相应的指导依据。

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