汽車用幾種先進高強鋼焊點動態(tài)沖擊性能研究

閻換麗，周 佳，萬鑫銘，周 舟，趙清江，馮 毅，趙 巖，方 剛

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

汽車安全性一方面取決于汽車零部件材料本身的強度，另一方面則取決于零部件之間的連接強度。點焊是目前汽車制造應(yīng)用最廣泛的連接工藝。據(jù)統(tǒng)計，目前普通乘用車身上點焊數(shù)量大約有2 000 ～5 000 個，因此點焊強度性能對汽安全性方面影響顯著。此外，迫于能源、環(huán)境和安全方面的壓力，先進高強鋼（Advanced High Strength Steel，AHSS）在汽車輕量化方面的應(yīng)用是大勢所趨。由于AHSS 為組織強化類鋼，焊后熔核經(jīng)冷卻易生成高淬硬馬氏體，使接頭冷裂趨向增加，且點焊過程中因基體強度高而易產(chǎn)生飛濺、縮孔等缺陷，使焊點承載能力下降[1-3]。因此，為滿足這些新材料在汽車上的應(yīng)用要求，針對其點焊工藝及焊接性能方面的研究意義重大。

近年來，針對汽車零部件點焊動態(tài)強度性能的研究成為國內(nèi)外的熱點問題之一。因為汽車碰撞大都發(fā)生在高速行駛過程中，所以點焊的動態(tài)強度較靜態(tài)強度對評價車身的防撞性能更有意義。長期以來，多采用剪切拉伸、十字拉伸和拉伸剝離等試驗方法測試、評價焊點的靜態(tài)強度[4-12]。而近年來，國外開始采用沖擊法來評價焊點的動態(tài)強度[13-19]。通過沖擊試驗獲得焊點的斷裂模式、吸收功、承載能力等信息，將這些信息與熔核直徑、載荷模式、基材性能以及點焊工藝等相結(jié)合，即可作為對車身安全性能評價的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。此外，近年來計算機模擬已成為研究汽車車身或零部件抗碰撞性能的重要方法之一，這一領(lǐng)域目前也迫切需要詳實可靠的點焊動態(tài)性能數(shù)據(jù)做支撐。其中，模擬過程中點焊沖擊強度是一個決定性的影響因素，必須在大量可靠的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立起沖擊強度與載荷模式、基材強度、結(jié)構(gòu)尺寸以及應(yīng)變速率等參數(shù)之間的關(guān)系，并將其納入到碰撞模擬模型中。綜上所述，當(dāng)前汽車制造業(yè)對點焊沖擊性能的可靠、精確測試技術(shù)的需求非常迫切。

本研究針對國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的DP800、DP800-Z、22MnB5 三種典型先進汽車高強鋼材料，利用專用點焊沖擊性能試驗機開展了系統(tǒng)的點焊動態(tài)沖擊試驗，獲得了在瞬時沖擊條件下焊點的沖擊性能數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)分析、相關(guān)微觀表征試驗技術(shù)手段，討論了幾種鋼材焊點沖擊力學(xué)性能與焊接工藝、焊點尺寸、母材性能等的關(guān)系，建立了對應(yīng)的性能物理模型。

1 試驗設(shè)備、材料、方法

1.1 沖擊設(shè)備

本試驗由本體、擺錘、沖擊夾具、輔助裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成。點焊沖擊試驗機的實物照片如圖1 所示。本體采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化擺錘沖擊試驗機[21]，其擺錘提升、安全插銷、擺錘釋放、沖擊控制等功能可直接利用。為適應(yīng)點焊薄板試樣的沖擊試驗，將標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗機的擺錘和夾具進行改造。在本體的擺錘轉(zhuǎn)軸上增加編碼器，用于測量擺錘的角度，實現(xiàn)對試驗機的控制以及沖擊功的計算。本試驗機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由計算機、測力傳感器、增量編碼器、應(yīng)變儀和高速數(shù)據(jù)采集卡組成。

圖1 沖擊試驗系統(tǒng)外觀

1.2 沖擊試樣

3 種先進汽車高強鋼材的基本信息及力學(xué)性能特性見表1 ～2。焊點沖擊試樣的尺寸規(guī)格為：長100 mm，寬50 mm，如圖2 所示。

圖2 焊點沖擊試樣的尺寸規(guī)格

表1 三種鋼材的基本信息

表2 三種鋼材的力學(xué)性能

1.3 焊點工藝

本試驗選用中頻逆變點焊試驗機。此外，采用標(biāo)準(zhǔn)的?16 mm×20 mm 電極頭作為焊接工裝，基于3 種鋼材的厚度規(guī)格（≤1.5 mm），電極頭先端直徑為?6 mm，電極力為3.6 kN，升壓時間為100 ms，預(yù)壓時間為500 ms，焊接時間為230 ms，保壓時間為250 ms，脈沖次數(shù)為1。試驗過程中僅改變焊接電流，其它參數(shù)保持不變。焊接電流變化范圍的選取，統(tǒng)一以鋼板件可以發(fā)生焊接結(jié)合為起點，逐步增大焊接電流直至發(fā)生飛濺結(jié)束，中間選取的電流變化幅度值為0.2 ～0.3 kA。針對本研究采用的3 種鋼材，重復(fù)焊接11 次，其中3 件為撕裂剝離試樣，用于測量焊點大小尺寸；3 件為剪切試樣，用于測量焊點的最大靜態(tài)剪切力；5 件為沖擊試樣，用于測量焊點動態(tài)沖擊性能。

2 試驗結(jié)果

DP800 焊點的沖擊位移-力曲線隨焊接電流的變化規(guī)律如圖3 所示。由圖可知，隨著焊接電流增大，焊點的沖擊載荷隨位移量的曲線由平滑向振蕩形態(tài)變化，這是由沖擊試驗本身的特性決定的。當(dāng)焊接電流較低時，焊點強度較低，在一定沖擊加載能量條件下焊點趨向于一次性沖斷；隨著焊接電流的提升，焊點強度增大，此時，在同樣的加載能量條件下，焊點的抗沖擊能力增強，使整個焊點變形過程延長（位移量增加），焊點應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生階段性變化，而慣性效應(yīng)又將誘發(fā)“多次沖擊”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致載位移-力曲線出現(xiàn)震蕩。而曲線段的延長也意味著焊點吸能量的增大，這說明靜態(tài)條件下具有最優(yōu)力學(xué)性能的焊點同樣具有最佳的吸能能力。

圖3 DP800 焊點沖擊位移-力曲線隨焊接電流的變化規(guī)律

3 種先進高強鋼的沖擊載荷力-沖擊吸收功隨焊接電流的變化規(guī)律基本一致，如圖4 所示。由圖可知，隨著電流增大，沖擊載荷力與吸收功均呈增加趨勢，但是當(dāng)焊接電流增大至飛濺狀態(tài)后，沖擊載荷與吸收功又有所降低，這與靜態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果完全一致。說明飛濺不僅影響焊點的靜態(tài)強度，也會對焊點在實際碰撞過程中體現(xiàn)出來的吸能效果等產(chǎn)生不良影響。

圖4 點焊沖擊性能隨焊接電流的變化規(guī)律

相比于同一焊接參數(shù)條件下的靜態(tài)拉伸性能值，3 種先進高強鋼的動態(tài)峰值沖擊載荷力明顯更高，如圖5 所示。這顯然與金屬材料特有的應(yīng)變速率敏感性有關(guān)。隨著加載速率的提升，焊點的“脆性”增強。有研究表明：在高速應(yīng)變條件下，焊點處開動的滑移系較靜態(tài)更多，滑移系的增加又將顯著增大焊點內(nèi)部的位錯密度，大量位錯間彼此相互纏結(jié)、釘扎，對其它位錯的運動將產(chǎn)生更為強烈的阻礙作用，最終使焊點沖擊力學(xué)性能高于靜態(tài)力學(xué)性能。由圖5 可知，當(dāng)焊點直徑較小時（對應(yīng)小電流），焊點沖擊性能值與其靜態(tài)拉伸性能值之間的差異性不大，甚至更低。只有當(dāng)焊點尺寸較大時，其沖擊峰值載荷力相比于靜態(tài)力才會明顯增大。

圖5 點焊靜、動態(tài)沖擊性能值關(guān)系

3 種鋼焊點的沖擊失效模式，如圖6 所示。試驗結(jié)果表明：隨著焊接電流提升，DP800 與DP800-Z 焊點失效模式逐漸由界面分離過渡至母材撕裂；22MnB5 焊點失效模式則是由界面撕裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧~扣拔出，此外，當(dāng)發(fā)生飛濺時，3 種鋼焊點失效均為紐扣拔出模式。與靜態(tài)性能測試結(jié)果一致，3 種鋼材中DP800-Z 最易于以紐扣拔出模式發(fā)生失效，22MnB5 最趨向于以界面分離模式發(fā)生失效，如圖7a 所示。此外，在沖擊加載條件下發(fā)生紐扣拔出或母材撕裂時所對應(yīng)的參數(shù)范圍相比于靜態(tài)更加窄化，說明在沖擊模式下，鋼種焊點將呈現(xiàn)出更為明顯的“脆化”趨向，具體可表現(xiàn)為相比于傳統(tǒng)鋼材，在碰撞過程中先進高強鋼焊點更趨向于先于母材發(fā)生失效，如圖7b 所示。

圖6 焊點沖擊失效模式示例

圖7 焊點的失效模式轉(zhuǎn)變規(guī)律

如前所述，與靜態(tài)加載條件下的焊點失效模式變化規(guī)律一致，在動態(tài)沖擊條件下3 種鋼焊點隨直徑大小變化所體現(xiàn)出來的規(guī)律性也是由界面分離模式逐漸向母材撕裂（紐扣拔出）模式轉(zhuǎn)變，在發(fā)生飛濺條件下則均體現(xiàn)出紐扣拔出模式，僅是對應(yīng)的失效模式轉(zhuǎn)變區(qū)間存在差異性。由圖8 可知，在相同焊接參數(shù)條件下，3 種鋼在沖擊加載條件下焊點失效斷口體現(xiàn)出更為明顯的脆性斷裂特性。

3 沖擊性能模型

基于當(dāng)前國內(nèi)外金屬材料焊點力學(xué)性能研究成果，建立動態(tài)沖擊條件下3 種鋼焊點的應(yīng)力、載荷力預(yù)測模型，以對實際汽車零部件連接安全性能設(shè)計仿真提供指導(dǎo)依據(jù)。SYMONDS[21]、SOROUSHIAN[22]及MALVER[23]均從動力強度增大系數(shù)的角度來描述各類金屬材料焊縫在高速條件下的力學(xué)特性，提出了多個典型預(yù)測模型。其中，以Symonds 模型應(yīng)用最普遍，該模型具體表述如式（1）所示。

式中：DIF為高速條件下材料的動力增大系數(shù)為動態(tài)條件下材料的極限強度，MPa；σu為準(zhǔn)靜態(tài)條件下材料的極限強度，MPa；ε˙為應(yīng)變率；D與n均為常數(shù)系數(shù)。D根據(jù)不同鋼種而異，n參照國外經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一取3.91。

根據(jù)3 種鋼焊點在準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)條件下的極限強度，可以直接得到相應(yīng)的焊點動力強度增大系數(shù)值，見表3。由表可知，DP800-Z 具有最高動力強度增大系數(shù)值，也進一步驗證了其對沖擊應(yīng)變速率具有最強的敏感性。在厚度規(guī)格相同條件下22MnB5 焊點對沖擊應(yīng)變速率敏感性低于DP800。

表3 焊點靜、動態(tài)強度及動力增大系數(shù)

將由測試得到的在既定初始沖擊條件下的應(yīng)變率ε˙及n值代入式（1）即可得到對應(yīng)的D值，見表4。

表4 焊點的力增大相關(guān)參量值

應(yīng)當(dāng)指出的是上述D與n是與材料本身相關(guān)的參量，與應(yīng)變率無關(guān)，由此得到3 種鋼焊點動態(tài)強度增大系數(shù)模型，具體如式（2）～（4）所示。利用此模型通過測量準(zhǔn)靜態(tài)條件下焊點的極限強度，預(yù)測任意應(yīng)變速率條件下的焊點沖擊性能，所得公式如下。

CHAO 等[15]近年來在傳統(tǒng)的JC、CS 模型基礎(chǔ)上建立了一種新的適用于焊點的應(yīng)力預(yù)測模型，具體如式（5）所示。

式中：σ為焊點沖擊應(yīng)力，N；σ0為焊點準(zhǔn)靜態(tài)加載應(yīng)力，為應(yīng)變率；為基準(zhǔn)應(yīng)變率；C1、C2及C3為常數(shù)。

將3 種鋼焊點的沖擊應(yīng)變率、基準(zhǔn)應(yīng)變率（設(shè)定為0.1 s-1）、不同直徑焊點對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)極限強度、沖擊極限強度代入式（2）～（4）中，通過數(shù)據(jù)擬合，求得C1、C2及C3，進而建立焊點的沖擊應(yīng)力預(yù)測模型，具體如式（6）～（8）所示。

將3 種鋼焊點準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)關(guān)系模型——可通過對焊點靜態(tài)拉伸曲線數(shù)據(jù)按照冥指數(shù)關(guān)系模型進行擬合獲得，如式（9）所示，代入到到式（6）～（8）中，即可得到3 種鋼焊點的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，如式（10）～（12）所示。該模型可用于指導(dǎo)汽車零件點焊接頭碰撞安全過程模擬分析，具有一定的工程價值。

4 結(jié)論

（1）基于專用金屬材料點焊沖擊性能試驗機系統(tǒng)，針對國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的3 種先進汽車高強鋼材料——DP800、DP800-Z、22MnB5，開展了焊點動態(tài)沖擊性能試驗。

（2）隨著焊接電流增大，焊點沖擊載荷隨位移量的曲線由平滑向振蕩形態(tài)變化。

（3）三種先進高強鋼沖擊載荷力-沖擊吸收功隨焊接電流的變化規(guī)律基本一致，即隨著電流增大，沖擊載荷力與吸收功均呈增加趨勢，但是當(dāng)焊接電流增大至飛濺狀態(tài)后，沖擊載荷與吸收功又有所降低。

（4）三種先進高強鋼動態(tài)峰值沖擊載荷力相對靜態(tài)較高，即焊點沖擊力學(xué)性能高于靜態(tài)力學(xué)性能。

（5）隨著焊接電流提升，DP800 與DP800-Z焊點失效模式逐漸由界面分離過渡至母材撕裂；22MnB5 焊點失效模式則是由界面撕裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧~扣拔出。此外，當(dāng)發(fā)生飛濺時，3 種鋼焊點失效均為紐扣拔出模式。在沖擊模式下，鋼種焊點將呈現(xiàn)出更為明顯的“脆化”趨向。

（6）基于Symonds、Chao 等模型，建立3 種鋼焊點的動態(tài)力學(xué)性能模型，可實現(xiàn)對動態(tài)沖擊條件下焊點應(yīng)力的預(yù)測，并獲得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可指導(dǎo)實際點焊接頭碰撞安全過程模擬分析，具有一定的工程價值。