汽車用雙相鋼板焊點組織性能的仿真優化

袁成逸　李根　朱偉　徐文雷　陽大云

摘要：為提高整車碰撞安全CAE仿真的精度，基于HC340/590DP雙相鋼板電阻點焊剪切樣件，通過場發射掃描電子顯微鏡、顯微維氏硬度計等設備表征了焊點母材區、熱影響區和熔核區的微觀組織和硬度分布，采用LS-DYNA軟件對焊點的斷裂特性進行仿真模擬，并與拉伸試驗結果進行對比分析，同時根據焊點各區域硬度差異對CrachFEM模型材料進行修正。結果表明：修正后的仿真結果與試驗結果一致性高，可有效預測焊點位置的失效特性。

關鍵詞：雙相鋼;斷裂特性;CrachFEM模型;整車碰撞模擬;電阻點焊

中圖分類號：TG457.11文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0062-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.13

0 前言

電阻點焊具有結構輕便、靜強度高、可靠性好和易實現自動化等優點，廣泛應用于汽車工業，是汽車金屬板材之間的主要連接形式[1-2]。如何模擬焊點，對于整車碰撞模擬尤為重要，若焊點模型處理方式不當，不但會降低碰撞模擬精度，還會導致整個模擬結果的失敗。

雙相鋼（DP鋼）作為一種先進高強鋼，廣泛應用于車身零部件，室溫組織由鐵素體和馬氏體構成。軟的鐵素體賦予雙相鋼優良的塑性，硬的馬氏體賦予其高的強度[3-6]。文中采用HC340/590DP雙相鋼板制作焊點剪切樣件，測試分析焊點母材區、熱影響區和熔核區的微觀組織和硬度，并對剪切樣件進行拉伸試驗，從而獲取焊點在拉伸過程中的斷裂特性。作為焊點模擬的基礎，需要使模擬結果與試驗焊點的失效情況基本一致，并保證碰撞模擬焊點變形的準確性。

1 試驗樣件制備及分析方法

1.1 樣件制備

選用寶山鋼鐵股份有限公司生產的HC340/590DP雙相鋼，化學成分如表1所示。試樣尺寸為150 mm×40 mm×1.5 mm（t）。

采用V177567000F型ARO機器人焊鉗（選用端面直徑6 mm的Cu-Cr圓錐平頂型電極頭）進行電阻點焊剪切試驗樣件的制備，點焊工藝參數如表2所示，樣件尺寸如圖1所示。

1.2 試驗與分析方法

將剪切試驗樣件沿點焊接頭進行線切割獲得橫截面，并對其打磨、拋光并使用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用Teneo型FEI場發射掃描電子顯微鏡觀察焊接區域及周邊母材的微觀組織形貌，采用DuraScan-50型Struers維氏硬度計進行硬度測定。采用5982型Instron拉伸試驗機測試剪切樣件的力學性能;采用LS-DYNA對焊點的斷裂特性進行仿真模擬，并與拉伸試驗機測試的試驗結果進行了對比分析。

2 試驗與模擬結果

2.1 微觀組織分析

點焊接頭截面按照微觀組織的變化情況，可分為母材區、熱影響區（HAZ）及熔核區。

母材區的微觀組織形貌如圖2所示，主要由馬氏體和鐵素體組成，作為強化相的馬氏體呈島狀彌散分布在鐵素體基體上。

熱影響區（HAZ）根據材料所達到最高溫度的不同可分為回火軟化區、不完全淬火區以及完全淬火區。由Fe-C平衡相圖可知，回火軟化區域所達到的最高溫度低于Ac1線，原始組織中的馬氏體發生分解析出碳化物形成了回火馬氏體，因此該區域的微觀組織形貌主要由回火馬氏體和鐵素體組成，如圖3所示。不完全淬火區域的溫度處于Ac1線與Ac3線之間，原始組織中的馬氏體和部分鐵素體轉變為奧氏體，在隨后的冷卻過程中奧氏體轉變為淬火馬氏體，而少量未溶的鐵素體得以保留下來從而形成了由淬火馬氏體和少量未溶鐵素體組成的微觀組織形貌，如圖4所示。完全淬火區域的溫度處于Ac3線以上，原始組織中的馬氏體和鐵素體全部轉變為奧氏體，在隨后的冷卻過程中奧氏體轉變為馬氏體，形成等軸淬火馬氏體的微觀組織形貌，如圖5所示。

熔核區的微觀組織形貌如圖6所示。由于熔核區溫度超過了基體金屬的熔點，使得該區域的材料發生熔化，同時過熱度大，奧氏體晶粒粗大，冷卻后形成了異常粗大的板條狀馬氏體。此外，熔核區沿熔核中心向外溫度不斷降低成為再次凝固結晶的驅動力，從而導致熔核區微觀組織呈明顯方向性的柱狀晶形態，如圖7所示。

2.2 顯微硬度分析

電阻點焊接頭截面硬度測試位置及硬度分布規律如圖8所示，其中母材區硬度分布均勻，顯微硬度為214～234 HV;熱影響區由于存在回火軟化區、不完全淬火區以及完全淬火區三個微觀組織各異的區域，導致硬度分布范圍非常寬，該區域顯微硬度為212～402 HV，范圍寬度約為1.5 mm;熔核區由于組織均為粗大馬氏體，導致硬度較高且分布均勻，該區域顯微硬度為357～404 HV，直徑約為6 mm。

2.3 模擬與試驗對比分析

對剪切樣件進行力學性能試驗時，樣件的夾持方式如圖9所示，夾持時在鉗口處需有等厚的墊塊，避免拉伸過程中產生偏心，拉伸速率為10 mm/min。

CrachFEM模型為用戶自定義材料模型，它采用模塊化方式描述材料的某一類物理特性，并且各模塊之間彼此獨立，可以對材料的力學性能進行自由組合，因此可以綜合考慮多階段過程的材料非線性應變路徑行為。CrachFEM失效模型主要包括正向失效、剪切失效和頸縮引起的失穩失效，適用于金屬板材受拉剪載荷的頸縮與失穩的預測[7]。

因此，文中選用基于CrachFEM韌性失效準則建立的原始HC340/590DP材料卡片作為仿真分析材料特性輸入，對電阻點焊剪切樣件的鋼板采用殼單元，焊點采用實體單元，焊點與鋼板之間進行共節點耦合，將力學性能試驗的測試參數作為仿真分析的邊界載荷條件，不考慮焊接接頭各區域硬度的變化建立仿真模型A，建模細節見圖10a;根據點焊焊接接頭各區域的硬度變化對CrachFEM模型材料進行修正建立仿真模型B，建模細節見圖10b。

拉伸試驗后的剪切樣件狀態、模型A的模擬結果狀態及模型B的模擬結果狀態分別如圖11～圖13所示。可以看出，試驗與仿真的失效形式是一致的，均沿熔核區的邊緣開始撕裂。

剪切拉伸試驗、仿真模型A以及仿真模型B模擬的力-位移對比曲線如圖14所示，最大拉剪力值及相對應位移的數據對比如表3所示。

通過最大拉剪力誤差率以及最大拉剪力對應的位移誤差率來表征仿真模擬的精度，將最大拉剪力誤差率Z定義為

通過式（1）和式（2）計算出最大拉剪力誤差率以及對應位移誤差率的數據對比如表4所示。未進行CrachFEM模型材料修正時，最大拉剪力誤差率為9.1%，對應位移誤差率為22%，而根據點焊焊接接頭各區域的硬度變化對CrachFEM模型材料進行修正后，最大拉剪力誤差率僅為0.21%，對應位移誤差率僅為1.1%，因此修正后的結果與試驗結果一致性更高，可以有效地預測焊點位置的失效特性。

3 結論

（1）HC340/590DP雙相鋼板電阻點焊焊接接頭由母材區、熱影響區及熔核區組成。母材區的微觀組織為鐵素體和馬氏體;熱影響區由回火軟化區、不完全淬火區以及完全淬火區組成，回火軟化區的微觀組織為鐵素體和回火馬氏體，不完全淬火區的微觀組織為馬氏體和少量未溶鐵素體，完全淬火區的微觀組織為等軸馬氏體;熔核區的微觀組織為粗大的板條狀馬氏體。

（2）點焊焊接接頭母材區的顯微硬度為214～234 HV;熱影響區的顯微硬度為212～402 HV，范圍寬度約為1.5 mm;熔核區顯微硬度為357～404 HV。

（3）根據點焊焊接接頭各區域的硬度變化修正CrachFEM模型材料，修正后的模擬結果與試驗結果一致性更高，可以有效預測焊點位置的失效特性。

參考文獻：

[1] 張磊，姚敢英，楊浩，等. 雙相鋼電阻點焊動態電阻規律研究[J]. 汽車工程學報，2014，4（5）：359-363.

[2] 白韶軍，王超，陳樹君，等. 熱沖壓22MnB5硼鋼中頻電阻點焊接頭組織及力學性能研究[J]. 北京工業大學學報，2013，39（5）：666-670.

[3] R Zubiadle，J M Rodriguez，J Belzunce，et al. Influence of annealing cycle parameters on final microstructure and mechanical properties of a new experimental low alloyed TRIP steel grade[C]. 2nd Super high strength international conference，October 17～22，2010，Verona.

[4] 龔濤，繆凱，王輝，等. 600 MPa級高Al冷軋雙相鋼的點焊工藝研究[J]. 電焊機，2011，41（4）：65-68.

[5] 周樂育，張丹，蔣波，等. 高強度熱軋雙相鋼分段相變行為及性能[J]. 材料熱處理學報，2014，35（4）：116-120.

[6] Ramazani A，Mukherjee K，Prahl U，et al. Modeling the effect of microstructural banding on the flow curve behaviour of dual-phase （DP） steels[J]. Computational Materials Science，2012，52（1）：46-54.

[7] 吳長鵬，謝斌，潘鋒，等. 汽車動力總成懸置的碰撞失效模擬研究[J]. 汽車工程，2019，41（1）：36-41.