膠接點焊接頭拉伸聲發射信號分析及其損傷模型

趙君乾 曾 凱 刑保英 王凱偉 易金權

（昆明理工大學，機電工程學院，云南省先進裝備智能制造技術重點實驗室，昆明 650500）

0 引言

汽車輕量化是當今汽車制造業關注的熱點，而高強鋼已成為一種汽車輕量化廣泛使用的材料。膠接點焊是一種將膠接和點焊技術相結合的復合連接技術，其連接節點具有膠接和點焊的結構特征，既改善了接頭的應力集中又提升了疲勞性能，在汽車制造領域得到了廣泛的應用［1-2］。

聲發射技術是利用材料內部損傷釋放應力波這一物理效應來實現對材料的無損檢測。目前，聲發射技術在焊接領域已經得到了廣泛的應用。劉同成等［3］針對5052 鋁合金板材進行拉伸試驗，借助ARAMIS 應變測量系統和聲發射信號采集系統分析了板材拉伸過程的演變規律。張穎等［4］結合聲發射試驗與ABAQUS 有限元仿真進行Q345試件的損傷分析，發現聲發射累積撞擊計數能夠很好的反映拉伸過程的不同損傷階段。周偉等［5］研究了單搭長度對膠焊接頭損傷聲發射信號的影響，結果表明，隨著搭接長度的增加接頭的邊緣應力集中越明顯，導致聲發射信號增多，累計的撞擊計數增加。益小蘇［6］對不同黏接劑的膠接接頭進行微損傷聲發射研究，給出了微損傷的特征值，同時提出了膠接接頭的強度設計準則。DROUBI等［7］利用聲發射技術對不同焊接缺陷試樣進行檢測，發現通過聲發射特征參數的能量、峰值和均方根值能夠識別碳鋼的焊接缺陷。羅怡等［8-11］基于結構負載聲發射信號研究電阻點焊過程的熔核形核信號的時頻表征，發現聲發射信號可實現對電阻點焊熔核形核過程進行在線監測，評估焊接飛濺的主導因素及飛濺的能量當量，為研究熔滴過渡模式探索了可行途徑。HERBELOT等［12］利用聲發射事件的能量對FSW接頭拉伸過程進行了研究，發現聲發射信號能夠確定試件損傷特征。綜上所述，國內外學者已將聲發射技術應用于板材拉伸、焊接過程及損傷判定等方面，但鮮有利用聲發射技術研究膠接點焊拉伸過程以探究其斷裂過程的報道。

本文采集膠接點焊接頭拉伸過程的聲發射信號，利用小波包對信號進行分析處理得到拉伸各階段的聲發射信號時頻域特征，同時與點焊接頭和粘接接頭信號特征進行對比，對膠層失效和焊核拔出失效進行了區分，利用累計撞擊計數建立接頭的損傷模型，最后結合撞擊計數歷程圖對焊核失效部位微觀形貌進行了分析。

1 試驗

1.1 接頭制備及試驗參數的獲取

試件的材料為DP780 雙相鋼，黏接劑為環氧樹脂（DP460）。試件的尺寸為110 mm×25 mm×1.2 mm，單搭接頭試樣尺寸為25 mm×25 mm。試件及搭接尺寸如圖1所示。試件焊接前先用砂紙對焊接面進行打磨，再用酒精去除焊接面的污漬，然后將膠層均勻地涂抹于焊接面，通過夾具將膠層的厚度控制為0.2 mm。采用中頻逆變式直流點焊機對試件進行點焊，然后將試件放入恒溫箱固化24 h。

圖1 試件的尺寸及拉伸示意圖Fig.1 The size and tensile diagram of the specimen

采用MTS 電液伺服材料試驗機對三種試件進行拉剪試驗，拉伸速率設置為5 mm/min。為減小在拉伸過程中產生的附加扭矩，分別在試件的兩端粘貼規格為25 mm×25 mm×1.2 mm 的墊片。聲發射信號采集系統主要構成為PCI-2 數據采集卡、AEwin 前置放大器、R15α 聲發射傳感器、計算機、聲發射數據采集分析軟件。根據相關文獻以及預試驗結果設定峰值鑒別時間（PDT）0.2 ms、撞擊鑒別時間（HDT）0.8 ms、撞擊閉鎖時間（HLT）1 ms、采樣率頻率1 MHz，信號采集觸發門檻值80 dB。在拉伸時兩個傳感器固定于距焊核等距離處，同時傳感器與試件之間添加耦合劑以降低聲發射信號的損失。

1.2 試驗設計

采用中心組合試驗設計方法BBD（Box-Behnken Design）進行試驗設計。BBD 試驗設計方法通過選取不同的因素和不同的水平編排試驗，以多元非線性回歸方程對試驗數據擬合以達到尋優的目的［13］。本文以膠接點焊接頭的失效載荷、熔核直徑和能量吸收值為目標量，以焊接電流、焊接時間、電極壓力三因素為工藝參數建立回歸模型，如表1所示。為避免偶然誤差，每組焊接參數下進行三次膠接點焊試驗。同時采用失效模式為焊核拔出的膠接點焊試件的焊接參數作為輸入參數進行點焊試驗制備點焊試件，并制備了2組粘接試件。

表1 因素范圍及水平表Tab.1 Factor levels of welding parameters

2 結果分析

2.1 接頭聲發射信號時頻域特征

使用小波包對三種試件拉伸過程采集到的聲發射信號進行處理，采用dB4小波基進行4層分解后按頻率大小進行重構，同時對信號歸一化能量進行分析。小波包分解4 層后共有16 個頻帶，每個頻帶的帶寬是31.25 kHz，如表2所示。對于膠接點焊和點焊試件，本文只分析了失效模式為焊核拔出的接頭的聲發射信號。

表2 頻率層對應頻率分布Tab.2 The frequency distribution of the frequency bands

在拉伸過程中，膠接點焊接頭開始主要由膠層承載，膠層失效后由焊核單獨承載，點焊接頭由焊核承載，粘接接頭由膠層承載。在彈性階段接頭都沒有聲發射信號出現，這是由于在彈性階段當載荷去除后試件的變形可以恢復，因此沒有應變能的釋放，也就沒有聲發射信號的產生。隨著載荷的增加，試件產生塑性變形進入屈服階段，開始接收到聲發射信號。在屈服階段，膠焊接頭的聲發射信號頻率主要集中在218.75～250 kHz（對應第8頻率層，下同），點焊接頭的聲發射信號頻率主要集中在93.75～187.5 kHz（4～6），粘接接頭的聲發射信號頻率主要集中在125～218.75 kHz（5～7），如圖2所示。此時，膠焊接頭和粘接接頭都是由膠層承載，但二者信號頻率差異較大，這是膠焊接頭在焊接時膠層氣化破壞了膠層結構導致的。當進入強化階段時，此時試件內部晶體滑移阻塞嚴重，聲發射信號數量稀少。

圖2 三種接頭屈服階段能量分布圖Fig.2 Energy distribution diagrams of three kinds of joints at yield stage

如圖3所示，對比膠焊接頭和粘接接頭膠層失效瞬間能量分布圖可以看出二者聲發射信號在0～62.5 kHz（1～2）都具有較高的能量占比，這說明膠層失效時頻率主要集中在這一頻段，但膠接點焊在第8、9頻段也具有較高的能量占比，這是由于膠層失效瞬間焊核受到載荷作用，其內部的一部分應變能得到了釋放。

圖3 三種接頭失效時域圖及能量分布圖Fig.3 Time domain diagrams and energy distribution diagrams of three kinds of joint at the failure moment

從圖3可以看出膠焊接頭與點焊接頭二者聲發射信號在31.25～218.75 kHz（2～7）都具有較高的能量占比，而點焊接頭聲發射信號在218.75～281.25 kHz（8～9）的能量占比要高于膠焊接頭，這與膠焊接頭和粘接接頭膠層失效時的差異頻段（8～9）一致，這也印證了膠層失效時焊核受損這一說法。焊核失效時其聲發射信號頻率主要集中在31.25～281.25 kHz（2～9）。

2.2 接頭損傷模型的建立

損傷模型的建立可以評估試件的損傷狀態進而判斷試件的安全狀況。為了更好地描述試件地損傷狀態則需要引入損傷變量，損傷變量需要有明確的物理意義來反映試件微觀結構的損傷同時要便于測量和計算分析，聲發射特征參數剛好滿足要求。評定時常用損傷因子D代表材料的受損程度，用公式D=N/N0表示，N0為到達最大失效載荷時的累積撞擊計數，N為某一時刻對應載荷下的累積撞擊計數。當D=0 時表明試件無損傷，D=1 時表明試件嚴重受損。經過多次擬合發現Gaussian 函數擬合結果與試驗值更相近，因此采用Gaussian 函數對累計撞擊計數和失效載荷進行擬合，擬合公式如式（1）和式（2）所示，式中x為試件拉伸過程中所受載荷值，a、b、c為常數，與試件的受力狀態和材料有關。擬合結果如表3所示，其中Z、DH、JH分別代表粘接接頭、點焊接頭和膠焊接頭。

表3 三種接頭的Gaussian函數擬合結果Tab.3 Gaussian function fitting results of three kinds of joints

隨機選取一個模型進行驗證。由上述推導可以得出膠接點焊接頭JH1-2的損傷模型，制備試件的工藝參數和拉伸過程的試驗條件不變，計算試件不同載荷下累積撞擊計數進而得出損傷因子，試驗中對應的載荷分別是11.3 kN，12 kN，12.8 kN，13.8 kN，16.4 kN，結果如表4所示。從表中可以看出擬合的損傷因子與試驗計算的結果誤差較小，說明用累計撞擊計數建立的損傷模型能夠較好地表征試件的損傷程度。

表4 膠焊試件的損傷因子D的試驗值與擬合值Tab.4 Test values and fitting values of damage factor D of weld-bonding

2.3 焊核失效部位微觀形貌分析

圖4分別為膠焊接頭、點焊接頭的撞擊計數歷程圖和焊核失效部位斷口圖。從斷口圖中可以看出兩種接頭在焊核失效部位都存在著大量大小不一的韌窩。韌窩的形成主要是由于材料內部空洞的長大、集聚。在焊核受載初始階段，材料內部分離形成微空洞。隨著載荷的加大，晶體開始滑移，此時有少量聲發射信號發出。在載荷不斷加大并接近試件抗拉極限的過程中，大量微空洞之間的基體被撕裂從而使微空洞相連形成大的空洞，這也是韌窩形成的基礎，整個過程聲發射信號也較為豐富。當載荷達到試件抗拉極限時，此時大量空洞已經形成，此時內部晶體滑移阻塞已十分嚴重，在載荷的作用下空洞之間的基體發生頸縮，載荷到達峰值時所有空洞之間的基體在一瞬間被拉斷，形成圖中所示的韌窩狀斷口，晶體之間的大量應變能也得到了釋放，聲發射信號也最為豐富。

圖4 撞擊計數歷程圖及焊核失效部位斷口圖Fig.4 Hits history diagrams and nugget failure fracture morphologyies of two kinds of joints

從點焊撞擊計數歷程圖也可以看出，在拉伸開始一段時間后，出現了大量的撞擊計數。焊核失效時，撞擊計數值達到最大，而在拉伸開始階段以及焊核失效前基本無撞擊計數，這也與韌窩狀斷口形成過程分析一致。

3 結論

（1）拉伸過程中，在屈服階段和斷裂階段聲發射信號較為豐富，在屈服階段點焊接頭的聲發射信號頻率主要集中在93.75～187.5 kHz，膠焊接頭的聲發射信號頻率主要集中在218.75～250 kHz，粘接接頭的聲發射信號頻率主要集中在125～218.75 kHz，造成膠焊接頭和粘接接頭頻率差異的原因是膠焊接頭焊接過程膠層氣化導致膠層結構被破壞。

（2）膠層失效時其聲發射信號頻率主要集中在0～62.5 kHz，焊核拔出失效時其聲發射信號頻率主要集中在31.25～281.25 kHz，因此可以從失效時的聲發射信號頻率對膠層失效和焊核拔出失效進行區分。

（3）通過Gaussian 函數建立的累計撞擊計數和載荷損傷模型經試驗驗證誤差在10%以內，可以較好地表征試件的損傷狀態。