電阻點焊焊接接頭拉伸剪切試驗方法研究

王 博，安洪亮，郭 梟，楊昊泉，韓大明，賈立超

哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

電阻焊是通過電極對組合后的焊件施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法[1]。其具有質量好、效率高且最有潛力實現自動化焊接等優點，廣泛應用于汽車、軌道交通、航空航天、電子等裝備制造業領域[2-3]。2018年底，由全國焊接標準化技術委員會歸口，啟動了我國電阻焊接頭基礎檢驗方法系列標準按照ISO標準體系轉化的工作，制定的系列標準由國家標準化管理委員會于2020年10月批準發布，2021年5月1日起正式實施[4]。其中由中車青島四方機車車輛股份有限公司、哈爾濱焊接研究院有限公司負責制定的GB/T 39167—2020《電阻點焊及凸焊接頭的拉伸剪切試驗方法》[5]，相較于ISO標準無技術性修改。

標準在修訂過程中發現，目前尚無針對電阻點焊拉伸剪切試驗過程中影響試驗結果的研究。本文對材料、板厚、試樣尺寸、焊點直徑、試驗溫度、試驗速率等參數進行驗證試驗，數據采集系統使用DIC（Digital Image Correlation）方法，分析試驗過程中母材與焊縫的應變分布情況[6]，得出電阻點焊拉伸剪切過程中飽和強度條件產生的原因，試驗溫度、試驗速率對整個試驗的影響。DIC技術發展于20世紀80年代初，結合了數字圖像處理技術和光學測量技術，通過識別隨機的散斑來精確匹配兩張散斑圖像，再通過相關性計算，以得到匹配點運動后的坐標，是一種非接觸測量方法[7-8]。

1 試驗方法

為了說明標準的廣泛適用性，本文選用三種材料，采用點焊機器人BOS 5000制備301不銹鋼、碳鋼、5083鋁合金電阻點焊接頭，母材材質及規格如表1所示。1～8組為本標準規定范圍內的試驗組，采用相同的材料、板厚和焊接工藝，其中第1～4組設計搭接長度相同，試樣寬度不同；第5～8組設計為試樣寬度相同，搭接長度不同，第4組為滿足飽和強度條件尺寸的標準試樣。第9、10兩組為本標準規定范圍外的非標尺寸試樣。

表1 試件材質及規格Table 1 Test Specimen material and specification

室溫下，按照GB/T39167—2020中規定的試驗方法，通過電子拉力試驗機AG-XPLUS100kN進行拉伸剪切試驗，同時連接三維全場應變測量分析系統（DIC）對整個試驗過程進行數據采集，記錄最大拉伸剪切力，采用游標卡尺測試焊點直徑。

薄板電阻點焊試樣斷裂形式多為非對稱凸臺斷裂，其端口處呈現不規則形狀，如圖1a所示。測量焊點直徑（dw）時，由于卡尺本身厚度的限制，直接測量難以保證準確性，可以垂直板面、過電極壓痕中心采用機加工進行剖切，在切面使用標尺進行測量，如圖1b所示。

圖1 非對稱凸臺斷裂Fig.1 Asymmetric plug failure

2 結果與分析

2.1 飽和強度條件研究

飽和強度條件的定義為（電阻焊）試樣在超過某一寬度和搭接長度時，焊點強度不增加的條件。為分析其產生原因對1～8組試樣進行試驗，試驗結果標準偏差如表2所示。將試驗數據用計算機擬合后，得到最大拉伸剪切力與試樣寬度和搭接長度之間的關系曲線，如圖2所示。由表2可知，最大拉伸剪切力與焊點直徑的標準偏差均較小，說明使用標準規定范圍內的試樣進行試驗可獲得穩定的試驗結果。由圖2可知，第3、4、8組試驗結果為飽和強度條件下的最大拉伸剪切力，說明使用滿足飽和強度條件尺寸的試樣進行試驗即可獲得飽和強度條件下的最大拉伸剪切力，只有在這種情況下拉伸剪切試驗檢測的才是焊點接頭性能。

表2 試驗數據平均值及標準偏差Table 2 Mean value and standard deviation of test data

使用DIC采集試驗過程數據，對接近最大力的時間點進行局部應變分析，如圖3所示。可以看出在電阻點焊拉伸剪切試驗過程中，焊點直徑的四周發生明顯的局部應變，形成了單獨的環形應變場。說明在電阻點焊拉伸剪切試驗過程中母材與焊點同時發生應變，母材部分參與了整個試驗過程。

圖2 最大拉伸剪切力與試樣尺寸的關系Fig.2 Relationship between weldstrength and test specimen size

圖3 拉伸剪切試驗三維全場應變圖Fig.3 Three-dimensional full-field strain diagram of tensile shear test

Lee等[9]通過變換加載條件得出低碳鋼電阻點焊的抗拉強度等于剪切強度的80%；崔學團等[10]確定了純剪切拉伸所測的抗拉強度值較高，正向拉伸（十字拉伸/剝離試驗等情況）測得的抗拉強度值較低，當拉伸剪切試驗過程中焊點處產生正向力的分量時，測得的最大拉伸剪切力低于實際值；代巧等人[11]通過多級載荷試驗獲得了TA2緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展規律，在此基礎上結合DIC和Irwin模型，建立了疲勞裂紋尖端循環應變場的實驗劃分方法，實現了循環塑性區、單調塑性區和彈性區的劃分。滿足飽和強度條件尺寸的試樣在拉伸過程中，四周形成的環形應變區域中的循環塑性區是完整的，可認為母材部分有充足的能力抵抗變形，焊點處所受的力沒有產生分量，測得的最大拉伸剪切力準確。不滿足飽和強度條件尺寸的試樣在拉伸過程中，循環塑性區不完整，超出了母材邊界，母材抵抗變形失效，焊點部分參與了母材部分變形的抵抗，即焊點部分產生了正向力的分量，測得的最大拉伸剪切力比實際值要低。

飽和強度條件產生的原因是在拉伸剪切過程中母材部分參與了整個拉伸過程，當試樣寬度、搭接長度足夠大時，焊點直徑四周形成完整的循環塑性區，母材邊界為彈性區，變形主要集中在母材內部，母材金屬板有充足的能力抵抗拉力的作用，焊點部分沒有產生力的分量，這時拉力才是專門針對接頭的，測得的最大拉伸剪切力才準確。電阻點焊拉伸剪切試驗過程中，當焊點直徑四周形成完整的循環塑性區即可獲得滿足飽和強度條件下的最大拉伸剪切力。因此使用DIC可以判定試驗結果是否滿足飽和強度條件。

2.2 試驗溫度、試驗速率驗證

GB/T39167—2020并未對室溫溫度進行定義。金靜靜[12]對比國內外標準通過試驗得出，一般情況下室溫試驗應在10～35℃條件下進行，對于溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應為（23±5）℃。分別采用10℃、35℃溫度條件，對第3組試樣進行試驗，試驗結果如表3、圖4所示。可知10℃、35℃試驗結果差異明顯，為避免溫度原因造成的結果差異，應嚴格要求室溫溫度，建議試驗環境溫度為（23±5）℃。

表3 不同溫度條件下的試驗結果Table 3 Test results at different temperatures

圖4 不同溫度條件下最大拉伸剪切力趨勢Fig.4 Trend of maximum tensile shear force at different temperatures

GB/T 39167—2020并未對試驗速率提出要求。試驗速率對于金屬材料抗拉強度的影響較小[13]。通過查閱相關剪切試驗標準可知GB/T 34487—2017[14]要求試驗速率不大于19mm/min、GB/T13683—1992[15]要求試驗速率不大于13 mm/min、GB/T 3355—2014[16]要求試驗速率為1～5 mm/min、GB/T 6400—2007[17]要求試驗速率不大于5 mm/min。選取3、5、10 mm/min三個節點進行速度驗證試驗，其試驗結果平均值、標準偏差及斷裂形式如表4所示，可知最大拉伸剪切力平均值、標準偏差均較小，斷裂形式統一，說明試驗速率對電阻點焊拉伸剪切試驗的影響較小。

表4 不同速率試驗結果平均值及標準偏差Table 4 Average and standard deviation of test results at different rates

3 結論

（1）對于非對稱凸臺斷裂，測量焊點直徑時可借助機加工對試樣進行處理，再通過卡尺測量。

（2）基于DIC設備獲取的應變場分析得出，當焊點直徑四周形成完整的循環塑性區即可獲得滿足飽和強度條件下的最大拉伸剪切力。因此使用DIC設備可以對試驗結果是否滿足飽和強度條件進行判定。通過對循環塑性區的深入研究可以為超出標準范圍的試樣如何獲取飽和強度條件下的最大拉伸剪切力提供依據，完善標準的使用范圍。

（3）拉伸速率對試驗結果影響較小，環境溫度對試驗結果影響較為明顯，建議試驗環境溫度為（23±5）℃。