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高强度钢点焊断裂的有限元模型预测
摘要：目前，已经形成了一种应用于模拟十字拉伸点焊行为的有限元模型。这个模型可以用于接合面处的半脆性断裂与焊缝边界的延性断裂之间的比较。由于这一目的，除了在接合面粘合区域和在凹口尖端处的米积分的评估，在不同的焊接区域中将考虑延性破坏和断裂。该模型适用于TRIP780钢制成的不同配置。它在裂缝开始时再现适当的载荷水平，并且根据裂缝的几何形状导致最终断裂的控制损坏机理。
关键词：电阻点焊；十字拉伸；有限元模型 ；破坏；断裂
1.介绍
在汽车应用方面，先进高强度钢在过去的几十年一直是激烈研究和开发的焦点。他们在白体中的引入可以减轻它们的总量，并改善他们在碰撞条件下的行为。尽管如此，AHSS的焊接性能一直是一个重要的议题，因为汽车通常包括数千个焊点。因此，白体的行为机制不仅仅取决于薄板的机械性能，而且取决于接头强度。因此，对后者的评估在汽车工业中非常重要。
图1.交叉拉伸和拉伸剪切试验示意图[4]
与传统的低碳钢相比，AHSS点焊容易在焊接熔核中产生复杂的断裂路径。这可以产生所谓的部分或全部断裂模式（PIF或FIF），而不是通常的焊核剥离（BP）。并且可以在准静态十字拉伸或拉伸剪切的测试期间观察到（图1），这种情况通常用于确定其可焊性[1–3]。因此，试图模拟点焊行为及其承载能力时，了解导致各种故障类型的机制非常重要。
在已知情况下，焊接组件的几何特征会影响点焊的机械性能[5–9]。除了在焊接过程以及焊接区域中发生的加载模式和冶金转变有关的因素之外，这些几何参数包括相对于板材厚度的焊接尺寸，以及特定宽度，缺口尖端的尖锐程度，机器夹具之间的距离等。
在低碳钢或HSLA点焊受到正常载荷的情况下，曾经观察到熔核边界处的延性破坏[10,11]具有较高合金化水平的钢在这种加载模式下会出现脆性（部分）界面破坏[4,6,12,13]。受到剪切载荷的大点焊接由于基座中的应变局部化而显示出失效。
靠近焊缝的金属（BM）[10,11,14–17] 以及较小的那些会在剪切的断裂表面处在接合面上失效[14,18–21]。
作者总结了在一系列高强度钢和先进高强度钢的十字拉伸测试过程中发生的焊接破坏区和损坏过程[7,9]。这些研究基于耦合X射线的显微断层照相，金相和断层分析。结果如图2所示。
图2. AHSS电阻点焊的十字拉伸测试中的失效区和损坏机理[9]
区域1是靠近焊缝的BM /亚临界热影响区（BM / SCHAZ），其中由于与硬质贝氏体—马氏体相邻区域相比，其低屈服强度在测试期间可能发生应变局部化。1区的断裂将导致BP断裂模式。区域2位于裂纹尖端附近，通常位于粗粒HAZ（CGHAZ）和焊接熔核之间，可以观察到通过韧性剪切引起的焊核拉出。区域3位于焊接熔核中，从凹口尖端开始，可能发生PIF或FIF。十字拉伸的界面失效由切口尖端的模式1打开触发，可能导致（半）脆性断裂。
点焊的最终失效类型和承载能力是由这些主要失效机制之间的比较引起的。其中一些可能同时发生，产生各种各样的点焊断裂外形，比如美国焊接协会的详细说明[22]。
基于对点焊断裂的这种理解，可以采用不同的方法来模拟给定加载模式下的承载能力：已经使用统计分析或数据挖掘方法根据焊接条件和板材特性来预测焊接强度，例如（根据厚度，机械性能，化学成分等）[12,23–26]。另一种方法是尝试开发基于材料基本特性（拉伸强度，断裂韧性）的分析模型，并假设焊缝内部和周围的应力分布简化。这包括极限载荷分析（在十字拉伸中）[27–29]，拉伸剪切[11,28–30] 或合并[11,31,32]以及尝试使用线弹性断裂力学（LEFM）的概念[27,33,34]。然而，LEFM的有效性对于预测点焊过载失效是存在问题的，因为焊接行为可能是非线性的。最后，有限元（FE）方法是在存在大变形时捕获非线性焊接响应的有效方法，以及潜在破坏区域附近的详细应力—变形状态。在这种情况下存在的挑战在于充分描述从BM到焊接熔核的机械性能梯度。在没有局部HAZ组成行为的情况下，大多数作者会根据硬度分布的演变来缩放BM响应[35–38]。然后使用不同的方法来模拟FE模拟中的损伤和破裂。这些包括了断裂应变失效标准[39,37]，Gurson型韧性损伤模型[35,36] 可能与合并标准相结合[38,40–43]，在潜在的破坏区域引入粘性区域[7,44–47] 或使用批判性的“解理”压力[48]。使用这些损伤模型的一个主要困难在于需要识别出众多模型参数的“有意义”组合（添加时必须考虑用于描述不同焊缝HAZ的本构行为的多样性） ，无需针对特定测试条件采用广泛的装配程序。
在目前的工作中，已经提出了电阻点焊机械性能的有限元模型。这一模型的获得基于作者在焊接行为和依赖于HAZ的本构行为[7,8]的洞察力上[7,9] 。通过评估接合面处的缺口尖端的半脆性断裂与焊接HAZ中的延性破坏之间的比较来建立该模型。关于脆性界面的破裂，这里研究了两种方法，即缺口尖端处的Rice积分（J）的有限应变估计和粘合区的引入。此外，在用于评估不同焊缝HAZ中的韧性断裂的模型中考虑了韧性损伤和破坏。本研究重点关注TRIP780钢，而该模型已用于其他先进高强度钢的其他地方[7,9]。针对不同十字拉伸试样的均匀和非均匀的几何构型讨论了模型预测的相关性。
2.模型
2.1点焊模型和本构行为
焊接机械响应的有限应变模拟需要适当的描述焊缝中的局部HAZ本构行为。如上所述，这不是一项容易的任务，因为焊接区域的离散化和获得的本构行为的方式都是值得商榷的。
这项工作的使用的焊接模型是图3描述的。焊接区域的划分如图3（a）所示，其中不同构型的焊缝尺寸是从金相截面获得的[7] 并列在表格1。假设焊接熔核和CGHAZ表现出类似的贝氏体/马氏体流动性质。这种对焊缝非均匀性的简化描述是焊接HAZ（每100°C）精细离散化的可靠且经济有效的替代方案，并且用于计算潜在破坏区域附近的应变场[7]。
图3.十字拉伸模型
表1. 模拟焊接结构（尺寸单位：mm）
通过电阻点焊热循环的Gleeble模拟实验获得焊缝中的局部机械性能，以再现不同的HAZ微结构。然后在室温下测试获得的样品的张力。该过程在参考文献中描述[7,8] 并给出了热循环的概述表2。对于本研究中调查的TRIP780钢的焊接区域中流动应力的演变如下图4所示。Swift-Voce法则[49] 的鉴别是为了将拉伸曲线外推至大应变域，并与经典J2 各向同性一起用于描述塑性屈服轨迹：
其中和分别是Cauchy应力和真对数塑性应变，K，和是Swift定律的参数，，和m是Voce定律的参数，是拟合常数以满足Considegrave;re标准。这些参数可以在表3中找到。
表2.再生HAZ微结构的Gleeble模拟热循环中的峰值温度和冷却速率（Cr）
图4. TRIP780钢及其热影响区的组成行为。
表3.TRIP780钢微观结构的Swift-Voce定律的参数。
具有Abaqus C3D8R元件的典型焊接区域的网格划分[50] 如图3b所示，在熔核和缺口尖端附近的网格尺寸为0.09 mm。已经确定此元素类型和网格细化 [7]，作为计算成本和准确性之间的良好折中。Cross Tension试样的四分之一模型如图 3c所示。S4R shell元素[50] 用于将负载从机器夹具传递到焊接区域，这是降低模拟计算成本而不改变组件响应的有效方法[7]。
本研究考虑了板材厚度的均匀和非均匀组件（表格1)。十字拉伸试样的配置如下图5所示，其中Sheet 1和Sheet 2都是1.0 mm或者在均质情况下的1.5mm厚度，而片1和2分别是1.0mm和2.0mm厚是属于异质情况。
图5.交叉拉伸试样
2.2断裂准则
2.2.1缺口尖端的J积分评估
J积分是一种被广泛接受的准静态断裂力学参数，它将应力强度因子的概念扩展到不再满足小规模屈服条件的情况。在非弹性材料的过载分析期间尤其如此，例如电阻点焊的准静态十字拉伸负载。
继安德森[51] 和李和崔[35] 之后，断裂参数J具有作为能量释放率和裂纹尖端应力场的强度的双重含义。作为能量释放率，它假设均质材料中的先进裂缝在与初始裂缝在相同的方向上传播。作为裂纹尖端应力场的强度，无论裂纹扩展方向和断裂位置如何，熔核边界处的J都可以解释为局部材料损伤的量度。这两种含义在电阻点焊中的界面断裂的情况下是相关的，其中在熔核边界处的凹口尖端充当外部裂缝。
在这项工作中，Abaqus实现的虚拟裂纹扩展/域积分方法评估了十字拉伸中沿缺口尖端的J积分[50,52,53]:
其中是沿着裂纹前沿的位置s处的断裂平面中的虚拟裂纹前进的，dA是沿着包围裂纹尖端的消失的小管状表面的表面元素，n是dA的向外法线，q是虚拟的方向的裂纹扩展，是局部位移的空间导数，I是单位矩阵，：d是应变。
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它考虑了从0°（板1的装载方向，图5）到90°（片材2的加载方向）。本文作者检验了网格和元素类型与本模型的收敛性[7]。在这种情况下，通过简化的焊接区域划分确保了J积分的路径独立性（图3a），保证了沿不同轮廓的均质材料。考虑到几何形状的问题，在接合表面处具有作为裂缝终止的无限切口，在裂纹尖端处有着应力的三轴性，并且J积分可用于评估裂纹扩展的起始，高于临界水平。
2.2.2在接合面上的粘性区模型
用于模拟裂纹起始和传播的互补建模工具是沿着预期裂缝路径引入粘性元素，即在试样的接合表面处。凝聚区模型[47,54,55] 允许在峰值强度和去粘能量方面描述界面处的去粘附。这对于我们想要在界面处的焊接熔核中模拟半脆性裂纹传播的工作中特别有用[7,9]。Abaqus COH3D8元素[50] （在这个研究中大约0.045毫米）使用了双线性模式，独立的组成行为如图6所示。由于Camanho和Daacute;vila，在Abaqus中实施的内聚模型借用了描述[56]。牵引力开度曲线在最大牵引力达到临界位移跳跃时导致线性衰减。这对应于损坏过程来说,在正常模式下，考虑（未损坏的）牵引或压缩的线性响应。在切向模式中，使用具有原点的中心对称性。当正常模式或切向模式达到临界值时，观察到局部裂纹成核失败（模式独立）。
b
图6.在接合面处的双线性模式I内聚区模型
在研究十字拉伸这一情况下，模式1正常载荷在接合面的载荷中呈现主导。因此，切向内聚参数（为简单起见，假设与正常内容相同）对故障过程没有影响。
断裂行为的特征在于能量散逸，即中曲线的面积并且显然是和的函数。它可以分解为其弹性和内聚贡献，而前者通常通过调节内聚刚度Kcz保持的一小部分。
b
2.2.3韧性断裂
除了焊接熔核中的半脆性失效（通常是不希望的失效类型）之外，在这一使用条件下的电阻点焊通常会因所谓的“焊点拉拔”而失效，这种“拉拔”表现出韧性断裂表面，无论是在BM / SCHAZ中还是在金属外围[7,9]。
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资料编号：[972]
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