（光学工程专业论文）301l冷轧不锈钢点焊接头疲劳断裂分析.pdf

中文摘要 摘要：冷轧3 0 l l 系列不锈钢是制造不锈钢轨道轻量客车的主材，具有冷轧硬化及 无淬硬性特点，其点焊结构的疲劳断裂行为和机理与稳态合金有很大不同，目前， 针对冷轧3 0 1 l 点焊结构疲劳行为的研究很少，与工程应用的迫切需求形成了极大 的反差。本论文基于等效应力强度因子及有限元缺口应力，以实现对点焊试件疲 劳寿命的预测评估为目标，对多种3 0 1 l 点焊接头及其多点焊结构的疲劳寿命进行 了系统分析，研究了等效应力强度因子及缺口应力与疲劳寿命分布的关系和规律。 通过对3 0 1 l 点焊疲劳断裂试件剖面、疲劳断口以及疲劳裂纹扩展路径的分析，研 究了点焊接头及多点焊试件的疲劳断裂机理和疲劳裂纹在板内的扩展规律，以及 焊接缺陷对疲劳断裂行为的影响。 研究结果显示，等效应力强度因子及缺口应力可以作为基础应力参数对不同 形式的3 0 1 l 板点焊接头进行疲劳寿命分析，分析值与试验数据体现了良好的相关 性。3 0 1 l 不锈钢点焊随着应力强度因子减小，点焊试件的平均疲劳寿命呈现相同 规律的增大趋势。应用p o o k 和s z h a i l g 提出的两种等效应力强度因子分析方法可 实现对3 0 1 l 板不同结构的点焊接头平均疲劳寿命的评估和预测。通过粗网格有限 元分析计算，得到3 0 1 l 单点焊接头以及多点焊试件在平均疲劳极限载荷作用下发 生疲劳断裂的最大缺口应力为2 3 0 2 7 0 m p a 。点焊接头板间最大应力值随着板厚增 大或熔核直径的增加而减小、疲劳载荷升高，多点焊结构中由于焊点之间的相互 作用会增加焊点前沿的缺口应力、疲劳载荷降低。 3 0 1 l 点焊接头为双面和单面穿板疲劳断裂，裂纹始于熔核外热影响区最大缺 口应力处，呈半椭球面向板厚和板宽方向扩展，断口无典型疲劳辉纹；疲劳断口 由中心平滑区和两侧脊状条纹台阶区组成，脊状台阶与疲劳裂纹垂直，其上可见 窄弧形疲劳辉纹；被焊接板平整低会导致热影响区出现折叠缺陷，增大缺口应力。 多点焊试件焊点间的作用应力会改变裂纹后期扩展路径，在加载方向焊点间无或 约束应力较小的焊点排布具有更高的疲劳载荷。 关键词：3 0 1 l 点焊；疲劳寿命分析：应力强度因子；缺口应力；疲劳断口 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：i ks e r i e so f c o l d - r o l l e d3 0 1 ls 诎l l e s ss t e e lp l a t e sa r c 也em 锄m a t e r i a l i nm a n l 血c t l 鹏o f1 i 鲥- w e i 出v e l l i c l eb o d y n l i sk 砌o fs t c e lh a sn l ec h 黜t e r i s t i c so f c o l d - r 0 1 l e dh a r d e n e da n dn o n - l l a r d e 血g ，n l ef a t i g u e 胝t u r eb e h a v i o r 姐dr n c c h a r d s mo f s p o tw e l d i n gs 臼u c t u r e 甜ev e r yd i 断c n t 仔o ms t e a d y s t a t ea l l o y a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho n 蛳g u eb e h a v i o ro fc 0 1 d - r 0 1 1 e d3 01lw c l d i l l gs 仃i 劬删i sf e w ，砌c hf o m sag r e a t c o n t r a s tt ou 玛e n te n g i l l e 矗n gn e e d s t h j sp a p e r ，b a s e do n 也es t r e s si m e n s i 够f 犯t o ra i l d 也ef i i l i t ee l e m e n tn o t c hs 臼e s s ，i no r d e rt oa c l l i e v et 1 1 ew e l d i l l gs p o ts p e c i i l l e nf a t i g u el i f e p r e d i c t i o n 硒s e s s m e n t ，h a sc o r l d u c t e das y s t e m a t i ca i 】m y s i so f 也ef 狐母l el i f e0 f3 0 1 l s p o t 伧l d i l l gj o 硫s 觚di t s 删s p o tw e l d i l 培咖c n 】r e ，s t u d i e dr e l a t i o n s h i p sa i l d p a m so fs t r e s sm e n s 埘f l a c t o r sa 1 1 dn o t c hs 仃e s sw 油僦g u el i f e w i 廿1a 砌y s i so f f a t i g u ef t u r ea i l df a t i g u ec r a c kp r 叩a g a t i o np a mo fs p o t 、v e l d i l l gf a t i g u e 丘a c t l l r ei i l t 1 1 e3 0 1 ls p e c i n l e n ，t h i sp 印e rs t u d i e df a t i g u e 劬c t u r em e c l 觚s m o f s p o tw e l d i l l g j o i m s a 1 1 dm m t i s p o tw e l d 堍s p e c i n l e na n d 也e 1 a wo f 觚g u ec r a c ke x p a n s i o ni i l 也ep l a t e ，a u s w e ua s 也ei r m u e l l c eo f w e l d i i 培d e f e c t so n 也e 僦g u e 行姗eb e h a v i o r t h es t u d yr e s u l t ss h o wt l l a t ，也ee q m v a l e ms 仃e s si m e n s i 锣f a c t o r sa n dn o t c hs 缸e s s c a nb eu s e da sm eb 嬲i so fs 仃e s sp a r a m e t e r so fd i 丘e r e n tf o m so f3 0 1 lp l a t e s p o t 、v e l d i r 培j o i r l tf a t i g u el i f ca i l a l y s i s ，a i l dt 1 1 ea i l a l y s i sv a l u e sr e n e c t sag o o dc o r r e l a t i o n 诵t 1 1 廿1 ee x p e 血n e n t a l ( 1a _ t a w i t ht 1 1 es 臼e s s i n t e n s i t yf k t o ro f301ls t a i l l l e s ss t e e l 、e l d i n gd e c r e 勰e s ，也ea v e r a g ef 矾g u el i f eo fw e l d i l l gs p o tt e s tp i e c e ss h o 丽n gt 1 1 e i 1 1 c r e a l s h l gn c n di 1 1t l l es 锄ep a n e m w i 廿lt l l ea p p l i c 撕o no ft 、) ，os 臼_ e s si 1 1 t e n s i 够f k t o r 趾a l y s i sm e t l l o dp r o p o s e db yp o o ka i l ds z h a l l g ，t l l ea v e r a g e 觚g u el i f eo f 3 0 1 lb o a r d s 劬c 眦、e l d i l l gs p o tj o 缸a s s e s s m e ma n dp r e d i c t i o nc a i lb ea u c c o m p l i s h e d t h r o u 曲 c o a r s e 鲥df 砬t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m a x 咖n o t c hs t r e s so f3 0 1 ls i n g l ea n dm u l t i s p o t w e l d i i l gs p e c 血e nf 抓g u e 盘a c t u r eu n d e r 也ea v e r a g e 僦g u el h i tl o a d sa r e2 3 0 - 2 7 0 m p a w i 也也em i d m e s so f p l a t eo rn l em l g g e td i 锄e t e ri 1 1 c r e 嬲e s ，s n e s sv a l u ei 1 1m ew e l d i l l g s p o tj o 缸b e 铆e e nt l l ep l a t ed e c r c a s e s 、t h ef a t i g u el o a di 1 1 c r e a s e s ，a 1 1 dd u et ot 1 1 e i n t e 陷c t i o nb 乩) l ，e e nt l l es o l d e ri i lm u l t i - s p o ts 咖c t u r e ，t l l en o t c hs 讹s so fn l es 0 1 d e r j o 硫 f o r e 疗o n t 、析l li n c r e 硒e ，f a t i g u el o a d sv 订l lr e d u c e 3 0 1ls p o t 、e l d i i l gj o i r 她p r o d u c e d 也et w o s i d e da n ds i n g l e s i d e d 觚g u e 盘a c t i 】r e t h ec r a c kb e g a nm 廿l e 地忆n e a rt 1 1 en u g g e tw h e r eh a s 廿l em a ) ( 妇啪n o t c hs 讹s s ，g r o w 、i ms e 血- e l l i p s o i ds h a p ei i lt l l ed i r e c t i o no ft 1 1 i c k n e s sa n dw i i i m ，a n d 廿1 ef b 屺t l l r eh 觞n o 铆) i c a l 觚g u es t r i a t i o n s ；f a t i g u e 觑舳鹏i sm a d eu po fm ec e n t e rs m 0 0 ma r e aa l l d 也e r i d g es t r i p e 蹦r sd i s t r i c t ，m es t e p so fm er i d g ea n d 廿l ef 缸i g u ec r a c ki sv e n i c a l ，m e r e a r e f a t i g u es 仃i a t i o n so nm 叮o wa r c ；也e r r e g u i a rp l a t ew i l ll e a dt 0t h eh e a t a f f e c t e dz o n e f o l 血gd e f e c t s ，硫r e 鹤吨m en o t c hs t r e s s t h es 仃e s sb 咖e e nd i 胁n tj o n s 谢u c h a l l g ee x p a n s i o np a mo fc m c k si i l 也ep l a t e ，t 1 1 es p e c i n l e n sw i t hs m a l l e r 蛐r e s si i ln l e l o a d i i 唱d c t i o nh a sal l i 曲e r 僦g u el o a d s 1 娅y w o l m s ：3 0 1 l s p o tw e l d i i l g ；觚g u el i f ea u s s e s s m e n t ；s 仃e s si 工1 t e n s 时觚o r ；n o t c h s t r e s s ；f a t i g u e 丘a c t u r e c i 。a s s n o ： 致谢 本论文的工作是在我的导师刘伟教授的悉心指导下完成的，刘伟教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在论文写作期间，刘伟老 师始终对我给予细心的指导和不懈的支持，正是这种无私的帮助与指导下，使我 取得了很大的进步，论文得以顺利的完成。求学期间，刘伟老师不仅在学业上对 我进行精心的指导，而且在思想上、生活上给了我无微不至的关怀，在此衷心感 谢刘伟老师一直以来对我的关心和指导。 本论文实验过程中，邹骅老师给予了大力的帮助，在此向邹骅老师表示衷心 的感谢。张乐乐副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此 表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，林基安、夏海涛、刘亚姣等同学对我论文中 的写作和研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学、l k 。 1 l l 1 1 选题背景及研究的意义 1 引言 经济发展对交通运输提出了更高的要求，不仅要高效、快速，更要低碳、环 保，轨道交通具有低能耗和高效率的优势，在国民经济中发挥着不可替代的作用。 铁路车辆轻量化成为必然的发展趋势。使用不锈钢做客车车辆不需要考虑腐蚀损 耗，可以选用较薄的钢板，不需要外部装饰，因而达到了车辆的轻量化。奥氏体 不锈钢轨道轻量客车不仅能大幅减重，车辆更容易保养、使用寿命更长，这使其 更具有了高性价比。 奥氏体不锈钢u 1 无磁性，有良好的焊接性能及抗蚀性能，是品种多、型号多的 一种不锈钢，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的7 0 。制造的不锈钢轨 道轻量客车的主要材料是3 0 1 l 奥氏体不锈钢冷轧系列板，以n 合金化的3 0 1 l 冷轧 奥氏体不锈钢板材不仅抗蚀性好，更是很好地满足了车辆制造所需要的全部强度 等级( 心：2 0 0 - 7 0 0 m p a ) 和优异机械性能，根据德、法等国的先期研究，它们也是 最有希望用来制造下一代轻量汽车的结构材料。此外，用奥氏体不锈钢板生产的 不锈钢车辆与其他材料的车体相比，行驶更加安全，运营成本低，并且不锈钢还 具有材料高效回收的特性。这些优点使不锈钢车在2 5 0 k m h 动车组、城铁、地铁列 车中得到广泛应运用。 3 0 l l 冷轧不锈钢系列板材采用的焊接工艺主要是电阻点焊，车体结构中的点 焊接头主要失效机制是疲劳断裂。在车辆正常的行驶过程中，车体中的点焊接头 会受到非常复杂的载荷作用，其中包含着剪切、拉伸、弯矩、扭转等，这些载荷 都会影响到点焊结构的疲劳寿命，而在整个车身上有各种连接形式的点焊接头近 万个，其中包括车体底架边梁、侧墙骨架和端墙骨架等重要结构，这些点焊结构 疲劳性能关系到整个车辆的运行安全。因此，研究在一般载荷作用下点焊结构中 的应力分布、裂纹起裂位置及扩展路径及疲劳寿命规律对分析预测各种点焊疲劳 寿命、乃至对整个车体的使用寿命评估都具有重要意义和价值，这方面的研究对 于改善和优化焊接结构设计、电阻点焊工艺、选材等也具有指导意义。 1 2 奥氏体不锈钢轨道客车材料及制造技术 1 2 1 不锈钢客车的特点及发展 2 0 世纪3 0 年代，美国制造了第一辆不锈钢客车，在美国的基础上日本于1 9 5 9 年研制成功了第一代的全不锈钢客车 2 】。世界上的不锈钢车体发展分为4 个阶段： 1 ) 部分结构采用不锈钢材料；2 ) 车底架采用碳钢材料，其他结构采用不锈钢；3 ) 所有结构都采用不锈钢：4 ) 轻量化不锈钢车【引。 我国的不锈钢客车的研发与其他发达国家相比还有很大的差距，长春轨道客 车股份有限公司最早生产不锈钢车【4 j ，其采用的材料为0 c r l8 n i 9 ，由太原钢铁公 司生产，之后开始使用3 0 1 l 系列不锈钢，1 9 9 4 年，使用进口的3 0 1 l 不锈钢，我 国生产了约3 0 辆全不锈钢车，2 0 0 3 年我国时速达到了1 0 0 h ：洫的不锈钢城轨客车 下线，该车的成功下线成为了我国城轨由碳钢车向不锈钢车转变的里程碑。 与目前应用很广泛的碳钢车相比，不锈钢车体具有更大的优势，主要体现在 以下几个方面： 1 表面不需要处理 不锈钢作为车体的外表面时，不需要对其表面进行特殊处理，而相比与不锈 钢，由于普通的碳钢车会在大气中生锈，需要在车体表面涂刷油漆等，这会增加 整个车的生产成本。同时，不锈钢外表比较美观，一些用于表面的不锈钢上会有 一些特殊的纹路，起到装饰作用。 2 大大减小车体的重量 由于不锈钢本身的自重轻，与普通碳钢车、铝合金车相比，不锈钢车体的重 量大大减小，而随着各种高强度钢应用于车体的制造中，可以使得车体结构更加 轻便，表1 1 为日本的相关的不同材料的车体的自重，从表中可以看到不管是外板 用不锈钢车还是轻量化不锈钢车，不锈钢车体不是只使用不锈钢材料，在车体中 都会用到其他钢，例如在底架等结构中，考虑到安全等因素，通常会使用一些高 强度耐候钢或者低合金结构钢，轻量化不锈钢车的自重要略大于铝合金车，但是 要远小于普通的碳钢车。1 9 9 8 年生产的东急电铁不锈钢车的车体重量为4 6 t ，已 经可以与目前重量最轻的铝合金车相媲美。 表1 1 日本不同材料制造的车体的重量( t ) t a b l e1 - 1b o d yw e i g h to f d i 妇f e r e n tm a t e r i a l si i lj a p a n 3 大大提高车体寿命 在普通的碳钢车的使用过程中，会因为腐蚀等因素对车体造成很大的破坏， 2 会需要进行多次的厂修，由于钢结构自身的特点，使得工人的工作环境非常差， 需要对已经发生腐蚀的区域进行修补，修补过程还需要将车体内其他设备拆除， 使得维修难度大幅度提高，并且为了防止腐蚀，还要对车进行进一步的涂刷。 4 良好的经济性 如图1 1 所示，与普通的碳钢车相比，不锈钢车的制造成本要高一些，但是要 远远小于铝合金车，由于不锈钢本身的特性，使得不锈钢车在使用寿命期间的维 修费用最低，综合考虑初期成本和运行成本，不锈钢车是目前最经济的车体，使 得世界很多国家都在大力研究不锈钢车【5 。 璇识不镑臻键宫金 匮亟函匦画函逦圃 图1 13 种材料客车的成本对比 f i 9 1 1t h ec o m p a f i s o no f c o s to f t h r e ek i n d so f 订a i n 5 安全性 一个车体的安全性不仅体现在在列车行驶过程中车体的稳定性，不会因为车 体本身结构的断裂等因素导致安全事故，还表现在事故发生时车体对乘客的保护 能力。事故发生时对车体的考验主要有两个方面：冲击和温度，在列车碰撞的过 程中会产生巨大的冲击力，而奥氏体不锈钢在断裂之前能通过自身的变形吸收巨 大的能量，主要原因是奥氏体不锈钢本身具有加工硬化的性能。由于车厢失火等 因素导致车内温度上升，在高温下材料的表现也会直接关系到乘客的生命安全， 试验表明奥氏体不锈钢在高温状态下也能保持很好的性能，不会因为温度的升高 而导致车门的封死。 目前，我国的轻量化客户主要使用的还是铝合金材料，但是随着对不锈钢材 料的研究越来越深入，不锈钢在各个方面的优势也越来越受到人们的重视，不锈 钢车将会成为未来车辆发展的方向，现有的不锈钢车主要是中低速行驶，原因是 不锈钢车的气密性不能满足要求，一些国家开始使用激光焊 6 】解决这个问题，相信 以后的不锈钢车也一定能够迈入高速列车的行列。 j e 哀交通太堂亟堂僮论塞互f 宣 1 2 2 不锈钢材料性能 3 0 1 l 冷轧系列板是制造不锈钢车体的车辆专用不锈钢冷轧板，其原产于日本 和欧洲，日本j i sg4 3 0 5 标准和欧洲e n l 0 0 8 8 1 标准中3 0 1 l 冷轧系列板的牌号、 化学成分和机械性能【7 】分别见表1 2 和表1 3 所示，两种标准除了品种数量、其它大 致相同。3 0 1 l 不锈钢具有亚稳态特性，不仅屈服强度高，因为塑性变形能诱导马 氏体强化相、加工硬化能力极强，与之前的不锈钢相比，减少了碳元素的含量， 并且增加了氮元素，氮元素的加入可以消除不锈钢焊接部位的晶间腐蚀。 表1 2 j i sg4 3 0 5 各强度等级3 0 1 l 冷轧板的化学成分( 呦和机械性能( m p a ) 1 a b l e l - 2c h e i i l i c a lc o m p o s i t i o n s ( 呦m dm e c h a l l i c a lp r o p e n i e s ( m p a ) o f j i sg 4 3 0 5s t e n g m 铲a d e s 3 01 lc o l dr o u e dp l i l t e 牌号 c s i h 血i p s 6 3 0 1 l i j0 0 31 0 02 0 0o 0 30 0 36 8 1 6 1 80 22 2 05 6 04 5 3 0 1 l d i t o 0 31 0 02 0 00 0 4 50 0 36 8 1 6 1 80 23 5 07 0 0 4 0 3 0 1 l s t0 0 31 0 02 0 0 0 0 4 5o 0 36 81 6 1 8 o 24 2 07 7 03 5 3 0 1 l m to 0 31 0 02 0 0o 0 4 5 0 0 36 81 6 1 80 24 9 08 4 0 2 5 3 0 1 l h to 0 31 o o 2 o o0 0 4 50 0 36 81 6 1 80 27 0 0 9 5 02 0 表1 3 e n l 0 0 8 8 1 标准个强度等级3 0 1 l 冷轧板的化学成分( ) 和机械性能q 口a ) t a b l e l 3c h 锄i c a lc o m p o s i t i o 璐( ) a i l dm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e s 口a ) o f e n l 0 0 8 8 - l 咖螬h 争a d e s 3 0 l lc o l dr o l l e dp l a i e 牌号代号 c s i m np s n ic 啪n 板材化学成分c 、n 和n i 的含量、以及冷轧变形量决定冷轧3 0 1 l 板的强度等 级以及机械性能。c 、n 和n i 是稳定奥氏体元素，含量愈低奥氏体的稳定性也愈 低；板材的冷轧变形量愈大，变形诱导马氏体相变量也愈多，加工硬化效果愈强 烈【8 ，9 1 ，相应的板材强度等级也愈高。由于冷轧变形量和马氏体转变量的不同、冷 轧板材的强度和塑性也不相同，两种标准体系都按强度等级区分牌号。我国的3 0 l l 4 车辆专用奥氏体不锈钢冷轧板材是参照日本标准研发而成的，目前，参考使用日 本j i sg4 3 0 5 冷轧不锈钢技术标准，3 0 l l 冷轧板有3 0 1 l l t 、d l t 、s t 、m t 、h t 、 5 个强度等级，最高强度等级的屈服强度高达7 0 0 m p a 以上，超过现有其它任何非 热处理的高强度板材。 1 2 3 不锈钢车体的焊接技术 自从1 9 世纪第一台电阻点焊机问世，至今电阻点焊被广泛应用于汽车、航天、 航空等很多领域。图1 2 所示为电阻点焊的原理图，通过两个电极将所需要焊接的 试件夹住，并通上电流，在电流的作用下产生热量，使得工件之间的金属融化， 形成熔核将两板连接起来，最终切断电源冷却结晶，焊接过程完成【1 0 1 。 电阻点焊有着其他焊接方法无法比拟的优势，点焊经济性好，可以很好地控 制焊接成本，焊接过程比较简单，可在较短的时间内完成，并且不需要特殊的焊 接环境，点焊通过电流将两板的金属融化，不需要准备焊丝、焊药等焊接材料， 对环境污染小，焊接过程不会产生对环境和人有害的物质，正是由于点焊具有着 如此多的优点，目前世界上的所有焊接方法中，点焊占据着很大的比例【1 l 】。 l 一阻焊电压器2 一电极 3 工件4 熔核 图1 2 电阻点焊原理图 f i g 1 2p 曲c i p l e so fs p c i t 、v e l d i r 培 1 - s o l d e r - v o l t a g ed 喇c e s 2 - e l e c 仃o d e 3 一s p e c i m e n 4 - n u 鹊e t 由于不锈钢的材料特性与其它钢有很大的区别，导致其焊接工艺与其他材料 车体的焊接工艺有所不同。奥氏体不锈钢的电阻率比碳钢高4 倍，热导率却仅有 低碳钢的1 3 ，而且，3 0 1 l 冷轧板具有很强的加工硬化特性，综合不锈钢的这些特 点，也为了最大程度地保持板材焊接结构的高强度，焊接过程中不能有太多的热 量输入，因此针对奥氏体不锈钢车体焊接技术采用低热量输入的电阻点焊【1 2 】。焊 接过程中，焊接热量输入使板材原有应变强化组织和马氏体相消失，3 0 1 l 板材及 其焊接金属都无淬硬性，如图1 3 所示，点焊接头热影响区组织为退火奥氏体，熔 核组织为少量6 铁素体和丫奥氏体【1 3 1 ，这使熔核和热影响区的硬度远远低于冷轧 ； 硬化的母材，3 0 1 l 冷轧板点焊接头在这方面的特性不同于其它碳钢和合金钢等稳 态合金的点焊接头。 援 a u s 她n i t e 2 杉撅 a f o rc d l p o st i o n s 必艺燃、y ，b e l o 一馈峨ske 。 歹。j 艺) c 惫k m a r t e n s i t e 如& 夕 e x p e 醇e d 夕么 。 么缆 k 、荔戮已杉 一 厂乏 一_ ，一 弩n e s 。 e 笛一一 - 1 懈 卜妒+ m y世：三； ；f 群 t e 481 z1 6 2 02 42 83 2 3 64 0 c h r o m i 咖e q u i - = c r + m 仃+ 1 5 c s i r 卜0 s ( n b ) 图1 3s c h m e r 图 f 。1 9 1 3s c h a e n l e rd l a g r 锄 焊点的质量受到很多因素的影响，其中包括电极压力、焊接电流、焊接时间 等工艺因素，也包括被焊板材的平整度、板形精度以及表明清洁程度。此外，焊 接过程中还存在一些不确定因素，熔核存在于两板之间，无法直接观测，只能通 过焊接表面和一些参数来判断，这使得焊点的质量存在一定的不确定性，为焊点 质量的监测带来了很大的困难，因此如何对点焊过程进行监控【1 4 】，并不断提高焊 接质量一直是电阻点焊技术领域研究的热点。 1 3 点焊疲劳研究方法及理论概述 1 3 1 点焊的结构特点和组织性能 点焊结构具有不连续性和缺口效应，由焊点连接的两板间形成外部缝隙，这 种结构将会导致严重的应力集中。如图1 4 所示，为一典型的点焊接头结构图【l 5 1 ， 点焊接头由熔核、热影响和母材三部分构成。通过电极电流加热使板材融化，板 间的熔化金属冷却形成熔核，其中d n 为熔核直径，而d e 为图1 2 中所示的电极 造成的电极压痕直径，d a 为两个板连接的区域为粘合面直径，d h a z 区域为由于 热量的输入，导致两板之间的区域组织性能发生了变化，为热影响区。由于焊接 热量输入，导致热影响区及熔核的组织发生变化，点焊结构组织具有不均匀性， 整个板材的的性能不是与母材完全一致，这就需要针对热影响区的材料进行仔细 分析，然而想得到规律性的点焊接头材料性能非常困难，因为热影响区的组织性 能很大程度上取决于焊接的工艺，而焊接工艺往往会由母材的特性及板材厚度决 定。 髭 勰 勰 佰 住 o o 一目h高je叱王0e掌n+憎艺j子oaln芎d一盖u_z 图1 4 点焊接头结构 f i g 1 4t h es n l l c t u r eo fs p o tw e l dj o i i i c s 点焊结构的疲劳断裂机制是由焊接金属特性、力学性能分布和点焊结构的特 殊性导致的应力应变分布、等因素决定的【l6 1 。焊点周围的应力分布具有奇异性、 应力集中严重，从而影响焊接金属的应变分布，并最终决定点焊结构的疲劳断裂。 与普通的碳钢点焊结构相比，虽然两者的焊接过程大体相同，不过由于材料本身 的差异使得两种材料的焊点有很大的不同，普通碳钢车上的焊点，由于热量输入 等的影响使得材料的硬度变大，而不锈钢由于热量的输入使得材料硬度与母材相 比有所减小，这就使得目前针对碳钢点焊疲劳寿命分析的理论可能会不适合不锈 钢点焊疲劳寿命分析，需要对不锈钢的点焊结构进行进一步的研究。 1 3 2 点焊疲劳强度及影响因素 由于点焊结构的缺口效应和严重的应力集中，电阻点焊结构的疲劳强度比常 见的缝焊低得多，点焊接头的脉动疲劳强度一般仅为其静载拉伸剪切强度的 1 0 1 5 ；其脉动疲劳强度与被焊板材的疲劳强度的比值约为y o 1 ，明显低于 最差的熔焊接头【l7 1 ，因此点焊接头不宜用于主要承重结构。 点焊结构的疲劳强度会受到诸如焊接工艺、点焊结构、几何参数、焊接质量、 材料性能等很多因素的影响。点焊工艺主要指的是焊接电流的大小、焊接时间的 长短、电极的压力等。焊接过程中焊接电流过大或者过小都会降低焊接质量，焊 接电流过小时，使得热量产生不足，两板之间不能够形成熔核或者熔核直径过小， 试件不能满足载荷的要求，很容易发生断裂：焊接电流过大时，由于热量过多， 会形成喷溅、压痕过深等焊接缺陷，同样不能满足使用要求。焊接时间是指电流 持续的时间，其影响与焊接电流相似。电极压力指焊接过程中，表面所加电极对 试件的压力，当压力过小时，会因电流密度过大而导致喷溅，将会改变熔核的尺 寸，并且还会对环境造成破坏；压力过大时，会使电极与两板之间的接触面积加 大，从而减小接触电阻，由电流产生热量的公式q = ，2 m 可知，电流产生的热量会 相应的减少，板间可能会出现融合不完全的缺陷，并且压力过大还会容易产生缩 孔等缺陷。 除了焊接工艺的影响外，点焊结构本身的尺寸也会对其疲劳强度产生影响， 如熔核直径，有研究表明，在一定范围内，熔核直径越大，试验得到的疲劳寿命 也越大，另外在试件的长寿命区，试件的其他尺寸，如板材的厚度、宽度等参数 也会对疲劳寿命产生很大影响，厚度和宽度的增加都会提高试件的疲劳强度。 通过使用不同强度等级的母材，也能影响试件的疲劳寿命，当试件疲劳寿命 较短时，通过提高母材的强度等级可以达到延长疲劳寿命的作用。但是对于疲劳 寿命较长的试件，该种做法效果不明显。 1 3 3 点焊疲劳性能研究方法 由于点焊结构的特点，无法通过试验直接测得试件内表面疲劳断裂起始点位 置的应力，常用的方法是采用有限元计算点焊结构的应力、应变分布，即使有限 元技术发展到今天，要精确计算和点焊接头的应力、应变分布仍然难度非常大。 首先，点焊区域的材料具有非均质性，母材、熔核和热影响区的性能不同 1 4 ， 如果精确计算就不能像目前普遍采用的只是简单地按母材金属的性能进行描述。 其次，点焊接头本身形构成了一个外裂纹，这种结构会带来几何奇异性应力集中 和相应的局部过度变形。点焊边界受弯曲和拉伸剪切的双重作用，是一个三维应 力问题，这种奇异性结构导致计算疲劳裂纹沿焊点边缘断裂力学参数的巨大障碍。 工程上通常采用近似分析方法，文献的研究结果表明，这些近似分析也是可以被 工程应用所接受的 点焊疲劳性能的研究方法大致可归纳为以下几种【l 副： 1 名义应力分析方法 通过名义应力参数作为评价结构疲劳寿命的依据，名义应力由外力与受力面 积的比值，由对结构进行受力分析可知， 员定义外部载荷除以点焊结构的截面积， 公式【1 9 】： 对于一般的拉伸剪切点焊试件，相关人 并提出了基于名义应力的疲劳寿命分析 i ；i ：c ( 1 1 ) l 么一& j 。 公式中n 为点焊试件的疲劳寿命，& 为名义应力幅值，& 为名义应力平均值， a 、b 、c 为相关的疲劳常数。 2 外部载荷分析法 p 0 1 l a r d 【2 0 等人以拉伸剪切的点焊试样为研究对象，综合考虑板材厚度、熔核 半径、载荷幅、载荷比值等参数，建立其疲劳寿命估计方程如下所示，经试验表 明，在疲劳寿命取5 1 0 3 5 1 0 6 范围内时，试验所得的疲劳寿命与公式估算的疲 劳寿命基本相符。 一f 塑翌+ 业坐1 卸= 1 2 4 5 0 0 ，一o 2 4 7 e lro 曩j ( 1 2 ) 式中p 为载荷幅度，为试件的疲劳寿命，r 为熔核半径，t 为板厚，公式 中采用英式单位，长度为英寸，力单位为磅力。 3 局部应变分析法 它是用点焊接头的局部应变幅作为力学损伤参数对试件疲劳寿命进行评估， 这种方法基于线弹性应力一应变关系，根据应力强度因子与局部应力、应变的力学 关系，用循环应变幅预测疲劳寿命，这种方法对不等厚板连接点焊接头疲劳寿命 的预测结果与试验值吻合程度优于其它预测方法【2 1 】；缺点是点焊试件疲劳过程的 应变量极小，各种干扰使获得准确应变的难度加大，限制了该方法的普及和应用。 下面是一种局部循环应变分析法，通过仪器测得板外表面热影响区附近的应 变，计算得到应变幅的变化率，并结合疲劳试验得到的循环次数，绘制应变幅变 化率疲劳寿命图来预测疲劳寿命瞄】，其中应变幅变化率计算公式为： 占，= ( 1 一占d ) 1 0 0 ( ) ( 1 3 ) 式中卯为应变幅变化率，s 为应变幅，d 为初始应变幅。针对厚度不同 的点焊试件，受到的载荷为拉伸剪切载荷，进行相关的应力应变分析，得到了对 应的疲劳寿命预测公式： n 。= o 0 1 18 ( s ) 锏9 5 ( 1 4 ) 其中g 为循环应变幅，t 为试样总的疲劳寿命。 4 局部应力分析法 局部应力法应用最广，它以局部应力作为力学参数评价点焊接头疲劳强度， 对于疲劳断裂发生在点焊缺口以外部位的试件，用结构应力作为疲劳损伤指标描 述疲劳寿命，结构应力可以用板平面膜应力与弯曲应力和扭转应力的复合应力或 最大m i s e s 等效应力代替：如果疲劳断裂发生在有板间缝隙的焊趾缺口处，则还需 要考虑增加缺口应力。点焊局部应力可以通过对点焊结构进行简单受力分析或粗 网格有限元分析获得，也可通过细网格线弹性有限元分析得到。用局部应力法预 测点焊疲劳寿命的模型有很多，都是基于疲劳试验和对点焊接头有限元应力分析 得到的，其中最具代表性的是d 喇】提出的局部应力法。 以下是一种局部应力分析法，该方法主要考虑到应力集中系数、尺寸系数等 对疲劳寿命的影响【2 4 】，应用s - n 曲线、p a r i s 裂纹扩展公式，得出结构应力疲劳寿 命公式： ， 。 忐= 彳( ) ( 1 5 ) 1 一、 式中，为裂纹扩展寿命，r 为应力比，b 为材料常数，a 为疲劳常数，趾 9 为各板应力中最大值。 5 断裂力学分析方法 断裂力学法是基于将点焊结构视为裂纹，将熔核边缘视为裂纹尖端，用等效 应力强度因子( 幅) 和j 积分作为力学参数评估点焊疲劳寿命，等效应力强度因子 可用焊点边缘局部应力通过计算获取，对于受到拉伸剪切载荷作用试件的疲劳寿 命估算，断裂力学法需分别计算结构中相应的应力强度因子、i 、i i ，并综 合考虑3 种应力强度因子，取为等效应力强度因子，得出等效应力强度因子疲劳 寿命关系为： 塍= 彳f r ( 1 6 ) 式中的继为等效应力强度因子幅度，由试验数据拟合成为相关的曲线，a 和 b 为对应的参数。 一些研究人员通过取j 积分为参数，对其疲劳寿命进行了分析，得出了相应的 疲劳寿命曲线，下式为l e e 等人得出的公式： 够= 1 0 5 _ 9 ，卸_ 5 ( 1 7 ) - j 式中以的单位为材聊2 。 目前还有另一种基于线性断裂力学的裂纹扩展方法，c 0 0 p e r 和s i n i t l l 通过使 用直流电动势差的方法来研究疲劳裂纹的扩展速率，得出的结论是低碳钢点焊的 疲劳主要是裂纹扩展。后来，c 0 0 p e r 通过假设裂纹扩展寿命占据点焊疲劳寿命的 主体部分来进行疲劳试验的寿命预测。另一方面，m c m a h o n 和l 踟代n c e 将点焊疲 劳寿命分为裂纹萌生和裂纹扩展寿命，使用应变寿命法来估计萌生寿命，使用断 裂力学参数和p 撕s 公式来估算裂纹扩展寿命【2 5 】。p a r i s 公式为： 黑= 4 ( 必) 6 2 丑i 反i d n 。 ( 1 8 ) 其中a 1 和b 为材料参数，k 为应力强度因子的幅值，假设其与裂纹长度没 有关系，其中a 为裂纹长度，n 指的是交变载荷的周次，将参数k 作为疲劳裂纹 扩展的驱动力。 将裂纹扩展分为三个不同的阶段，第一阶段是疲劳裂纹扩展缓慢区，存在着 一个疲劳裂纹扩展的门槛值如，当k 低于裂纹不扩展或扩展很慢。第二阶段 疲劳裂纹扩展遵循函数规律，即p 撕s 公式。第三阶段为快速扩展阶段，占的比例 很小。 近来有学者综合各种研究方法的优势提出了点焊结构的全寿命法，它是基于 将点焊结构视为缺口，点焊疲劳寿命由裂纹萌生与扩展寿命构成，而且裂纹萌生 阶段占疲劳全寿命的大部分比例。l 踟e n c e 的萌生、扩展全寿命估算模型比较具 有代表性，它以局部应力作为力学参数评定裂纹萌生阶段损伤、计算疲劳寿命； 1 0 以等效应力强度因子幅和p 撕s 公式预测扩展阶段疲劳寿命，两部分寿命合计为总 体疲劳寿命【2 6 1 。这种方法是局部应力法和断裂力学法的组合应用，对点焊疲劳行 为的描述更接近于实际情况，缺点是计算量和试验量很大。 1 4 点焊结构的应力强度因子 应力强度因子是表示初始裂纹构件的裂纹尖端处应力场奇异性状态的一个参 数( 几何) 理想焊点边缘处的应力是奇异性的，它类似于裂纹前沿处的情况。这 种应力奇异性一般来说是在焊点边缘上逐点变化的，但在特殊情况下也可能趋于 一致【2 7 】。焊点边缘上每一点处的应力状态可用应力强度因子、i 、( 横拉、 横剪、纵剪) 如下图： 图1 53 种应力强度因子 f i g 1 5n 鹏ek i l l d so f s 仃e s s 砬e n s 时f 犯t o r 点焊接头的疲劳强度可以用分析一般熔焊接头同样的方法，即通过分析焊点 边缘的局部应力参数( 结构应力、缺口应力和应力强度因子) 来加以评定。尽管 点焊接头与一般熔焊接头在几何方面和力流方面均不相同，两者的强度评定方法 必定存在差异而有必要区别对待，但是，对点焊接头仍可建立起结构应力与应力 强度因子之间的一般定量关系【2 引。 目前，应力强度因子已经被用于预测电阻点焊的疲劳裂纹扩展寿命，之前的 研究方法都在同一假设前提下进行，即假设裂纹最初产生的区域为熔核区，并且 裂纹的扩展方向为沿着平行于熔核的方向，然而点焊试验结果表明，疲劳裂纹扩 展方向一般都沿着板厚方向，而不是平行于熔核扩展，目前已经有研究人员针对 沿板厚方向扩展的裂纹进行研究，对试件中的应力强度因子进行估计计算。 1 5 点焊接头疲劳断裂机制 由于点焊结构本身会受到很多因素的影响，如焊接的工艺性、板材的厚度、 母材强度等等，这就使得疲劳试验后，点焊的断裂方式有所不同。 1 ) 如图1 6 a 所示，当试件中焊点的直径与板厚相比比较小，或者熔核直径没 达到标准时，其断裂方式为沿着熔核方向断裂，在工程中一般认为这种断裂方式 不安全，在设计过程中一般会取熔核直径大于板厚，以避免这种断裂的发生。 2 ) 如图1 6 b 所示，为裂纹沿着板厚方向的扩展，裂纹扩展的方式分为两种： 在母材区域向外扩展；通过热影响区扩展到表面，导致这两种断裂方式的主要原 因为不同的材料热影响区和母材的疲劳强度不同，一般认为裂纹会沿着疲劳强度 较小的区域扩展。大部分断裂属于第二种情况，即裂纹在两板之间内表面的热影 响区萌生，之后沿着板厚的方向扩展，最终扩展到板材表面后沿着板材宽度方向 裂纹扩展直至断裂。 图1 6 点焊试件疲劳断裂形式 f 蟾1 6f a t i g u e 自咖f o 册f o rs p o tw e l d i l l gs p e c i m e l l s 1 6 有限元点焊应力分析 本文中用到的有限元分析软件主要为a n s y s ，a n s y s 软件是由美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软件，它是世界范围内增长最快的c a e 软件。 对于点焊结构，由于点焊结构本身的结构上的特点以及焊点熔核及热影响区 域组织的不均匀性，使得对点焊结构进行有限元模拟一直是一个难题。 目前针对点焊结构的有限元模拟主要有两种方法【2 9 】：第一是完全用实体单元 来模拟点焊结构，即板材和熔核区域都用实体单元模拟，采用节点耦合的方法， 但是工作量会变得很大，第二种对于焊点区域用梁单元来模拟熔核区域，用壳单 元或者体单元来模拟板材，对梁单元与壳单元或体单元间加约束。由于第一种方 法模拟相当复杂，计算量很大，一般不采用第一种模拟方法，而是采用第二种计 算方法，用梁单元简化模拟熔核能较好的模拟点焊结构。 本文采