鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞性能研究及壽命分析

寇宏濱 王得天

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

1 前言

為了實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排，減少環(huán)境污染和能源消耗問題，汽車制造商一直尋求在保證汽車整體剛強(qiáng)度性能的前提下，通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輕量化材料使用等手段實(shí)現(xiàn)車輛整體減重。鋁合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，是一種優(yōu)良的輕合金材料[1-3]。目前，車用鋁合金板材以鋁-鎂合金（5XXX 系列）以及鋁-鎂-硅合金（6XXX 系列）為主，已被廣泛應(yīng)用于汽車車身、車門等構(gòu)件中。

車身零部件鋁合金連接的工藝有電阻點(diǎn)焊、弧焊、激光焊、拉鉚、自沖鉚接、熱熔自攻螺絲連接和結(jié)構(gòu)膠接等，其中，電阻點(diǎn)焊是車身制造中使用最廣泛的裝配連接工藝。鋁合金具有較高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，點(diǎn)焊焊接過程所需焊接電流和電極壓力分別是傳統(tǒng)鋼板點(diǎn)焊的3 倍和2 倍，導(dǎo)致電極壽命銳減，電極燒損[4-6]等問題，對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊的廣泛應(yīng)用提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

通用汽車公司的Siger 等人通過改變電極帽的形貌，降低電極磨損，提升點(diǎn)焊過程中電極帽的使用壽命[7-9]。該多環(huán)形表面電極帽能在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，有效擊穿鋁材表面的氧化膜以得到可控制的接觸電阻，從而降低了電極和鋁板接觸處的產(chǎn)熱，抑制了鋁板和銅電極的反應(yīng)，提升了電極壽命，減少了焊點(diǎn)熔核尺寸波動(dòng)、飛濺、縮孔等缺陷，保證了鋁點(diǎn)焊過程的穩(wěn)定性。由于該鋁點(diǎn)焊技術(shù)優(yōu)異的性能表現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用在我公司的白車身，白車門，前后蓋等子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造中。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)低碳鋼、高強(qiáng)鋼的焊點(diǎn)連接性能進(jìn)行了大量的研究[10-11]，對(duì)鋁合金焊點(diǎn)的強(qiáng)度、疲勞性能研究，也有一些文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)[12-14]，但對(duì)多環(huán)形紋路表面電極帽式鋁合金焊點(diǎn)的力學(xué)性能，特別是疲勞性能的研究，國內(nèi)還十分少見。

為了更好地支持車輛正向設(shè)計(jì)開發(fā)，開展了多環(huán)形紋路表面電極帽式鋁合金點(diǎn)焊接頭的拉伸—剪切疲勞性能試驗(yàn)研究，獲得了點(diǎn)焊接頭的載荷—壽命對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析討論了點(diǎn)焊接頭的疲勞破壞模式和影響因素。在此基礎(chǔ)上，基于Rupp 焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測方法，建立了鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞應(yīng)力—壽命曲線(S-N曲線)，完善了鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命預(yù)測方法，為車用鋁合金點(diǎn)焊接頭的抗疲勞設(shè)計(jì)做好了充分的準(zhǔn)備。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料與樣件

鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞試驗(yàn)選用點(diǎn)焊剪切試樣（Tensile Shear Specimen，TS）和點(diǎn)焊拉伸試樣（Coach Peel Specimen，CP），具體幾何尺寸見圖1。

試驗(yàn)樣件選擇AL-S5000 和Al-S6000 兩種鋁合金牌號(hào)作為點(diǎn)焊連接母材。結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)情況、制造工藝情況，設(shè)計(jì)鋁合金牌號(hào)及對(duì)應(yīng)的厚度組合，建立鋁合金點(diǎn)焊疲勞性能研究樣件矩陣，其中包括4 種TS 類樣件，4 種CP 類樣件，詳見表1。

鋁合金點(diǎn)焊接頭試驗(yàn)樣件由帶有GM 專利電極帽(多環(huán)形紋路表面)的焊槍加工制作，多環(huán)形紋路表面電極帽和焊接后的焊點(diǎn)外觀見圖2。

圖1 鋁合金點(diǎn)焊疲勞試樣幾何尺寸

表1 鋁合金點(diǎn)焊性能研究試驗(yàn)樣件矩陣

圖2 電極帽外觀和焊點(diǎn)外觀示意

2.2 試驗(yàn)測試

疲勞試驗(yàn)采用美國MTS 材料疲勞試驗(yàn)機(jī)。TS型試樣兩端同時(shí)使用與鋁板厚度相同的墊片，消除初始彎矩，保證夾持后外力通過焊點(diǎn)中心；CP 型試樣連接段打孔，采用螺栓將其連接到夾具上。整個(gè)試驗(yàn)過程采用載荷控制方式，施加恒幅正弦載荷，載荷比R=0.1，加載頻率20 Hz。樣件出現(xiàn)焊點(diǎn)分離時(shí)，判定為疲勞失效，以此時(shí)的循環(huán)次數(shù)記為焊點(diǎn)的疲勞失效壽命。

疲勞載荷的大小通過點(diǎn)焊樣件的靜強(qiáng)度進(jìn)行確定，比如靜強(qiáng)度的40%，60%等，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整載荷等級(jí)。每個(gè)載荷等級(jí)需5 個(gè)有效樣本點(diǎn)，最終得到完整的鋁合金點(diǎn)焊接頭的載荷-壽命關(guān)系圖。

3 鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 點(diǎn)焊接頭拉伸/剪切疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖3 所示為8 種標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)焊樣件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果（載荷F-壽命N關(guān)系圖），實(shí)心圖標(biāo)表示TS 型樣件，空心圖標(biāo)表示CP 型樣件，對(duì)于每一種母材和厚度組合，分別采用不同形狀的圖標(biāo)加以區(qū)分。

圖3 鋁合金點(diǎn)焊試樣拉伸/剪切疲勞性能

從圖3 可以看出，TS 型樣件的疲勞數(shù)據(jù)明顯高于CP 型樣件的疲勞數(shù)據(jù)，說明載荷方向?qū)︿X合金焊點(diǎn)疲勞壽命有很大的影響。

從圖3 也可以發(fā)現(xiàn)，被連接母材的厚度對(duì)鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞性能有很大影響。TS 型樣件中，樣件1 與樣件3 雖然材料牌號(hào)不同，但母材厚度組合比較相似，兩者的耐久性能實(shí)際表現(xiàn)基本一致；樣件2 的薄板厚度與樣件1 相同，厚板厚度約是樣件1 的2 倍，耐久性能優(yōu)于樣件1 和樣件3；樣件4 的薄板厚度是4 種樣件中最厚的，其耐久性能明顯高于其他3 種樣件。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在CP 型樣件間的比較中，樣件5～7 的薄板厚度均為1.0 mm，耐久性能實(shí)際表現(xiàn)基本一致；樣件8 的最薄板厚增加到2.5 mm，其耐久性能明顯高于其他3種CP 型樣件，并已落入TS 型樣件的耐久性能區(qū)間?？梢哉J(rèn)為鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞性能與被連接母材牌號(hào)關(guān)系不大，但與母材厚度強(qiáng)相關(guān)，母材越厚，鋁合金點(diǎn)焊接頭的耐久性能越好。

3.2 點(diǎn)焊接頭疲勞失效模式

鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞試驗(yàn)中主要觀測到兩種失效模式。圖4a 所示為薄板厚度1.0 mm 的TS 型和CP 型樣件的失效模式：在循環(huán)載荷下，疲勞裂紋在焊點(diǎn)熱影響區(qū)萌生，并沿薄板側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)展，最終貫穿薄板，焊點(diǎn)完整保留在厚板一側(cè)。圖4b 為薄板厚度2.5 mm 的TS 型和CP 型樣件的失效模式：疲勞裂紋在焊點(diǎn)熱影響區(qū)萌生，逐漸擴(kuò)展到焊核本體并最終貫穿焊核本體。試驗(yàn)過程中母材本體完整，無破壞。

圖4 鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞失效模式

從圖4 可以分析得出，被連接母材的厚度對(duì)點(diǎn)焊接頭的失效模式同樣有很大影響。當(dāng)母材厚度較薄時(shí)，出現(xiàn)沿焊點(diǎn)熱影響區(qū)的開裂擴(kuò)展；當(dāng)母材厚度較厚時(shí)，出現(xiàn)焊核本體的疲勞開裂破壞。

雖然2 種失效形式的宏觀表現(xiàn)不同，但從破壞機(jī)理來看，初始裂紋均萌生于焊點(diǎn)熱影響區(qū)，產(chǎn)生機(jī)理為焊接熱加工過程引起的熱影響區(qū)材質(zhì)性能突變。因此，在后續(xù)的鋁合金點(diǎn)焊接頭耐久性預(yù)測方法研究中，可以將2 種失效形式合并考慮。

4 鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞壽命分析

4.1 點(diǎn)焊接頭疲勞預(yù)測方法

點(diǎn)焊接頭疲勞壽命的分析方法一直是汽車行業(yè)從業(yè)人員研究的熱點(diǎn)，基于有限元法的Rupp 方法是目前行業(yè)內(nèi)的主流，并已集成到疲勞分析軟件nCode 中[15]。

Rupp 方法的疲勞評(píng)估基本過程如下（圖5）。

a.4 節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元模擬被連接母材，CBAR或者ACM 單元模擬焊點(diǎn)。

圖5 鋁點(diǎn)焊疲勞壽命預(yù)測流程及模型本構(gòu)示意

b.外加載荷作用下，讀取通過焊點(diǎn)單元的力和力矩，利用Rupp 方法計(jì)算出熱影響區(qū)附近的等效局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力歷程。

c.將“結(jié)構(gòu)應(yīng)力歷程”作為疲勞分析的輸入，結(jié)合專門為鋁合金點(diǎn)焊接頭構(gòu)建的應(yīng)力-壽命曲線（S-N 曲線，已考慮殘余應(yīng)力，焊接缺陷對(duì)焊點(diǎn)疲勞性能的影響），預(yù)測出焊點(diǎn)的疲勞壽命。

基于圖5 所示模型本構(gòu)的熱影響區(qū)等效局部應(yīng)力計(jì)算過程如下。

式中，F(xiàn)X,FY,FZ,MX,MY為經(jīng)過ACM 單元的力和力矩；s1為焊接母材料厚度；d為焊點(diǎn)單元直徑；θ為焊點(diǎn)平面內(nèi)角度；SFFXY，SFMXY，SFFZ，DEFXY，DEMXY，DEFZ，TEFXY，TEMXY，TEFZ為Rupp 本構(gòu)模型參數(shù)。

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于，采用簡化后的穩(wěn)定焊點(diǎn)“結(jié)構(gòu)應(yīng)力”代替復(fù)雜的，不可測準(zhǔn)的焊點(diǎn)局部高應(yīng)力。將焊接殘余應(yīng)力，焊接缺陷的影響，統(tǒng)一考慮到對(duì)應(yīng)的S/N 曲線中，簡化了焊點(diǎn)建模過程，節(jié)省了建模時(shí)間。

4.2 鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞S-N曲線構(gòu)建

在Rupp方法中，精準(zhǔn)的焊點(diǎn)S-N曲線是進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測的基礎(chǔ)?；?種鋁合金點(diǎn)焊樣件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)S-N曲線。

首先建立起CP 型和TS 型樣件的有限元模型，被連接母材為5 mm 四邊形殼單元，焊點(diǎn)建模采用ACM 單元，單元尺寸5 mm，母材和焊點(diǎn)的材料屬性均設(shè)置為線性鋁合金材料參數(shù)。在加載端施加1 kN載荷，選用Nastran Sol101求解器進(jìn)行線性靜力分析，獲得通過ACM單元的力和力矩結(jié)果（圖6）。

圖6 鋁合金點(diǎn)焊接頭的有限元模型

基于ACM 單元傳遞的力和力矩，利用Rupp 方法計(jì)算熱影響區(qū)的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力S，分別建立起對(duì)應(yīng)8 種試驗(yàn)樣件的外加載荷F 與等效應(yīng)力S之間的比例關(guān)系（表2），進(jìn)而將焊點(diǎn)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果（載荷F-壽命N關(guān)系圖）轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的鋁合金點(diǎn)焊熱影響區(qū)疲勞應(yīng)力S-壽命N關(guān)系圖。

表2 鋁合金焊點(diǎn)外加載荷與等效應(yīng)力關(guān)系對(duì)照表

轉(zhuǎn)換后得到的應(yīng)力S-壽命N關(guān)系圖如圖7 所示，除樣件8 外，其余樣件的結(jié)果都分布在一條狹窄的帶狀區(qū)域內(nèi)。對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)數(shù)參數(shù)擬合，可以得到2 條S-N曲線，分別對(duì)應(yīng)樣件1～7 和樣件8。通過這2 條S-N曲線，可以對(duì)不同材料厚度的鋁合金點(diǎn)焊接頭進(jìn)行拉伸和剪切載荷下的疲勞壽命預(yù)測分析。

圖7 鋁合金點(diǎn)焊接頭S-N曲線

為驗(yàn)證圖7 中2 條S-N曲線的有效性，采用Rupp方法對(duì)樣件1～樣件8的所有樣件級(jí)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測分析，并與實(shí)際臺(tái)架疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖8）。從圖中可以看出，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于1/3～3倍的疲勞預(yù)測精度可接受區(qū)間內(nèi)，可用于后續(xù)指導(dǎo)鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞預(yù)測分析。

圖8 樣件級(jí)焊點(diǎn)耐久性預(yù)測結(jié)果對(duì)比

5 總結(jié)

a.通過物理疲勞試驗(yàn)，獲得了不同厚度、材質(zhì)組合下的鋁合金點(diǎn)焊接頭分別在拉伸/剪切載荷下的載荷F-壽命N關(guān)系圖。

b.分析總結(jié)了載荷方向，母材強(qiáng)度、厚度等因素對(duì)鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞耐久性能和疲勞失效破壞模式影響的一般規(guī)律。

c.依托Rupp 方法，對(duì)鋁合金點(diǎn)焊接頭進(jìn)行有限元建模和分析，將樣件級(jí)物理疲勞試驗(yàn)結(jié)果（載荷F-壽命N關(guān)系圖）轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)熱影響區(qū)疲勞應(yīng)力S-壽命N關(guān)系圖，并進(jìn)行參數(shù)擬合，提出了評(píng)價(jià)鋁合金點(diǎn)焊接頭疲勞壽命的2 條S-N曲線。采用新建的S-N曲線進(jìn)行樣件級(jí)鋁焊點(diǎn)壽命預(yù)測，經(jīng)與物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了該方法具有較好的疲勞壽命預(yù)測精度，可用于指導(dǎo)鋁合金點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命預(yù)測分析。