一种点焊接头与热影响区的软化特性分析及建模方法研究
本文是对论文《冲压硬化钢中点焊接头的软化相关特性分析与建模受热影响区》的分析和总结。一种冲压硬化钢（PHS）中点焊接头与热影响区（HAZ）的软化特性分析及建模方法，旨在为汽车白车身（BIW）碰撞安全模拟提供精准预测方法。
一、研究背景与意义
- 应用需求：先进高强度钢（AHSS）如Usibor® 1500，因减重、提效优势广泛用于汽车车身，电阻点焊（RSW）是其主要连接工艺（每车约4500个焊点），但点焊后HAZ会因马氏体回火出现软化，影响结构强度与碰撞安全性。
- 核心目标：建立精准的点焊及HAZ建模方法，实现载荷-位移曲线、破坏载荷的准确预测，优化焊接布局，缩短车辆开发周期、降低成本。
二、理论基础
点焊材料使用各向同性硬化塑性模型进行模拟。点焊单元的失效基于二维（2D）或三维（3D）失效面，该失效面可以是基于力或应力的。在这些模型中，当力或应力超过失效面时，点焊单元将被删除。基于力的失效面取决于焊核直径，并且应针对每个已识别的叠层制作并实施单独的材料卡。二维失效面模型主要基于剪切力和轴向力，这些力可以通过 KSII 测试测量。分别为零度和90度。所有标准焊接试验中描述的典型交叉拉伸和拉伸-剪切试验也可用于预测这些力。然而，在这些试验中，焊核周围会发生基体材料的弯曲，因此从这些试验中提取的最大载荷并非纯剪切或轴向载荷。为了解决这一问题，Lim 等人使用混合实验和逆向有限元分析（FEA）建模来预测不同加载模式下的失效载荷。公式1和公式2是该类别中使用的两种主要失效模型。其中 Fn 和 Fs 分别是试验中的轴向力和剪切力；而 fn 和 fs 是有限元模型中点焊所承受的轴向力和剪切力。其中，
和
是焊点轴向和剪切应力；
和
是应变速率相关的轴向和剪切应力极限。三维失效曲面还包括弯矩（基于力）或弯曲应力（基于应力）分量。弯矩和弯曲应力通过剪切剥离试验和逆向有限元分析（FEA）建模进行计算。AHSS 点焊的失效对弯矩更为敏感，因此捕捉弯矩与轴向和剪切载荷分量组合的影响非常重要。方程 3和方程 4 是 LS-DYNA 中使用的两种主要三维失效模型。其中 rr、rs 和 rt 分别表示轴向、环向和径向方向。Nrr、Nrs 和 Nrt 是力合力，而 NrrF、NrsF 和 NrtF 是用户指定的破坏时的力合力；Mrr、Mrs 和 Mrt 是弯矩合力，而 MrrF、MrsF 和 MrtF 是用户指定的破坏时的弯矩合力。公式 3 基于力，并由 LS-DYNA 中的 MAT_100 材料卡引用。方程（4）是一种基于应力的失效模型，其中B 是弯曲应力，并在 *MAT_100_DA 材料卡中使用。在三维基于力的材料模型（方程 3）中，所有对失效有贡献的不同载荷模式下的力都是分别输入的，而在三维基于应力的材料模型（方程 4）中，所有力都被转换为三种主要应力——剪应力、法向应力和弯曲应力。扭转作为剪应力的一部分被包含在该模型中。基于应变的失效研究主要用于接头失效，更适用于延性失效。在这些模型中，当有效塑性应变超过某一临界应变时，焊缝单元将被消除。Bier 等人使用 MAT_024 模拟代表铆接接头的六面体单元的失效，并使用受约束接触（即 *CONSTRAINED_TIE_BREAK），其中实体单元基于临界塑性应变发生失效。在整车碰撞中，点焊和热影响区处于复杂的应力/应变状态。碰撞测试中零件同时发生弯曲和拉伸，会导致软化的热影响区应变局部化，从而引发早期断裂。随后，裂纹向邻近基材扩展，导致结构完整性丧失。初步研究已经使用了在点焊试样上测量维氏硬度，以利用基材与热影响区（HAZ）硬度之间的比例系数生成热影响区的塑性数据。这些方法可能能较好地预测极限抗拉强度，但无法预测屈服起始或应变硬化情况。使用比例系数方法时，应变硬化不发生变化，屈服点的下降趋势与极限抗拉强度相似。然而，使用 Gleeble 仿真的热影响区试样研究表明，在热影响区中，轻度回火会显著降低应变硬化，而初始回火会提高屈服点且相比基材屈服点并不降低。本文将介绍用于焊点破坏和热影响区（HAZ）软化表征的实验程序。以两种厚度（1.2 mm 和 2.5mm）的均质 Usibor® 1500 堆叠为例，展示了焊点失效预测和热影响区失效的实验方法。焊点破坏通过使用与母材壳单元相连的八面体单元并结合接触卡进行模拟，同时比较了两种焊点失效模型——*MAT_100和 *MAT_100_DA。热影响区失效在 2.5 mm 和 1.2 mm Usibor® 1500 堆叠中进行了建模，适用于 KSII-90、拉伸-剪切和教练剥离加载模式。利用先进仿真和 Gleeble 热处理，为 Usibor® 1500 软化的热影响区生成了新的应力-应变曲线。结果表明，Gleeble 生成的新应力-应变曲线能够更好地预测热影响区的屈服，而 LS-DYNA 中现有的失效判据可以预测部分加载模式，但对于含弯曲破坏的情况并不完全适用。三、实验设计与方法
试验中材料使用中频直流电（MFDC）焊接，以按照FCA标准实现目标焊点尺寸。每个叠层进行了100到200次焊接。焊点经过检查，以确认未违反最小直径阈值，这反过来用于确保焊接性强健性并捕捉电极磨损的影响。对于三层叠层，测量了两个焊接界面，分别是中层与上层板之间，以及中层与下层板之间。机械表征是在不同加载模式下进行的。按照 AWS 标准进行了交叉拉伸和拉伸-剪切测试。使用车厢剥离测试来捕捉弯矩的影响。KSII 几何体在三个角度进行了测试——30、60 和 90 度，分别称为 KSII-30、KSII-60 和 KSII-90。图 1a、b、c 和 d 显示了在 MTS 拉伸机中进行车厢剥离、KSII-30、60 和 90度测试的配置。KSII-90 用于预测中的轴向载荷建模，并且由于样品是预弯的，因此基体材料围绕焊点的弯曲不会影响，否则将使焊接失效的预测模型变得复杂。拉伸-剪切和 KSII-90 样品用于建模几乎纯剪切和轴向加载模式，而 KSII-30 和 KSII-60 用于建模具有剪切和轴向力组合的加载模式。研究发现，对于预弯折的KSII 试样和搭接剥离试样，采用6.5 mm 的专属弯折半径，可适用于测试所有强度高达1500 MPa、厚度高达2.5 mm的先进高强钢（AHSS）叠层结构。对于包括Usibor® 1500在内的热冲压钢，需先对试样进行热处理，再针对不同加载模式实施弯折操作。弯折后，对试样弯折区域进行裂纹检测，结果显示所有试样均未出现裂纹。力学性能测试的位移速率设定为0.4 英寸 / 分钟，力 - 位移数据由拉伸试验机采集。测试完成后，对试样焊点的最小尺寸、最大尺寸及平均尺寸进行测量，并记录其失效模式，具体分为界面失效（IF）、部分界面失效（PIF）和冲剪失效（PF）三类。其中，界面失效与部分界面失效对应有限元分析（FEA）模型中的焊点熔核失效，而冲剪失效的发生则取决于失效的萌生机制。基于此，冲剪失效可细分为两种失效机理：- 圆片状焊点失效（RB）：失效始于缺口前端，并沿超临界热影响区（SCHAZ）扩展，该类型对应点焊熔核失效的有限元建模；
- 热影响区型圆片状焊点失效（RBH）：失效由软化的热影响区（HAZ）主导，该类型对应热影响区的有限元建模。
在点焊有限元建模过程中，首先确定目标叠层结构所需的最小焊点尺寸。但实际测试中，不同试样的焊点尺寸存在差异，且通常大于建模设定的焊点尺寸。焊点尺寸的偏差会导致失效载荷产生离散性，因此，本文最终给出的是平均力 - 位移曲线，并标注了失效载荷的上下限范围。表 1 列出了含 Usibor® 1500 的叠层结构示例。所有示例均为三层异质叠层结构，但叠层结构#1与#2被视为同质结构，原因是外侧的低碳钢带对受试试样的力学性能无显著影响。在本文后续内容中，叠层结构#1与#2将统称为同质叠层结构。各叠层结构均以第一列的编号命名，后文也将沿用该编号进行指代。表 2 列出了受试试样的最小焊点尺寸，以及试样在拉伸剪切、搭接剥离、KSII-30°、KSII-60° 和 KSII-90°所有加载模式下的焊点强度，同时还汇总了各加载模式对应的失效形式。以含 1.2 mm Usibor® 1500 的叠层结构#2、#3和#4为例进行对比：与叠层结构#2相比，采用 TRIP690 镀锌钢的叠层结构#4，其十字拉伸强度提升一倍，拉伸剪切强度基本持平，但搭接剥离强度下降 30%。上述结果表明，在汽车结构设计中，需根据零部件在碰撞测试中承受的载荷形式，合理选择叠层结构的组合方案。表 1 三层异质叠层结构，不同厚度 Usibor® 1500 示例。表 2 示例堆叠在不同加载模式下的焊接强度和失效模式MWS：测试样品中的最小焊缝尺寸，CT：横向拉伸，TS：拉剪，CP：车体剥离，FM：失效模式，IF：界面失效。PIF：部分界面失效，PF：塞孔失效，NA：不可用图 2 为所研究叠层结构的轴向力 - 剪切力关系曲线。该图的纵轴数据取自KSII-90° 测试，横轴数据取自拉伸剪切测试；图中两个内部数据点，则是通过将KSII-30° 和 60° 测试的载荷分解为纯剪切力与轴向力计算得出。如图所示，相较于其他叠层结构，叠层结构#1的失效曲面范围更大，这一现象可归因于其采用的Usibor® 1500 试样厚度更大。图 2 (b)以更高分辨率展示了除叠层结构#1之外的所有叠层结构数据。结果表明，每种叠层结构对应的二维失效曲面形态均存在差异—— 某一叠层结构可能在轴向加载模式下具备较高强度，但其剪切加载强度却可能偏低，反之亦然。上述所有数据均被用于*MAT_100和*MAT_100_DA材料卡片中指数参数的计算。图 2 测量和计算的承载能力，分为轴向力和剪切力分量，(a) 堆叠#1、2、3、4、5 和 7，(b) 除堆叠#1外的所有堆叠，高分辨率显示。本文提出了一种模拟亚临界热影响区中马氏体组织热历史与回火动力学的方法。研究针对Usibor® 1500 点焊亚临界热影响区进行仿真分析，并设计了等效热处理工艺，使试样获得与实际热影响区一致的硬度及微观组织。采用该方法制备的试样，其硬度与实际焊点的测量硬度匹配，且试样尺寸满足拉伸测试要求，可进一步获取用于CAE 建模的应力 - 应变拉伸性能参数。图 3 为 Usibor® 1500 焊点横截面的典型维氏硬度分布曲线。如图所示，热影响区出现显著的软化现象，这与马氏体组织在Ac₁温度（约 720℃）下发生最大程度回火密切相关。研究选取经 Gleeble 热模拟试验机制备的、在 Ac₁温度下达到最大软化程度的热影响区试样开展拉伸测试，提取得到应力 - 应变曲线。图 4 为本文用于热影响区壳单元建模的应力 - 应变曲线；同时，图中还绘制了母材的单轴拉伸曲线，以及经0.7 倍硬度衰减系数修正后的母材拉伸曲线。对比可见：采用 Gleeble 热模拟得到的热影响区组织，其屈服点并未出现硬度衰减系数法曲线所显示的下降趋势；而热影响区的应变硬化能力有所降低，这一特征无法通过硬度衰减系数法准确表征。- 材料与焊接：以不同厚度（1.2mm、2.5mm等）的Usibor® 1500为核心材料，设计7种三层叠层结构，采用中频直流电（MFDC）焊接，确保焊点尺寸达标并捕捉电极磨损影响。
- 加载模式测试：按AWS标准及定制方案，开展5种关键测试（拉剪、剥离、KSII-30/60/90度），覆盖纯剪切、纯轴向、剪切-轴向组合及弯曲载荷场景，获取力-位移数据与失效模式（界面失效IF、部分界面失效PIF、插销失效PF）。
- HAZ特性表征：通过Gleeble仿真模拟HAZ热历史，制备等效热处理试样，测试其应力-应变曲线，捕捉HAZ软化后的屈服行为与应变硬化特性。
四、建模方案
点焊建模的核心目标，是准确还原焊点承受的载荷环境，进而精准捕捉其在碰撞事件中复合载荷作用下的失效行为。本研究采用8 节点六面体单元焊点组件对焊点熔核进行建模，该单元形式更接近焊点的圆形物理形貌，且更适于捕捉局部变形特征。通过定义接触属性，可有效传递从金属板料至焊点熔核的载荷。此外，相较于 1 节点或 4 节点六面体单元模型，集成热影响区环带的 8 节点六面体焊点组件，能更好地模拟不同加载模式下焊点的弯曲变形。随着焊点单元节点数量的增加，焊点与板料之间的接触关系会更稳定，板料向熔核的穿透现象也可降至最低。在整车仿真中，8 节点六面体焊点组件同样是优选方案，可兼顾最小单元尺寸与模型规模的平衡。本研究借助ANSA 前处理器的连接管理器功能，完成了焊点与热影响区的建模工作。焊点熔核通过 8 节点六面体单元组件进行表征，并在 LS-DYNA 中调用*DEFINE_HEX_SPOTWELD_ASSEMBLY关键字卡片进行定义；以焊点直径表征其实际物理焊接区域，热影响区的直径则设定为焊点直径的0.35 倍。图 5 展示了热影响区、焊点熔核的结构示意图，以及在 BETA ANSA 软件中通过连接管理器创建焊点组件和热影响区环带所需的输入参数。建模时采用四边形单元主导的网格划分方案，试样的平均单元尺寸设为5 mm；前文已提及，焊点与热影响区的单元尺寸由输入的焊点直径参数确定。图 6 为经 CAE 建模的拉伸剪切、KSII-90° 和 KSII-60° 试样模型。模型中的部件 1 与部件 4 采用*MAT_RIGID（刚性材料）进行定义，部件 2 与部件 3 则设为可变形部件；同时，部件 4 被设置为固定约束。如图 6 所示，通过在部件 1 上连接一维弹簧单元的方式施加载荷，并对弹簧刚度进行校准，以此补偿测试夹具的柔性变形量。在试样上，对于点焊，研究了两种材料模型，*MAT_SPOTWELD (*MAT_100) 和 *MAT_SPOTWELD_DAIMLERCHRYSLER (*MAT_100_DA)，并结合 *DEFINE_CONNECTION_PROPERTIES 选项进行分析。对于母材和热影响区（HAZ）环，使用了 *MAT_TABULATED_JOHNSON_COOK (*MAT224)。
选择该材料模型的依据是它能够定义塑性应变与三向应力比的失效曲线，而不仅仅是单一的单轴拉伸失效。对于热影响区，使用了通过对 Gleeble 试样进行拉伸试验提取的应力-应变曲线，该试样模拟了第2节讨论的热影响区（图4）。使用 *CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE 卡定义焊点焊核节点与热影响区壳单元之间的接触。在 *CONTROL_CONTACT 卡中使用了 SPOTHIN = 0.1 和 SPOTDEL = 1。*CONTROL_CONTACT 中的所有其他参数均保持 LS-DYNA 的默认值。
小结一下本段主要内容：
- 点焊建模：采用8个六面体单元模拟焊核（贴合实际焊点形状），搭配宽度为焊点直径0.35倍的单元环表征HAZ；使用*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE定义接触，确保载荷传递精准。
- 材料模型：对比两种点焊失效模型（*MAT_100、MAT_100_DA），母材与HAZ采用MAT_TABULATED_JOHNSON_COOK（*MAT224）模型；HAZ材料数据来自Gleeble试样测试，替代传统母材缩放方法。
- 失效准则：基于三维应力（剪应力、法向应力、弯曲应力）构建失效方程（公式4），通过测试数据拟合最优指数，兼顾不同载荷模式的失效预测。
五、结果与讨论
前处理器 ANSA 具有灵活性，可以使用节点等效创建八面体点焊组件，或者在八面体焊核与连接板的壳单元之间建立绑定接触。最初，在焊核和壳之间采用了节点等效策略。观察到，当热影响区（HAZ）壳被删除时，会使焊核与模型其余部分没有任何连接，从而在整车仿真中导致不稳定。通过在焊核和壳单元之间使用 *CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE 卡，并在 *CONTROL_CONTACT 卡中使用 SPOTDEL = 1，这一问题得到了解决。这确保了一旦连接到焊核的 HAZ 壳失效，焊核组件就会被删除，从而避免模型中的不稳定。在缺乏 HAZ 材料数据的情况下，使用了 Usibor® 1500 母材应力-应变曲线的 0.7 倍比例来模拟 HAZ 和后续过程。
使用 *MAT_100 进行点焊失效的初步CAE模拟为拉剪（剪切力）、KSII-90（轴向力）和剥离载荷模式提供了合理的试样测试与CAE相关性。然而，KSII-60 和 KSII-30 发现使用 *MAT_100_DA 与测试结果的相关性更好，如图8所示（堆叠#1）。观察到 *MAT_100_DA 可以捕捉由这两个附加失效点定义的失效面，它们位于纯轴向力和纯剪切力之间。*MAT_100_DA 还具有添加焊点损伤的选项，可以在损伤阶段捕捉焊点在碰撞事件中吸收的额外能量，而不是瞬时熔核失效，这也是未来研究的一部分。图 8 *MAT_100 和 *MAT100_DA 的力-位移对比，在 (a) KSII-30, (b) KSII-60 中*MAT_100_DA 中的焊缝失效由应力失效方程定义，如第 1 节的公式 4 所示。失效曲线的剪切（τ）、法向（σN）和弯曲（σB）强度分量是根据测试数据得出的。相应的剪切（nS）、法向（n1）和弯曲（nB）指数被计算为失效方程的最优拟合解，以尽可能准确地关联所有载荷模式。*DEFINE_CONNECTION 卡中的 DETAN（点焊切线模量）选项基于钢材性能评估了两个值：180 GPa，以及基于点焊样件机械测试数据的屈服后斜率的 18 GPa。在 coach peel、KSII-90 和 KSII-60 载荷模式下没有观察到差异，然而，在拉伸剪切和 KSII-30 载荷模式下使用 18 GPa 显示出更好的相关性，因为剪切力贡献更高，如图 9 所示，对叠层#1。图 10 显示了在堆叠方案#1中考虑仅点焊失效时，采用 *MAT_100_DA 材料卡和来自 Gleeble 样品测试的热影响区应力-应变曲线的所有载荷模式的试验与CAE相关性结果。在所有载荷模式下，最大失效载荷均达到了合理的相关性。如图11所示，在堆叠#2上仅观察到与焊接失效相关的CAE相关性类似的测试。在仅针对焊缝失效达到合理相关性后，通过从测试数据中反向工程分析堆叠#2的失效，评估了热影响区（HAZ）失效。从HAZ单元中提取了每种加载模式对应试验的塑性应变失效及其相关的三轴应变值，并用提取的数据点对HAZ失效曲线进行了修改。在图12中可以看到，拉剪、搭接剥离和KSII-90加载模式显示出合理的相关性。然而，对于KSII-30和60加载模式（挠曲占主导地位），CAE结果存在过高预测。我们预计在未来的工作中，通过HAZ材料建模这一问题将得到改善。小结一下本段主要内容：
- 模型有效性：*MAT_100_DA更适配复杂载荷（如KSII-30/60度），可捕捉剪切-轴向组合载荷下的失效面，且支持焊点损伤累积模拟；Gleeble生成的HAZ应力-应变曲线能精准预测屈服行为，优于传统缩放方法。
- 参数影响：点焊切线模量（DETAN）取18GPa时，在拉剪、KSII-30度模式下相关性更优；不同叠层的二维失效面差异显著，厚度与材料组合影响焊点承载能力（如2.5mm Usibor® 1500叠层失效面更大）。
- 现存局限：含弯曲主导的载荷模式（KSII-30/60度）中，HAZ失效预测存在过高估计，需进一步优化三轴应变与塑性应变失效曲线。
六、结论与展望
核心结论：需通过5种（拉伸剪切、剥离、KSII-30、60 和 90）独特加载测试定义点焊失效曲面；8单元焊核+HAZ环建模、*MAT_100_DA模型及Gleeble表征方法，可实现整车LS-DYNA仿真中焊点失效的精准预测，已应用于焊接布局优化。未来方向：完善*MAT_100_DA的焊缝损伤能力，开发复杂载荷下HAZ的三轴应变-塑性应变失效曲线，提升弯曲主导模式的预测精度。【免责声明】本文来自笔记整理，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注 
硕士
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CAE仿真负责人
个人著作《汽车NVH一本通》
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