论文部分内容阅读
随着汽车安全技术、节能减排等环保和法规要求的不断提高,以高强钢等为代表的新型高比强度材料在车身骨架构件设计制造中应用日益普及。不等板厚的高强钢与具有良好的成型性和低成本优点的普通低碳钢有机组合的冲焊车身结构是现代车身设计基本特征。由于焊接母材材料机械性能迥异以及母材板厚几何尺寸差异等因素导致高强钢/低碳钢不等板厚电阻点焊接头较传统的同材质等板厚点焊接头在微观结构和机械性能方面更为复杂。现有的裂纹扩展方法在点焊接头裂纹扩展寿命计算时其等效应力强度因子是通过简化的焊点贴合面主裂纹应力强度因子估算所得,没有考虑点焊接头三维折线裂纹扩展特性与扩展过程的影响。本文以DP590/DC01不等板厚组合点焊接头为对象开展裂纹扩展过程对三维折线裂纹应力强度因子的影响研究并结合三维折线裂纹等效应力强度因子提出车身点焊接头裂纹疲劳扩展寿命计算方法和算法实验验证。首先通过实验研究焊点接头微观组织特征、影响因素以及对焊接头机械性能的影响,然后结合有限元分析和实验结果确定异种钢材不等板厚焊点接头裂纹萌生位置。结合焊点接头疲劳实验和焊点接头疲劳失效样件断口形貌分析,研究点焊接头疲劳裂纹萌生及扩展特征。应用有限元法研究焊点接头三维折线裂纹扩展过程的裂纹形状、裂纹深度、扩展角度等因素对折线裂纹应力强度因子的影响,并提出三维折线裂纹等效应力强度因子算法和基于三维折线裂纹等效应力强度因子分段积分算法的点焊接头裂纹扩展疲劳寿命计算方法。最后结合实验数据对比验证了疲劳寿命计算方法的合理性。本文主要研究结果及结论归纳如下:（1）异种钢不等板厚点焊接头特性及影响研究增加焊接电流和焊接时间有助于提高点焊接头最大拉伸失效载荷。焊接冷却时间是影响焊点熔合区冷却结晶组织生长和转化的重要因素,增加焊接冷却时间有助于提高焊核区微观硬度,并在一定程度上提高焊点接头抗剪切破坏能力。当冷却时间高于15cycles时,继续增加冷却时间对焊核区硬度影响的敏感度明显降低,但却降低焊接效率。焊点距离边缘的距离也是影响焊点试样承载能力的重要因素,该距离大于1.6倍焊点半径时,可以确保点焊接头最大拉伸失效载荷达到理想设计位置失效载荷的90%以上。（2）异种钢不等板厚点焊失效裂纹特征研究焊点疲劳失效本质上是裂纹于焊接热影响区附近萌生并沿板厚和焊点板厚方向扩展并导致焊点脱落失效的过程。结合典型点焊接头试样疲劳实验、试件疲劳失效断口形貌分析和有限元分析表明,DP590/DC01点焊试样热影响区附近不同材料组织结合位置是焊点的薄弱环节,在疲劳载荷作用下易于出现裂纹萌生。且裂纹首先沿板厚方向穿透DC01母材,进而沿焊点圆周扩展并导致焊点从DC01母材拔出失效,裂纹扩展路径形成的圆弧状裂纹面。（3）异种钢不等板厚点焊接头应力强度因子研究焊点接头折线裂纹的三维有限法研究结果显示裂纹深度、裂纹扩展角度和裂纹形状等因素影响折线裂纹应力强度因子。其中,焊点主裂纹应力强度因子在焊点圆周方向呈现周期性分布特征,且KI,KII明显大于KIII。焊点试样宽度方向扩展的裂纹应力强度因子K在数值上相当于沿板厚方向应力强度因子的2倍。裂纹深度达到板厚深度的30%时,折线裂纹应力强度因子相当于主裂纹应力强度因子的2倍,当裂纹扩展到板厚50%深度时,折线裂纹应力强度因子相当于主裂纹应力强度因子的4倍。随着裂纹扩展,在相同外载荷作用下,裂纹尖端应力强度因子继续明显增加。因此,裂纹扩展的尺寸效应在裂纹应力强度因子计算和应用中不能忽略。（4）异种钢不等板厚点焊接头裂纹扩展寿命预测研究结合异种钢材、不等板厚焊点裂纹扩展过程的裂纹尖端应力强度因子的特点,综合考虑裂纹形状、裂纹深度、扩展角度等因素影响,建立表征焊点裂纹扩展特性的三维折线裂纹等效应力强度因子。结合Paris公式和分段积分及线性叠加方法提出基于焊点三维折线裂纹等效应力强度因子的点焊接头裂纹扩展疲劳寿命计算方法,并通过焊点接头疲劳实验的对比验证该方法的合理性。