劉思源，王 朗，孔 諒，王 敏，吳嘉元

（1.上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240；2.上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240；3.上海翼銳汽車科技有限公司，上海201805）

先進高強鋼電阻點焊接頭斷裂模式的研究進展

劉思源1，2，王 朗3，孔 諒1，2，王 敏1，2，吳嘉元3

（1.上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240；2.上海交通大學材料科學與工程學院，上海200240；3.上海翼銳汽車科技有限公司，上海201805）

隨著汽車輕量化的發(fā)展趨勢，先進高強鋼（Advanced high strength steels，AHSS）在汽車結(jié)構(gòu)中的應用逐漸增加，因此研究AHSS電阻點焊接頭具有重要意義。重點關注AHSS點焊接頭的斷裂模式問題，綜述近年來國內(nèi)外關于同種材料兩層板斷裂模式、異種材料兩層板斷裂模式、三層板斷裂模式、斷裂模式的數(shù)值模擬以及界面斷裂抑制方法等方面的研究進展，提出AHSS點焊接頭的斷裂模式及機制研究中有待解決的問題，展望未來關于AHSS點焊接頭的斷裂模式的研究熱點和方向。

電阻點焊；先進高強鋼；斷裂模式

0 前言

隨著全球能源危機和環(huán)境污染的加劇，通過提高先進高強鋼（Advanced high strength steels，AHSS）在汽車結(jié)構(gòu)中的使用比例以達到汽車輕量化的目的，逐漸成為汽車工業(yè)未來的發(fā)展趨勢。電阻點焊因具有焊接質(zhì)量好、焊接速度快、易于自動化等優(yōu)點，近幾十年來在汽車工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導地位。然而，相較于傳統(tǒng)的低碳鋼點焊接頭，AHSS電阻點焊接頭具有微觀組織復雜、易發(fā)生飛濺、易發(fā)生界面斷裂、易產(chǎn)生熔核偏移和熔核不對稱等特點，使得其研究較為復雜。如何獲得性能穩(wěn)定優(yōu)異的AHSS電阻點焊接頭是目前汽車工業(yè)中亟待解決的問題之一。

AHSS電阻點焊的重要特點之一是接頭易發(fā)生界面斷裂[1]，故重點研究其斷裂機制。不同的斷裂機制會影響點焊接頭的力學性能，也會改變接頭的斷裂位置，對點焊接頭質(zhì)量影響很大。一般發(fā)生拔出斷裂的點焊接頭在受力過程中具有更大的塑性變形和更高的能量吸收率，其力學性能優(yōu)于發(fā)生界面斷裂的點焊接頭，在工業(yè)生產(chǎn)中更傾向于獲得拔出斷裂模式的點焊接頭[2]。

因此，如何選擇電阻點焊中的焊接電流、焊接時間、板材厚度、材料搭配等參數(shù)，以避免AHSS點焊接頭產(chǎn)生界面斷裂，保證獲得拔出斷裂對于實際工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。在此歸納總結(jié)AHSS同種材料兩層板斷裂模式、異種材料兩層板斷裂模式、三層板斷裂模式、斷裂模式的數(shù)值模擬以及界面斷裂的抑制方法等方面的研究，在對國內(nèi)外已有的研究現(xiàn)狀和存在問題進行相應分析的基礎上，提出AHSS點焊接頭的斷裂模式及機制研究中待解決的問題，并展望其發(fā)展趨勢。

1 同種材料兩層板點焊接頭斷裂模式

1.1 AHSS斷裂模式的分類

Pouranvari提出點焊接頭在拉剪載荷下存在三種斷裂模式[1-2]，如圖1所示。

（1）界面斷裂（Interfacial failure，IF）。斷裂路徑沿熔核中心擴展，如圖1a所示。

（2）拔出斷裂（Pull-out failure，PF）。斷裂通常發(fā)生在一側(cè)板的母材（BM）或熱影響區(qū)（HAZ）中，然后沿熔核周圍擴展，如圖1b所示。

（3）混合斷裂，又稱部分界面斷裂（Partial interfacial failure，PIF）。斷裂沿熔核擴展，但在擴展過程中斷裂路徑轉(zhuǎn)變到厚度方向，如圖1c所示。

1.2 AHSS斷裂模式的內(nèi)在機制

電阻點焊存在不同斷裂模式的根本原因是點焊接頭在拉剪載荷下存在受力狀態(tài)間的競爭關系。點焊接頭在拉剪載荷下，熔核內(nèi)部主要受剪應力，而熔核周圍受拉應力，如圖2所示。其中，界面斷裂（IF）的驅(qū)動力是兩板間的剪應力τ，拔出斷裂（PF）模式的驅(qū)動力是熔核周圍的拉應力σ。剪應力和拉應力在受力過程中是競爭機制，并且兩種驅(qū)動力都有一個臨界值，在驅(qū)動力到達相應臨界值后會發(fā)生斷裂。

圖1 斷裂模式示意Fig.1 Schematic of failure modes

圖2 受力狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic of stress conditions

對于界面斷裂IF，需要考慮位于熔核中心處的氣孔、縮孔缺陷等對接頭受力的影響[3]，當受力狀態(tài)到達臨界值有

式中D為熔核直徑；τFZ為熔核的剪切強度；P為氣孔和縮孔的百分比。

對于拔出斷裂PF，當受力狀態(tài)達到臨界值時有

式中D為熔核直徑；σPFL為熔核發(fā)生拔出斷裂區(qū)域的拉伸強度；t為板厚。

在拉剪載荷下，隨著載荷的增加，點焊接頭斷裂模式的內(nèi)在機制是競爭機制。

（1）當FPF＞FIF時，即剪應力先于拉應力到達臨界值，則熔核中心產(chǎn)生剪切變形最終發(fā)生IF。

（2）當FPF＜FIF時，即拉應力先于剪應力到達臨界值，則母材或熱影響區(qū)產(chǎn)生頸縮最終發(fā)生PF。

（3）少數(shù)特殊情況下，剪應力先到達臨界值，即FPF＞FIF，但是發(fā)生IF后，熔核中心的剪切變形使得接頭的受力狀態(tài)發(fā)生改變，降低了拉應力的臨界值FPF，使得FPF＜FIF，導致斷裂模式改變?yōu)镻F，這種斷裂模式即為PIF。

1.3 AHSS斷裂模式的影響因素

聯(lián)立式（1）、式（2）可得

直接測量接頭不同區(qū)域材料的強度較為困難，但是在鋼鐵中硬度與強度有正相關關系，因而有

式中t為板厚；p為氣孔和縮孔的百分比；f為常數(shù)取為0.5；HPFL和HFZ分別是發(fā)生拔出斷裂區(qū)域和熔核區(qū)域的硬度。Dc為臨界熔核尺寸，即斷裂模式由界面斷裂轉(zhuǎn)變到拔出斷裂時對應的熔核尺寸，當熔核尺寸小于Dc時，斷裂模式為IF；當熔核尺寸大于Dc時，斷裂模式為PF，如圖3所示。

圖3 斷裂模式轉(zhuǎn)變示意Fig.3 Schematic of stress conditions and transitions of failure modes

由式（4）中可知，在拉剪載荷下點焊接頭斷裂模式的主要影響因素如下：

（1）熔核尺寸。熔核尺寸是影響斷裂模式的最主要因素，載荷不變的條件下熔核尺寸越大，熔核在界面處受到的剪應力越小，發(fā)生界面斷裂的傾向越小。

（2）熔核中的氣孔和縮孔。氣孔和縮孔的存在會降低熔核在界面處的有效承載面積，增大界面處的剪應力，從而增大界面斷裂傾向。

（3）材料的微觀組織和化學成分。材料的微觀組織和化學成分對硬度有重要影響，因此也會影響斷裂模式。先進高強鋼中碳當量較高，BM和HAZ的硬度較大，因此HPFL/HFZ較大，導致先進高強鋼發(fā)生界面斷裂的傾向更高。

（4）板厚。通常板厚越大，需要發(fā)生拔出斷裂的臨界熔核尺寸就越大，增大了界面斷裂傾向；但是板厚增大后，也會降低凝固時的冷卻速度，從而降低熔核區(qū)域的硬度，抑制界面斷裂，因此板厚對斷裂模式的影響較為復雜。

在同種材料兩層板點焊接頭中，斷裂模式可以分為界面斷裂IF、拔出斷裂PF和混合斷裂PIF三類；不同斷裂模式的內(nèi)在機制是熔核內(nèi)部剪應力和熔核周圍拉應力之間的競爭關系；熔核尺寸、熔核中氣孔縮孔等缺陷、微觀組織和板厚是影響斷裂模式的主要因素。

2 異種材料兩層板點焊接頭斷裂模式

AHSS異種材料兩層板的斷裂模式分類、內(nèi)在機制和影響因素等與同種材料兩層板類似，但是存在一定差異。

2.1 碳當量對界面斷裂傾向的影響

M.Pouranvari[4]研究了拉剪載荷（TS）條件下的DP600雙相鋼和低碳鋼的電阻點焊接頭斷裂模式及其機制，發(fā)現(xiàn)在TS加載條件下，產(chǎn)生界面斷裂的趨勢按以下順序增大：DP600/LCS，LCS/LCS，DP600/ DP600，如圖4所示。熔核硬度和接頭強度為決定因素，但未發(fā)現(xiàn)碳當量的變化對斷裂模式的影響。M.Pouranvari[5]研究低合金高強鋼和低碳鋼兩層板電阻點焊接頭拉剪載荷下斷裂模式的轉(zhuǎn)變行為，發(fā)現(xiàn)發(fā)生界面斷裂的傾向由小到大依次為HSLA/ LCS，LCS/LCS，HSLA/HSLA。

Safanama[6]研究了馬氏體AHSSM130和低碳鋼LCS異種材料電阻點焊接頭拉剪載荷下的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)M130/M130，LCS/LCS，M130/LCS三種組合中，M130/LCS的接頭組合發(fā)生界面斷裂的傾向最小。

2.2 PT-PP斷裂模式

圖4 拉剪試驗下熔核尺寸和最大載荷關系Fig.4 Relations between the fusion zone size and the peak load in the tensile-shear tests

M.Pouranvari[7-8]研究了雙相鋼DP600和低碳鋼AISI 1008點焊接頭的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)當發(fā)生飛濺后拉剪載荷下接頭會發(fā)生新的斷裂模式。這種斷裂模式的特征是斷裂路徑并未沿熔核界面擴展而是直接沿熔核厚度方向斜向擴展，最后發(fā)生拔出斷裂，即部分厚度-部分拔出斷裂（partial thickness-partial pullout failure，PT-PP），如圖5所示。

圖5 部分厚度-部分拔出斷裂示意及斷口表面Fig.5 Typical schematic and fracture surface failure mode of dissimilar DP600/LCS welds

PT-PP斷裂模式中，盡管點焊接頭的熔核尺寸較大，但最大載荷和能量吸收率都顯著下降，如圖6所示。發(fā)生PT-PP斷裂是因為飛濺后電極壓痕深度大大增加，造成熔核邊緣處產(chǎn)生很大的應力集中，應力集中處在受到拉剪載荷時會成為斷裂優(yōu)先發(fā)生的位置。

2.3 初始斷裂位置的特點

圖6 熔核尺寸對點焊接頭力學性能的影響Fig.6 Effect of FZ sizes on mechanical properties of dissimilar DP600/LCS welds

異種材料兩層板點焊接頭斷裂初始斷裂位置位于高強度側(cè)。M.Pouranvari[7-8]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生拔出斷裂時，初始的斷裂位置總是位于DP600雙相鋼側(cè)。母材硬度和母材的加工硬化行為是影響斷裂位置的關鍵因素。低碳鋼側(cè)強度較低，較先進入屈服階段并發(fā)生加工硬化，使應變轉(zhuǎn)移到雙相鋼側(cè)，而雙相鋼側(cè)熱影響區(qū)部分的硬度很高，受載荷區(qū)域為一個應力集中區(qū)域，從而造成裂紋產(chǎn)生。

Hernandez V.H.B.[9]，Hongqiang Z[10]在研究異種雙相鋼DP600和DP780點焊接頭的斷裂模式中也發(fā)現(xiàn)斷裂總是萌生于DP780側(cè)。

由上述可知，異種材料兩層板的點焊接頭發(fā)生界面斷裂的傾向小于同種材料兩層板的點焊接頭，這與熔核中的碳當量和不同區(qū)域組織的硬度有關；在異種材料兩層板接頭的斷裂中發(fā)現(xiàn)與前面三種斷裂模式不同的PT-PP斷裂，其力學性能介于界面斷裂與拔出斷裂之間；在異種材料兩層板的點焊接頭中斷裂總是萌生于強度高的一側(cè)。

3 三層板點焊接頭斷裂模式

目前關于AHSS三層板點焊接頭的斷裂模式研究很少，而低碳鋼三層板點焊接頭的斷裂模式已有部分研究，可應用到AHSS三層板的組合中。

M.Pouranvari S.P.H.Marashi[11]研究了低碳鋼等厚三層板電阻點焊中不同接頭設計下受力狀態(tài)不同對斷裂模式及機制的影響，三種不同受力狀態(tài)如圖7所示。由圖7可知，A為中間板和下板受拉剪載荷，B為上板和下板受拉剪載荷，C為三板同時受拉剪載荷，上板下板載荷方向一致。圖8為不同受力狀態(tài)下發(fā)生界面斷裂的傾向，按順序增加為B< A

圖7 不同種類的接頭設計Fig.7 Various kinds of Joint designs

圖8 不同接頭組合的臨界熔核尺寸Fig.8 Critical nugget sizes in various joints designs

Wei S.T.[12]研究強度為1 000 MPa級別的雙相鋼/TWIP鋼/TRIP鋼的三層板點焊接頭的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)三層板接頭的斷裂模式不僅受熔核尺寸影響，還受化學成分的影響。在電流固定的條件下，不同類型鋼的接頭斷裂模式不同。

唐虹[13]研究了含鍍鋅板的三層板點焊熔核機理、工藝參數(shù)對焊點力學性能的影響以及三層板硬規(guī)范的工藝優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)可以利用硬規(guī)范對三層板進行點焊以提高熔核尺寸，進而改善接頭的斷裂模式和力學性能。

在三層板點焊接頭的斷裂模式中，斷裂模式分類與兩層板類似，決定斷裂模式的影響因素如熔核尺寸、板厚、材料化學成分等也和兩層板相同。與兩層板相比，三層板點焊接頭斷裂模式最大區(qū)別是其受力狀態(tài)的不同導致內(nèi)在斷裂機制完全不同，需要進一步的研究。

4 斷裂模式數(shù)值模擬

AHSS電阻點焊涉及異種材料、異種厚度、多層板的焊接，因此焊接過程中的電流場、溫度場和應力應變場的情況非常復雜，增加了點焊數(shù)值模擬的難度。

Pan J[14]等人采用二維彈性理論和二維有限元法研究雙相鋼點焊接頭在拉剪條件下的斷裂模式，發(fā)現(xiàn)在拔出斷裂時，斷裂通常萌生于熔核周圍的母材并且位置常常處于厚度中間處的頸縮部位，裂紋形成后通過剪切變形方式逐漸擴展直至最后斷裂，如圖9所示。

圖9 拔出斷裂機制的橫截面示意Fig.9 A schematic of the cross section of plug failure mechanism near the spot weld nugget

Nielsen K.L.采用彈性-粘塑性理論和三維有限元法研究了拉剪條件下DP600點焊接頭的拔出斷裂機制，采用微孔形核、長大、聚合的理論（即Gurson模型[15-16]），發(fā)現(xiàn)了斷裂模式的競爭機制。當熔核尺寸較大時，熔核周圍（通常是熱影響區(qū)）會發(fā)生塑性變形和損傷積累；而當熔核尺寸較小時，塑性變形主要發(fā)生在熔核中心并產(chǎn)生劇烈的剪切。Gurson模型分析了拉剪條件下的界面斷裂，很好解釋了界面斷裂內(nèi)在機制。

Dancette[17-18]在研究DP450和DP980點焊接頭的斷裂模式過程中考慮不同區(qū)域材料性能對模擬結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)拔出斷裂和界面斷裂的機制分別為母材（BM）/過回火區(qū)（SCHAZ）的局部應變和熔核界面缺口處的剪切變形，采用熔核尖端處的J積分衡量界面斷裂，采用局部應變區(qū)的等效應變衡量拔出斷裂。通過計算J積分和等效應變定量地得出發(fā)生不同斷裂模式的條件，其模擬結(jié)果與實驗相匹配，如圖10所示。

圖10 TRIP780點焊接頭載荷-位移曲線Fig.10 Experimental and simulated loading curves for TRIP780 spot welding joints

目前關于斷裂模式的數(shù)值模擬研究，一方面采用Gurson模型解釋界面斷裂和拔出斷裂的內(nèi)在機制；另一方面通過J積分和等效應變的計算定量得出發(fā)生不同斷裂模式的臨界條件。但是這些研究均針對同種材料同種厚度兩層板的點焊接頭，未考慮材料強度、板厚、不同受力狀態(tài)、氣孔縮孔缺陷等影響因素。

5 界面斷裂抑制方法的研究

A.R.Jahandideh[19]在SAPH440低碳鋼的電阻點焊中發(fā)現(xiàn)，點焊接頭容易發(fā)生界面斷裂，采用增加焊后回火電流的方式可以降低界面斷裂傾向。研究認為，產(chǎn)生界面斷裂的原因是熔核中存在硬而脆的馬氏體組織，通過焊后增加回火電流對熔核中的馬氏體組織進行回火處理。

沈潔[20]采用不對稱電極匹配方法改善點焊熔核尺寸及可焊性窗口寬度，解決了差強差厚三層板點焊過程中的熔核偏移及薄板側(cè)熔核尺寸偏小的問題，試驗結(jié)果表明采用該種方法可以抑制界面斷裂傾向。

張小云[21]采用正交試驗和方差顯著性分析的方法研究影響斷裂模式的最大因素。結(jié)果表明，焊接電流對雙相鋼點焊接頭界面斷裂傾向影響最大,焊接時間對焊點界面斷裂傾向有一定影響，而其余焊接參數(shù)影響較小。通過考慮交互作用得出的最優(yōu)焊接參數(shù)比單因子分析得出的結(jié)果更能降低雙相鋼焊點界面斷裂傾向。

Choi H.S.[22]研究了雙相鋼D780和熱成型鋼22MnB5的點焊接頭，發(fā)現(xiàn)碳當量過高會導致熔核中形成硬而脆的馬氏體，并且會帶來更多缺陷如縮孔、裂紋等，從而增大界面斷裂的趨勢。因此合理選擇鋼種，避免碳當量過高可以降低界面斷裂傾向。

6 結(jié)論

AHSS電阻點焊接頭的斷裂模式比傳統(tǒng)的低碳鋼點焊的斷裂模式更為復雜，不同的工藝參數(shù)、材料組合、鋼板層數(shù)、板厚等因素都對其影響較大。

（1）AHSS點焊接頭斷裂模式的研究情況現(xiàn)狀復雜，不同方面的研究程度差別較大。對于AHSS的兩層板同種材料點焊接頭斷裂模式，已經(jīng)進行了系統(tǒng)的理論分析并建立相應模型；對于AHSS異種材料兩層板點焊接頭斷裂模式，已經(jīng)進行了大量的研究工作，但未能得出成熟的結(jié)論；對于AHSS三層板點焊接頭斷裂模式，目前研究工作較少。

（2）斷裂模式的數(shù)值模擬方法研究不斷深入，由簡單的彈性理論到彈性-粘塑性理論，由二維有限元方法到三維有限元方法，由定性地解釋斷裂模式的內(nèi)在機制到定量地計算不同斷裂模式的條件。

（3）為了抑制AHSS點焊接頭中較高的界面斷裂傾向，研究者提出了各自的措施，但有效性及適用性均有待證明。目前并未有研究從斷裂模式的內(nèi)在機理方面提出抑制界面斷裂的有效方法。

從目前的研究現(xiàn)狀可以看出，在汽車行業(yè)AHSS兩層板點焊接頭中，需要進一步探究異種厚度和鍍層對斷裂模式影響；在三層板的AHSS點焊接頭中，需要進一步研究其斷裂模式的內(nèi)在機制；在斷裂模式的數(shù)值模擬研究中，考慮不同厚度、不同受力狀態(tài)、不同材料組合等多個因素作用下的模擬將成為AHSS的研究熱點；抑制界面斷裂方面，斷裂模式的數(shù)值模擬和相關斷裂機制研究交互結(jié)合是未來的研究方向。

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Research development on failure mode of AHSS resistance spot welding joints

LIU Siyuan1，2，WANG Lang1，2，KONG Liang1，2，WANG Min1，2，WU Jiayuan3
（1.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200240，China；3.Shanghai Yi Rui Motor Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

The applications of advanced high strength steel(AHSS)sheets have been gradually increasing in the automotive industry in order to reduce the car body weight.Hence it is of great significance to study the spot welding behavior of AHSS sheets.The present paper mainly reviews the failure mode of resistance spot welds of AHSS in the past years.The focus is on the fracture mode of similar two sheets assemblies，dissimilar two sheets assemblies and three sheets assemblies.Besides，numerical simulations on fracture mode and measures to inhibit the interfacial failure is investigated.Finally，looking forward to the future research on the fracture mode of AHSS spot welded joints

resistance spot welding；advanced high strength steel；fracture mode

TG453

C

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-07-22；

：2017-02-16

劉思源（1992—），男，湖北大冶人，在讀碩士，主要從事先進高強鋼三層板電阻點焊方面的研究。