等厚三层板铝合金电阻点焊接头失效机理研究

摘要

汽车轻量化是21世纪汽车制造业的发展趋势。铝合金作为一种具备多种优良性能的轻质材料，成为汽车轻量化的首选材料。随着三层板电阻点焊在车身结构制造中的应用逐渐增加，其焊接质量对汽车车身质量具有重要影响。因此，三层板铝合金电阻点焊就是实现汽车轻量化过程中不可避免、必须解决的关键技术。本课题基于汽车轻量化的发展需求，结合铝合金在汽车制造中的优势，对三层板铝合金点焊接头力学性能及失效机理进行研究。本研究将揭示三层板铝合金电阻点焊断裂机理，提出三层板铝合金电阻点焊断裂模式的预测方法，并首次将图片数字相关技术应用于电阻点焊变形分析，促进三层板铝合金电阻点焊技术在汽车车身制造及相关领域中的应用。 研究了三层板铝合金电阻点焊接头在拉伸剪切实验、十字拉伸实验和剥离实验中的断裂机理，以及接头设计形式对断裂模式转变的影响。研究结果表明，在直流铝合金电阻点焊时，工件负极侧产生的较大二次枝晶臂间距柱状晶区（LCGZ）是电阻点焊熔核的薄弱环节，在力学性能测试过程中裂纹一般由该区形成与扩展。对于接头形式，在拉伸剪切实验中，由于不同的接头形式导致不同程度的熔核旋转，改变了熔核周围的应力状态，因此接头形式对断裂模式转变影响较大；而接头形式对十字拉伸和剥离实验的断裂模式转变影响较小。这是由于不同接头形式中熔核周围具有相似的应力状态。根据三层板电阻点焊接头的力学行为与断裂模式，进行物理模型分析，建立了三层板电阻点焊接头由界面断裂模式转变为纽扣断裂模式的临界熔核直径预测模型，并将预测值与实验值进行对比分析，证明了预测模型的合理性。 传统力学性能测试方法无法实时且直观地观测焊接接头在剪切拉伸实验中的变形，因此本文引入更加先进的图像数字相关（DIC）技术作为研究手段，分析了电阻点焊搭接接头在失效过程中接头内部的应变场分布情况与演变特征，弥补了传统力学测试手段的不足之处。定性验证了基于传统力学测试建立的接头刚度理论和临界熔核直径数学模型的正确性，揭示了不同接头形式下力学性能与断裂行为差异的本质。

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