点焊接头扭转测试中板厚与测试速率对应变率敏感性的影响研究

《Welding in the World》：Torsion testing of spot welds: influence of the sheet thickness and the test rates

本刊推荐：为解决点焊扭转测试中ISO 17653与ISO 18338标准对测试速率规定存在361-3614倍差异的问题，德累斯顿工业大学团队以CR300LA GI40/40和22MnB5+AS150两种钢材为对象，系统研究板厚（1.0-3.0mm）与测试速率（0.1-3.0min-1）对断裂行为的影响。研究发现高延性材料在n>0.6min-1时出现应变率敏感性，而高强度钢无此现象，为ISO 17653标准修订提供了实验依据。

　　

在汽车制造和航空航天工业中，电阻点焊（Resistance Spot Welding, RSW）如同“隐形缝合术”，通过瞬间高温将金属板材牢固连接。然而，这种技术的核心质量指标——焊接直径（d_w），却因焊缝隐藏在板材内部而难以直接测量。传统质量控制依赖破坏性测试，如凿子测试或拉伸剪切测试，但这些方法常因残留材料覆盖焊缝而影响测量精度。更令人困惑的是，当前国际标准存在明显矛盾：ISO 17653:2012推荐的扭转测试速率（3.0min^-1）竟是ISO 18338标准规定（0.0083-0.083min^-1）的361至3614倍！这种巨大差异背后，是长达半个多世纪的科学研究空白——自Kunsmann博士论文后，鲜有系统研究探讨测试速率对点焊扭转性能的影响。

为此，德累斯顿工业大学连接技术与装配研究所的Christian Mathiszik团队在《Welding in the World》发表最新研究，首次揭示板厚与测试速率如何像“隐形指挥家”般调控点焊的断裂行为。研究人员设计了一场精密的“速度与激情”实验：选取代表高延性（CR300LA GI40/40）和高强度（22MnB5+AS150）的两种钢材，制备1.0mm、2.0mm、3.0mm三种板厚组合，在自主开发的仪器化扭转测试台上进行0.1-3.0min^-1多梯度速率测试。该设备配备浮动轴承系统，可自动对齐焊点旋转轴，以2kHz采样频率精准记录扭矩（T）和旋转角（φ）。

关键技术方法包括：1）基于可焊性曲线确定焊接参数（电流7.0-9.2kA，时间240-900ms），确保无飞溅稳定熔核；2）通过伺服电动C型焊枪（刚度k=2.345kNm^-1）和CuCr1Zr电极制备120个样本；3）采用ISO 17677-1标准测量断裂后焊径；4）利用ANOVA统计分析（α=0.05）验证数据显著性。

预研究：速率敏感性的转折点

当测试CR300LA钢2.0mm板厚试样时，发现一个关键阈值：在n≤0.6min^-1时，最大旋转角（φ_max）和能量吸收（E_max）保持稳定；但当n≥0.9min^-1后，材料如同“赶时间的舞者”，旋转角骤降30%，能量吸收能力显著衰减。进一步计算表明，在推荐速率n=3.0min^-1下，焊点边缘线速度达90mm/min，引发应变率（ε˙=n）敏感效应——高延性材料失去充分变形的时间窗口。

主研究：材料性格的鲜明对比

针对两种材料的三组板厚系统测试揭示出截然不同的“性格”。CR300LA钢表现出典型的应变率依赖性：在n=3.0min^-1时，所有板厚的能量吸收均比低速测试降低15-20%，且断裂模式从界面断裂（Interfacial Failure, IF）向插拔断裂（Plug Failure, PF）转变。而22MnB5高强度钢则展现“冷面”特性：即便速率变化36倍，其扭矩-转角曲线始终保持陡峭下降的脆性断裂特征，能量吸收值稳定在低水平区间。

更有趣的发现来自能量分配比（E_m/E_max）。对于CR300LA钢，板厚增加使该比值从0.82（1.0mm）降至0.68（3.0mm），说明厚板更依赖塑性变形阶段吸能；而22MnB5钢则呈现相反趋势，反映其变形能力固有局限。

结论与展望

本研究首次量化证明：ISO 17653推荐的3.0min^-1速率仅适用于高强度材料验证焊径，对准静态测试应采纳n≤0.6min^-1以保证能量评估准确性。该结论为标准修订提供关键依据，同时揭示材料微观结构（如CR300LA中的位错运动机制）与宏观响应的内在关联。未来研究可结合数字图像相关技术，实时捕捉裂纹扩展过程，进一步揭示扭转应力场分布规律。这项成果不仅让点焊质量评估告别“盲人摸象”时代，更为多材料轻量化结构的可靠性设计提供新范式。