《Welding in the World》：Theoretical fracture mode model for torsion test of spot welds
编辑推荐：
按照 ISO 17653 进行扭转试验的电阻点焊（Resistance Spot Welds, RSW）主要表现出两种断裂模式，即界面断裂和拉钮断裂。其发生受焊点直径、板厚、局部显微组织状态以及在常规焊点中由电极压痕引起的有效板厚减薄之间相互作用的控制。本研究
按照 ISO 17653 进行扭转试验的电阻点焊（Resistance Spot Welds, RSW）主要表现出两种断裂模式，即界面断裂和拉钮断裂。其发生受焊点直径、板厚、局部显微组织状态以及在常规焊点中由电极压痕引起的有效板厚减薄之间相互作用的控制。本研究建立了一种断裂模式理论模型，将这些几何与力学影响综合起来，并将断裂转变描述为有限的过渡区，而非单一临界焊点直径。该模型基于扭转载面模量的理论推导，并引入折减系数 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 以表征焊接区域局部不同的热处理状态。其预测能力通过两组采用不同钢板组合的研究系列进行了实验验证。在系列 S1 中，采用四板构型以消除电极压痕的影响；而系列 S2 代表存在压痕效应的常规双板点焊接头。统计评估中，对折减系数进行了变化分析。结果表明，预测性能存在明显最优值，并且断裂转变最好由参数相关的折减系数区间 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.7 \dots 0.85\) 表征。对于系列 S1，在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\) 时，预测断裂模式与实际观测断裂模式之间获得最高平均一致性，为 97.3%。对于系列 S2，在不考虑电极压痕时，最高平均一致性为 86.2%，对应 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.70\)；而纳入 \(e_{\textrm{max}}\) 后，在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\) 时平均一致性提高至 92.2%。这些结果证实，可靠预测既需要通过 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 进行与显微组织相关的修正，也需要考虑由压痕诱导的几何效应。所提出模型为扭转试验点焊接头断裂模式预测提供了具有物理可解释性且经统计验证的基础。此外，该研究还强调了扭转试验作为破坏性参考方法在现代成像无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）方法验证中的价值，尤其适用于能够在连接平面提供空间分辨信息的超声方法。
该论文发表于《Welding in the World》，研究对象是依据 ISO 17653 开展扭转试验的电阻点焊接头断裂行为。研究背景在于，电阻点焊广泛用于薄板连接，尤其在汽车白车身等安全关键结构中，高强钢、先进高强钢（AHSS，先进高强钢）和超高强钢（UHSS，超高强钢）的应用持续扩大，因而焊点质量保证愈发重要。现有质量评价通常依赖熔核直径 \(d_{\textrm{n}}\) 和焊点直径 \(d_{\textrm{w}}\)，但两者均难以通过外观直接测量，必须借助破坏性检测或金相手段验证。相比凿试、剥离试验、拉剪试验和十字拉伸试验，扭转试验能够在接合面方向暴露较为洁净的断口，几乎不残留材料碎屑，因此特别适合作为现代成像超声无损检测方法的参考验证手段。然而，扭转试验中的断裂模式并非单一，主要表现为界面断裂与拉钮断裂，而决定两者转变的控制机制尚缺乏系统、可推广的理论模型。既有研究历史较早，现代文献数量有限，标准虽已建立，但针对断裂模式转变机理、局部显微组织差异以及电极压痕导致的有效板厚变化等因素的综合描述仍不充分，这正是开展本研究的直接原因。
为解决上述问题，研究人员围绕“扭转试验下点焊断裂模式如何由几何与力学边界条件共同控制”这一核心问题，建立了一个理论断裂模式模型。研究的基本思路是，从扭转载面模量 \(W_\textrm{T}\) 出发，分别分析发生界面断裂时接合平面截面积 \(A_\textrm{w}\) 与发生拉钮断裂时板内侧表面积 \(A_\textrm{p}\) 的抗扭能力，并将两种极限情形作为断裂模式转变的理论基础。研究人员指出，当接合平面对应的扭转载面模量 \(W_{\mathrm {T.f}}\) 小于板内侧表面对应的扭转载面模量 \(W_{\mathrm {T.p}}\) 时，更易发生界面断裂；反之，则更趋向于拉钮断裂。由理论推导得到，在理想条件下两种模式的分界可表示为 \(d_{\textrm{w}}=8s\)，其中 \(d_{\textrm{w}}\) 为焊点直径，s 为拉钮断裂侧表面高度。若 \(d_{\textrm{w}}<8s\)，预测为界面断裂；若 \(d_{\textrm{w}}>8s\)，预测为拉钮断裂。
但研究并未停留在理想均质假设上。论文进一步指出，焊核、热影响区（HAZ，Heat-Affected Zone，热影响区）与母材之间存在局部不同热处理状态，其有效断裂抗力并不完全相同。为此，模型引入 Becken 和 Havers 提出的折减系数 \(\chi _{\textrm{BH}}\)，用以表示两类潜在断裂路径在等效抗断裂能力上的不对称性。与此同时，常规点焊中的电极压痕 e 会降低局部剩余板厚，进一步改变拉钮断裂相关几何参数，因此还需纳入最大允许压痕 \(e_{\textrm{max}}\) 的影响。基于此，研究人员提出：断裂模式转变不应由单一临界焊点直径表示，而应由一个有限过渡区来描述。该过渡区同时受 \(\chi _{\textrm{BH}}\)、板厚 t 与压痕影响控制。
方法上，研究采用理论推导与实验验证相结合的策略。主要技术方法包括：基于扭转载面模量建立界面断裂与拉钮断裂的理论判据；设置两组实验系列进行模型验证，其中 S1 为四板对称叠层构型，用外层板吸收电极压痕，以消除压痕对中间接头平面 JP2 的影响，S2 为来源于多个项目的常规双板点焊元研究（meta-study），共纳入 687 个焊点样本；采用带仪器化测量的扭转试验台记录扭矩 T 与转角 \(\varphi\)；在 S1 中进一步利用色散共焦显微测量（chromatic confocal microscopy）对断口地形进行验证；统计上系统改变 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 取值，并比较是否计入 \(e_{\textrm{max}}\) 时模型预测与实测断裂模式的一致率。
研究结果部分可按原文小标题加以概括。
3 Results
研究结果总体表明，\(\chi _{\textrm{BH}}\) 对断裂模式预测具有显著影响，且该影响并非单调，而是表现为存在最优参数区间。研究人员在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.65\) 至 1.00 范围内以 0.05 为步长进行分析，并区分仅考虑 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 的孤立作用与同时考虑 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 和 \(e_{\textrm{max}}\) 的联合作用，由此构建不同板厚条件下的断裂过渡区和对应过渡直径 \(d_{\textrm{t}}\)。
3.1 Investigation series S1
S1 系列的目的在于排除电极压痕干扰，验证模型的基础理论正确性。研究人员通过四板构型使外层板承担压痕，随后经逐步扭转去除外板，仅对中间两板接头进行正式试验。色散共焦显微测量结果显示，各材料组合在最高焊接电流条件下得到的断口平均轮廓并未出现明显低于 0 mm 的特征，表明中间接头平面基本不受电极压痕影响。由此证明该实验构型确实实现了压痕隔离。
在断裂行为方面，S1 共获得 219 个焊样，其中 123 个为界面断裂，96 个为拉钮断裂。研究人员将实测焊点直径 \(d_{\textrm{w}}\) 按板厚排序并与理论过渡区进行对照，结果表明：不考虑电极压痕时，理论模型与实验观测高度吻合；不同 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 下预测精度存在峰值，其中 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\) 时平均一致率最高，达到 97.3%。这一结果说明，在有效板厚未被压痕削弱的条件下，基于扭转载面模量并经显微组织折减修正后的过渡区模型能够非常准确地描述扭转断裂模式。
3.2 Investigation series S2
S2 系列代表常规双板点焊情形，因而保留了电极压痕带来的有效板厚减薄效应。断口截面观察显示，拉钮断裂试样中能够识别压痕 e 及剩余板厚 \(t_{\textrm{r}.i}\)，界面断裂样品则显示扭转载荷对焊核外环区显微组织具有影响。通过对不同材料组合和板厚下的焊点直径与断裂模式进行统计，研究人员发现：S2 中界面断裂和拉钮断裂并非由一条清晰的单值边界分隔，而是分布在一定范围内，这直接支持了“过渡区”概念。
进一步的定量分析表明，不考虑 \(e_{\textrm{max}}\) 时，模型在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.70\) 处获得最高平均一致率 86.2%，随后随 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 增大而下降；而将 \(e_{\textrm{max}}\) 纳入后，平均一致率显著提高，并在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\) 时达到 92.2%。若分材料组合考察，多个组合在纳入压痕修正后预测精度提高至 96.0%、97.3% 甚至 97.6%，个别组合达到 100%。这说明，仅靠显微组织修正不足以完整解释常规点焊的断裂模式，必须同时考虑电极压痕造成的几何减薄。另一方面，某些材料组合在小 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 时纳入压痕后并未立即改善，提示显微组织不对称与几何减薄的相互作用具有构型依赖性，而非简单线性叠加。因此，论文明确反对采用“单一临界焊点直径”来划分断裂模式，而主张以参数相关过渡区进行解释。
4 Discussion
讨论部分的核心，是将统计最优结果与物理机理联系起来。研究人员指出，预测精度随 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 变化出现明确最优值，说明断裂行为对局部热处理状态差异高度敏感；而 S2 在计入 \(e_{\textrm{max}}\) 后预测性能系统提升，则证明电极压痕引起的几何效应同样不可忽视。由此，界面断裂与拉钮断裂之间的转变不应视为单一点，而应理解为有限、参数相关的区间。
论文进一步用两个边界情形定义过渡区：下边界对应 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.70\) 且 \(e_{\textrm{max}}=0.2t\)，由此得到 \(s=0.56t\)；上边界对应无压痕且 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.85\)，得到 \(s=0.85t\)。这样，过渡区能够随板厚 t 系统移动，而不是保持固定阈值。再与 ISO 14373 中常用焊点直径准则 \(d_{\textrm{w,min}}=3.5\sqrt{t}\) 和 \(d_\textrm{w}=5\sqrt{t}\) 对照后，研究人员指出：工程上仅根据名义焊点直径判断质量是不充分的，因为即便焊点直径相近，不同局部显微组织状态及剩余板厚仍可能导致不同断裂模式。模型因此为实验中观察到的断裂离散性提供了机械学解释，也说明了采用过渡区而非锐利边界的合理性。
5 Conclusion
结论部分可译述如下：本研究考察了依据 ISO 17653 进行扭转载荷作用下电阻点焊的断裂行为，并证实其两种主要断裂模式为界面断裂和拉钮断裂。基于扭转载面模量的理论分析以及对实验数据的扩展统计评估，研究建立了一个预测模型，该模型将断裂行为表述为焊点直径、板厚、由折减系数 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 表征的显微组织修正以及电极压痕影响的函数。
研究的关键结论在于：界面断裂与拉钮断裂之间的转变不能由单一临界焊点直径表示，而必须理解为有限过渡区。对 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 在 0.65 至 1.00 范围内按 0.05 步长进行统计变化表明，模型预测性能存在明显最优值，而非恒定一致水平。同时，这种对 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 的依赖支持了 Becken 和 Havers 的观点，即焊核、HAZ 与母材中局部不同热处理状态会导致不同的有效机械断裂抗力，并可由 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 表征。
对于通过四板构型消除电极压痕影响的 S1 系列，理论模型与实验结果高度一致，在 \(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\) 时平均一致率达到 97.3%，说明当有效板厚不受压痕减薄时，过渡区概念能够很好描述断裂行为。对于包含电极压痕几何影响的常规双板焊点 S2 系列，统计评估显示，仅有 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 的显微组织修正不足以覆盖全部情况；不考虑 \(e_{\textrm{max}}\) 时，最高平均一致率为 86.2%（\(\chi _{\textrm{BH}}=0.70\)），而纳入 \(e_{\textrm{max}}\) 后，平均一致率提升至 92.2%（\(\chi _{\textrm{BH}}=0.75\)）。这表明，当同时考虑显微组织不对称与几何减薄时，模型预测能力显著改善。
综合两组研究，研究人员认为 \(\chi _{\textrm{BH}}\approx 0.75\) 是本数据集最合适的总体参数设定，尤其适用于包含压痕影响的常规焊点。模型所定义的上下边界共同构成了一个具有明确物理意义的过渡区，可解释为何直径相近的焊点仍可能因局部显微组织状态和有效剩余板厚不同而表现出不同断裂模式。
除模型本身外，研究还确认了扭转试验作为焊点评价破坏性参考方法的特殊价值。与其他破坏性试验相比，扭转试验能够在保持板材变形较低的同时精确暴露断口与焊点直径，且断面无明显材料残留，因此尤其适合用于验证能够在连接平面提供空间分辨信息的现代无损检测方法，如基于矩阵探头或相控阵探头的成像超声检测。
总体而言，该研究提出了一个具有统计支撑和物理可解释性的扭转试验点焊断裂行为预测模型。研究结果表明，可靠预测既需要用折减系数 \(\chi _{\textrm{BH}}\) 表征显微组织效应，也需要考虑电极压痕引起的几何效应。所提出的过渡区概念因而为工业实践中扭转试验结果解释及先进无损检测方法验证提供了稳健基础。
