CARATTERIZZAZIONE STATICA E DINAMICA DI PUNTI DI SALDATURA

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1 Associazione Italiana per l Analisi delle Sollecitazioni (AIAS) XXXV Convegno Nazionale 13-1 Settembre, Università Politecnica delle Marche CARATTERIZZAZIONE STATICA E DINAMICA DI PUNTI DI SALDATURA IN CONDIZIONI DI SOLLECITAZIONE MULTIASSIALE L. Peroni, G. Belingardi, M. Avalle Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi, 119 Torino Sommario Le saldature a punti rappresentano a tutt oggi il principale metodo di giunzione delle lamiere utilizzate nella costruzione delle scocche autoveicolistiche. Nel progetto di queste strutture, soprattutto per quanto riguarda le sollecitazioni di fatica e impatto, è fondamentale la conoscenza del comportamento meccanico di questi sistemi di giunzione. Questo lavoro, estensione di precedenti lavori degli autori, mostra alcuni risultati sperimentali ottenuti sollecitando provini KS con un punto di saldatura fra due semi-gusci a C in lamiera di acciaio a carichi statici e di impatto. Vengono analizzati i carichi limite di linearità e i carichi di cedimento nelle curve caratteristiche del punto di saldatura. I risultati sperimentali, ottenuti con prove in cui si hanno diverse combinazioni dei carichi di taglio e normale, permettono di definire delle curve limite di resistenza del punto di saldatura. Modelli numerici in LS-DYNA consentono di interpretare ulteriormente i risultati sperimentali. Abstract Spot-welds are still today the most important method for joining metal sheets used in car body construction. In the design of vehicle structures is, therefore, necessary to have a thorough insight of spot-welds behavior, especially when dealing with fatigue and crash. This work, which is a further development of previous works of the same authors, reports new experimental results obtained loading sheet metal specimen joined with a single spot-weld. The specimen consists of a double C-shaped assembly, loaded by static and impact loads. The load values at the linearity limit and at the failure are analyzed. The experimental results, obtained by loading the samples in different combinations of shear and normal loads, allowed defining design limit curves of the spot-weld strength. Numerical models developed in the explicit finite element code LS-DYNA, allowed for further investigations in the spot-weld failure. Parole chiave: saldature a punti, metodi di giunzione, costruzione scocche 1. INTRODUZIONE Le saldature a punti rappresentano il principale metodo di giunzione delle lamiere nella realizzazione delle scocche delle strutture veicolistiche. I punti di saldatura sono sollecitati in esercizio in diverso modo: staticamente, a fatica e ad impatto in caso di incidente. La conoscenza dei valori di resistenza dei punti è necessaria nel progetto delle strutture veicolistiche. In particolare nelle simulazioni del comportamento a crash, in caso di incidente è necessario disporre di criteri di rottura e di modelli di cedimento del componente punto di saldatura. La letteratura riguardante la resistenza statica ed a fatica dei punti di saldatura è piuttosto vasta [1-15]. Molto meno lo è quella relativa alla resistenza ad impatto [1-]. Nel caso della caratterizzazione dinamica ad impatto si presentano una serie di problemi tecnici non indifferenti rappresentati dalla dinamica del fenomeno, dalle modalità di carico dei provini. * Corresponding author: Tel.: ; Fax.:11 3 ; lorenzo.peroni@polito.it

2 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE Il presente lavoro rappresenta la continuazione di un precedente studio relativo alla caratterizzazione sperimentale ad impatto di provini saldati a punti [-3]; partendo dall analisi dei risultati ottenuti in [] è stata sviluppata una nuova attrezzatura di prova con cui è stato possibile indagare con maggior dettaglio il fenomeno. I provini sono stati utilizzati per ottenere valori di resistenza del singolo punto, a diverse velocità di applicazione del carico, in diverse condizioni di sollecitazione per due differenti spessori della lamiera. Infatti, come per gli adesivi, esistono diverse modalità di cedimento a seconda del tipo di sollecitazione (di taglio, di peeling...) e di conseguenza delle diverse componenti di forza applicata (normale, di taglio, di momento...). Si è adottato il provino cosiddetto KS (figura 1) costituito da due semigusci a C uniti da un punto al centro: rispetto al provino utilizzato in [] sono state variate le estremità per consentirne il serraggio senza la necessità di realizzare fori nella lamiera. Grazie alla particolare attrezzatura di fissaggio si possono svolgere prove con tutte le combinazioni di forza applicata possibili semplicemente modificando l angolazione del provino rispetto alla direzione del carico applicato: la variazione di angolazione è effettuabile con continuità (qualsiasi angolo compreso tra solo forza di taglio e 9 solo sforzo normale), come mostrato in figura. Oltre alle prove ad impatto, di tipo dinamico, sono state svolte delle prove a bassa velocità per poter esaminare l influenza della velocità di applicazione del carico e verificare se vi siano dei differenti meccanismi di collasso innescati dalla diversa modalità di sollecitazione. Le attrezzature impiegate sono per le prove a bassa velocità (quasi-statiche) e a media-velocità, una macchina prova materiali universale idraulica (DARTEC HA 1) e per le prove di impatto (dinamiche), una torre di 1 metri di altezza (di cui la figura 3 riporta una vista d insieme e un particolare della zona di impatto) dotata di una slitta a massa variabile (5-1 kg che può colpire il sistema di carico fino ad un velocità di 13 m/s. Nelle prove effettuate ci si è limitati ad un valore della massima velocità d impatto pari a circa m/s. Con il sistema di carico a bassa velocità sono state misurate le forze con una cella di carico standard da 1 kn e le corse con un trasduttore LVDT sul cilindro attuatore. Per le prove dinamiche la forza è stata misurata con una cella di carico di tipo piezoelettrico montata direttamente in serie al provino, mentre la corsa è stata ottenuta mediante un sistema di misura ottico tipo encoder. I risultati ottenuti sono in primo luogo le curve forza-corsa di ciascuna prova. Analizzando tali curve si ricavano non solo i valori di resistenza ultima del punto ma anche i valori del carico al limite della linearità nelle varie condizioni di sollecitazione alle diverse velocità. Da questi risultati sono state ottenute curve caratteristiche che rappresentano sia la resistenza massima sia il carico limite di linearità nel piano T-N delle due componenti principali. L analisi dei risultati sperimentali ha posto in evidenza che, nelle diverse configurazioni di carico, varia il rapporto tra carico di collasso e carico per il quale la lamiera nell intorno del punto inizia a snervare. Infine, allo scopo di meglio comprendere la dinamica del cedimento le prove sperimentali a bassa velocità sono state filmate e il meccanismo di deformazione confrontato con i risultati di un modello ad elementi finiti del sistema realizzato con il codice non-lineare LSDYNA.. DEFINIZIONE DELL ATTREZZATURA SPERIMENTALE.1. Provino KS Le prove sperimentali sono state condotte mediante l impiego del provino cosiddetto KS [1-3] originariamente disegnato per la caratterizzazione a fatica dei punti di saldatura, e prima ancora di altri sistemi di giunzione o anche materiali ([1-19], provino Arcan [-]). Lo stesso concetto è stato vantaggiosamente esteso per la caratterizzazione statica e dinamica del punto di saldatura e di altri sistemi di giunzione delle lamiere. Il principale vantaggio di questo provino (figura 1) costituito da due semigusci ad C, è di poter essere impiegato per studiare numerosi tipi differenti di sollecitazione. Ruotando il provino attorno ad un asse passante per centro del punto, perpendicolare ai fianchi del provino si possono realizzare tutte le combinazioni fra carico normale e carico di taglio. È inoltre addirittura possibile effettuare altri tipi di prova, quale per esempio la caratterizzazione a torsione del punto.

3 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE Figura 1. Provino KS per la caratterizzazione delle saldature a punti Nel lavoro qui esposto la lamiera dei provini aveva spessore pari a 1 e 1.5 mm. Il materiale impiegato per i provini era acciaio DC EN13 (tensione di snervamento MPa, carico di rottura MPa) per il quale si era svolta in precedenza una caratterizzazione sperimentale, inclusa l influenza dello strain-rate sulle proprietà meccaniche. I provini, ottenuti per taglio e piegatura della lamiera, erano poi stati saldati al centro con un punto da mm di diametro..1. Attrezzatura di carico Il sistema di carico, da montare sulle apparecchiature di prova statica e dinamica, riprende quello del provino noto come Arcan ma è stato realizzato in modo da permettere una variazione continua dell angolo di carico, in modo da poter effettuare prove con qualsiasi orientazione della direzione di applicazione del carico (figura ). Figura. Sistema di carico per i provini KS Il provino è bloccato mediante una coppia di traversini fissati con viti M a due piastre di forma semicircolare in cui sono realizzate due cave che seguono il contorno circolare esterno. Nelle cave si impegnano due morsetti aventi due sedi con sviluppo curvilineo corrispondente a quello delle cave sulle piastre. I morsetti si collegano alle ganasce della macchina di prova mediante giunti universali a sfera. Ruotando le piastre si possono ottenere tutte le angolazioni tra e 9. Un riferimento sui morsetti permette di determinare l angolo che si legge su di un goniometro realizzato sulle piastre. Rispetto alla precedente versione del sistema di carico [-3] si ha un miglioramento sia nella possibilità di variare con continuità l angolo di carico, sia nella maggior semplicità di realizzazione del

4 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE provino (le due alette comportano due piegature in più, di poco costo aggiuntivo, ma evitano le complicate operazioni di foratura trasversale dei fianchi del provino)..1. Apparecchiature di prova Le prove sono state svolte presso il Laboratorio Affidabilità e Sicurezza della sede, in Vercelli, della II Facoltà di Ingegneria del Politecnico di Torino. Per le prove quasi-statiche è stata utilizzata la macchina prova materiali idraulica DARTEC HA1 (carico massimo 1 kn, massima velocità 1 mm/s), per le prove dinamiche è stata utilizzata la torre di caduta da 1 m (con massa fino a kg e velocità massima di impatto di 13 m/s, equipaggiata con celle di carico piezoelettriche e trasduttore di spostamento/velocità a encoder ottico). Le attrezzature sono mostrate in figura 3. Figura 3. Attrezzature di prova impiegate per la caratterizzazione dei punti di saldatura: a sinistra macchina di prova universale idraulica DARTEC HA1 (con provino montato), a destra torre per prove di drop-dart da 1 m Le prove quasi-statiche, a bassa velocità di traslazione della traversa mobile sono state condotte a velocità costante (. mm/s) registrando la corsa, misurata con un trasduttore LVDT, e la forza, misurata con una cella di carico da 1 kn. Le prove dinamiche di impatto, realizzate montando l attrezzatura di carico su di una slitta che converte la spinta generata dalla massa in caduta in una forza di trazione, non sono a velocità perfettamente costante: l energia dissipata nel fenomeno di deformazione e rottura del punto si traduce in una diminuzione di energia cinetica della massa traslante. Tuttavia in questo caso la variazione di velocità è trascurabile vista la notevole differenza tra l energia cinetica della massa in caduta e quella dissipata nel punto di saldatura. La velocità, e di conseguenza la corsa, sono ricavate mediante un encoder ottico ad infrarossi, la forza mediante una cella di carico piezoelettrica ICP da 3 kn in serie al provino e al sistema di carico. Un sistema di registrazione ad alta velocità basato su di una scheda National Instruments da k-sample/s è stato utilizzato per ricavare le curve forza-corsa. 3. RISULTATI SPERIMENTALI La figura riporta alcuni grafici sperimentali della forza in funzione della corsa, in condizioni di carico quasi-statico, a quattro valori dell angolo di carico. In figura sono anche mostrate alcune immagini dei provini dopo la rottura. Il carico a permette di raggiungere i valori più elevati della resistenza nonché una maggiore energia dissipata. Questo anche a causa della estesa lacerazione della lamiera. L estensione della lacerazione della lamiera in vicinanza del punto diminuisce con l aumentare del carico normale, ovvero al crescere dell angolo. La resistenza del punto è minima a 9, ovvero in condizioni di pura trazione. In questo caso la deformazione è minore, e la rottura

5 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE avviene prevalentemente per cedimento a taglio della lamiera con limitata deformazione plastica (in ciascun grafico sono riportate due curve corrispondenti a due ripetizioni della prova: almeno 3 ripetizioni di ogni prova sono state effettuate) Corsa (mm) Corsa (mm) Corsa (mm) Corsa (mm) Figura. Curve forza-corsa in prove KS a, 3, e 9 ; spessore 1.5 mm 1 1 Punti sperimentali T (kn) N (kn) Figura 5. Curva limite statica della resistenza dei punti di saldatura; spessore 1.5 mm

6 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE I risultati relativi ai carichi massimi si possono sinteticamente rappresentare nella forma di una curva limite di resistenza al variare dell angolo. La curva limite può essere rappresentata, come in figura 5, riportando in ascissa ed in ordinata i valori delle due componenti della forza massima, normale N e di taglio T, rispettivamente. La figura 5 pone in evidenza una singolarità di comportamento del punto in prossimità della condizione di sollecitazione a puro sforzo normale. I valori di resistenza del punto calano in maniera evidente con il passaggio dell angolo da 7 a 9. In questa singolarità di comportamento gioca certamente un ruolo importante la variazione della modalità di cedimento del punto con una progressiva riduzione della estensione della lacerazione della lamiera. Risultati analoghi si sono ottenuti per mezzo delle prove dinamiche di impatto. In figura sono riportate le curve forza-corsa di alcune prove di impatto, sugli stessi provini con lamiera di spessore 1 mm. In questo caso, vista la maggiore complessità delle prove dinamiche, sono stati considerati solo quattro valori dell angolo di carico. Nella stessa figura sono riportate a confronto le curve limite. Come già evidenziato in [] c è un forte effetto dinamico, che porta anche a raddoppiare i carichi di rottura passando dalla situazione quasi-statica alla velocità di impatto di circa m/s. 1 3_ 1 35_3 1 3_ 1 39_9 1,,,,,1 Tempo (s) T (kn) 1 1 Statiche Quasi statiche Dinamiche 1 1 N (kn) Figura. Risultati di prove dinamiche e curve limite a confronto, spessore 1 mm Tuttavia la velocità non modifica l andamento della curva e simile è l aspetto dei provini e delle superfici di rottura dei punti. Di conseguenza, come riscontrato anche in [] non si hanno differenti meccanismi di collasso del materiale del punto con l aumentare della velocità di deformazione. Per caratterizzare completamente il comportamento del punto di saldatura è importante esaminare non solo la resistenza ma anche come il primo snervamento è influenzato dalla condizione di carico. In figura 7 sono mostrate le curve limite, nel piano forza di taglio T-forza normale N, corrispondenti ai carichi di deviazione dalla linearità. È evidente un differente comportamento ed in particolare la forza normale necessaria per originare lo snervamento del punto è meno sensibile alla presenza di una piccola quota di carico di taglio. Le curve inviluppo dei punti sperimentali risultano quasi verticali per carico T vicino a zero. Si può inoltre notare come i valori del carico di snervamento del punto a taglio puro siano molto superiori ai carichi che portano a snervamento in trazione. I valori di carico massimo non sono molto superiori a quelli di snervamento. Lo snervamento, nel caso di taglio, dà luogo subito dopo alla lacerazione del punto. In trazione, invece, si ha una notevole deformazione plastica della lamiera, evidente per esempio nelle fotografie riportate nella figura, prima di avere il cedimento dovuto alla lacerazione della lamiera.

7 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE T (kn) Statiche Quasi statiche Dinamiche N (kn) N (kn) Figura 7. Curve limite di snervamento del punto di saldatura: a sinistra lamiera di spessore 1 mm, a destra 1.5 mm. MODELLO NUMERICO T (kn) Statiche Quasi statiche I risultati delle prove sperimentali sono requisito fondamentale per mettere a punto metodi di calcolo da impiegarsi per le simulazioni numeriche di fenomeni di impatto. Nell ottica della sperimentazione virtuale, ovvero della validazione a calcolo di modelli di veicoli per la sicurezza passiva e la loro eventuale omologazione, è necessario che i modelli siano più fedeli ed accurati possibile. La rottura dei punti di saldatura è ancora oggi un problema di modellazione aperto Corsa (mm) Figura. Risultati delle simulazioni Per comprendere i fenomeni relativi alla rottura dei punti è stato messo a punto un modello in LS- DYNA. La figura mostra le curve relative alle simulazioni delle prove di carico a diverse angolazioni, tra e 9, per intervalli di 1. La lamiera è stata modellata con elementi shell, assegnando al materiale della lamiera una caratteristica di tipo elasto-plastico, mentre il punto di saldatura è stato modellato congiungendo con elementi di tipo beam rigidi, i nodi affacciati delle due lamiere. Il confronto, riportato in figura 9, fra il meccanismo di deformazione del punto osservata sperimentalmente e quella ottenuta a calcolo, è abbastanza soddisfacente.

8 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE 3 9 Figura 9. Confronto prove sperimentali con simulazioni numeriche a diverse angolazioni Per modellare il fenomeno dopo il raggiungimento del carico massimo e per determinare l energia dissipata nel fenomeno, occorre anche modellare il cedimento della lamiera: essa, infatti, è responsabile della dissipazione energetica e della riduzione del carico sopportato dal provino. Nel modello la lacerazione è stata simulata mediante il metodo di element deletion, al raggiungimento del valore critico nel materiale della lamiera, impiegando il criterio di rottura di Von Mises (figura 1). Questo ha richiesto la taratura delle proprietà del punto. Questo lavoro non risulta particolarmente complesso o costoso ed assicura buoni risultati. Figura 1. Simulazione della rottura del punto Si possono quindi ricavare anche numericamente le curve limite del punto di saldatura, in particolare per lo snervamento (figura 11). I risultati numerici sono in buon accordo con quelli sperimentali. Analizzando i risultati delle simulazioni si nota l effetto importante dello spessore della lamiera. La dimensione del punto risulta invece di importanza minore. Inoltre, è importante far notare che mentre

9 XXXV CONVEGNO NAZIONALE AIAS ANCONA, 13-1 SETTEMBRE la forza di taglio cresce in maniera praticamente lineare con lo spessore, sulla forza normale lo spessore ha un influenza di tipo quadratico. 1 1 Carico di taglio, T (kn) 1,5mm 1mm 1,5mm mm Carico normale, N (kn) Figura 11. Criterio di snervamento ricavato dalle simulazioni numeriche per differenti spessori del materiale della lamiera 5. CONCLUSIONI È stata descritta una metodologia per la caratterizzazione di punti di saldatura per lamiere. Tale caratterizzazione è fondamentale per una efficiente modellazione dei punti in simulazioni di fenomeni dinamici di impatto, quali quelli utilizzati nella progettazione e nella verifica a crash dei veicoli. Un nuovo sistema di carico ed una variante ottimizzata del ben noto provino a doppia C noto come KS sono stati realizzati. Questo sistema permette di eseguire prove di resistenza dei punti con qualsiasi combinazione di carichi applicati (trazione, taglio e tutte le loro combinazioni). I risultati sperimentali così ottenuti permettono di disporre di un criterio di rottura del punto, rappresentato da una curva limite nel piano forza di taglio-forza normale applicata. Il criterio di cedimento può essere considerato anche in termini di snervamento invece che di rottura. Un ulteriore fattore di influenza, oltre alla dimensione del punto ed allo spessore della lamiera, è la velocità di applicazione del carico. Questa variabile è di grande importanza trattandosi di giunzioni che possono essere sollecitate ad impatto in caso di urto del veicolo. Come già si era osservato in [], si è potuto verificare come la velocità di deformazione pur aumentando notevolmente il valore dei carichi massimi non comporta cambiamenti nei meccanismi che portano a rottura. Utilizzando anche modelli numerici, sviluppati in LS-DYNA e validati mediante i risultati sperimentali, si sono potuti osservare anche altri fattori di influenza. Si è dunque messa in evidenza la forte influenza dello spessore della lamiera sui carichi di rottura, mentre si è verificato che la dimensione del punto di saldatura ha una influenza minore. I risultati ottenuti sono una ulteriore fonte di informazioni per lo sviluppo di modelli sintetici dei punti di saldatura per i codici ad elementi finiti per le simulazioni di crash che si stanno sviluppando tra l altro all interno del progetto APROSYS del VI Programma Quadro dell Unione Europea. BIBLOGRAFIA [1] El-Sayed, M.E.M., Stawiarski, T., Frutiger, R., Fatigue analysis of spot-welded joints under variable amplitude load history, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 55, No. 3, 199, pp [] Kang, H., Barkey, M.E., Lee, Y., Evaluation of multiaxial spot weld fatigue parameters for proportional loading, International Journal of Fatigue, Vol.,, pp

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