Development of mechanism-based models for resistance spot weld failure simulation of multi-material advanced high strength steel sheets
Authors:   , Dorribo Dorribo Daniel 
Published: October 2023

The automotive industry is constantly involved in the development of new projects aimed at reducing weight, fuel consumptions and costs while improving passengers' safety. In order to achieve these increasing demands, Advanced High Strength Steels (AHSS) have been introduced in recent years reducing vehicle structure weights and improving the crashworthiness. With the increase in the bearing capacity of crash-relevant structural components, the sheet metal joining techniques such as adhesive bonding and resistance spot welding (RSW) become critical. In order to develop the vehicle structure in these new projects, full-vehicle crash finite element simulations are usually performed. Simplified beam-like models are currently used in these simulations (with thousands of spot welds) to represent RSW joints response. The maximum bearing force of these models are fitted using large experimental campaigns, considering all the main factors that have the highest influence on the fracture response of a welded joint. The objective of this thesis is twofold: (1) to develop a model that is able to partially replace the extensive experimental campaign in providing parameters for the crash simulation simplified spot weld models, and (2) to gain understanding of spot weld joints failure response in order to improve the current simplified models.

To achieve these objectives, a detailed spot weld model for the prediction of spot weld failure in joints in AHSS sheets is presented. The presented model includes a definition of the local material properties as well as the geometry features of a spot weld. In addition, an industrially suited fracture criterion, i.e. robust and without a long-term calibration, is used for the prediction of maximum force. An energetic fracture criterion based on the use of elastic-plastic fracture-mechanics is identified as the better suited for the prediction of spot weld failure and joint bearing capacity. The J-integral is evaluated in the weld notch and this value is compared with a material parameter, the fracture toughness, in order to obtain the joint maximum force.

The presented detailed FE spot weld model is validated to joints of two different steel grades of the AHSS family usually present in the current vehicle structure, a hot formed martensitic boron-alloyed steel (22MnB5) and a cold formed dual phase steel (DP 980). The validation is performed comparing the results obtained with the finite element model and the experimental results extracted from an extensive loading test experimental campaign where the main factors that have an influence in the spot weld fracture response are considered. The obtained simulated critical forces of the loading tests present good agreement with the experimental ones in all tested configurations.

Finally, based on the presented finite element spot weld model, some recommendations are exposed for extending the model for new combinations and loading conditions. The proposed procedure can be used to reduce the long-term characterization campaigns used to calibrate the joints of a new AHSS grade, where fracture is triggered by stress concentration ahead of a notch. Furthermore, some recommendations for the future structure design are given taking into account the information obtained with the present model.

La industria del automóvil está constantemente involucrada en el desarrollo de nuevos proyectos persiguiendo la reducción de pesos, consumos de combustible y costes, así como mejoras en seguridad. Par alcanzar estas demandas, en los últimos años los llamados aceros avanzados de muy alta resistencia (AHSS) se han introducido reduciendo el peso de la estructura de los vehículos y mejorando su respuesta en caso de accidente. Con la mejora de la resistencia de los componentes estructurales relevantes durante un impacto a alta velocidad, las técnicas de unión de chapas de metal, como los adhesivos o los puntos de soldadura por resistencia (RSW), han pasado a tener un papel crucial. Para desarrollar la estructura de estos nuevos proyectos, se realizan habitualmente simulaciones de elementos finitos de vehículo completo. En estas simulaciones, con miles de puntos de soldadura, se usan modelos simplificados en los que la fuerza máxima según la unión y el caso de carga es obtenida mediante extensas campañas experimentales. Esta tesis tiene dos objetivos principales: (1) desarrollo de un modelo capaz de reemplazar parcialmente las extensas campañas experimentales que proveen de parámetros a los modelos simplificados de puntos de soldadura usados para la simulación de choque, (2) mejor comprensión de la respuesta a fallo de las uniones soldadas por puntos para mejorar los actuales modelos simplificados. Par cumplir estos objetivos se presenta un modelo detallado de elementos finitos. El modelo incluye la definición de las propiedades mecánicas locales así como las características geométricas de un punto de soldadura. Además, para la predicción de la fuerza máxima se aplica un criterio de fractura adecuado a la industria, es decir, robusto y a la vez sin la necesidad de una larga calibración. Se identifica un criterio energético de fractura basado en la mecánica de fractura elasto-plástica como el más adecuado para obtener la capacidad de carga de las uniones. La fuerza máxima de las uniones se obtiene al evaluar la concentración de tensiones alrededor de la entalla de soldadura mediante la integral J y comparándola con un parámetro del material (tenacidad de fractura). El modelo presentado es validado para uniones soldadas de dos tipos de aceros de la familia de los AHSS presentes habitualmente en la estructura de los vehículos modernos, un acero martensítico al boro estampado en caliente (22MnB5) y un acero de fase dual de estampación en frio (DP 980). Esta validación se realiza comparando los resultados de fuerza máximas obtenidos por el modelo de elementos finitos con los resultados experimentales obtenidos de una extensa campaña experimental donde se tienen en cuenta los principales factoras que tienen influencia en la fractura. Los resultados de las fuerzas críticas obtenidas de los ensayos experimentales de carga presentan una gran concordancia con la simulación para todas las configuraciones testeadas. Finalmente, basándose en el modelo detallado presentado se proponen algunas recomendaciones para extenderlo para nuevas combinaciones y condiciones de carga, así como recomendaciones sobre el diseño de estructuras teniendo en cuenta como se cargas los puntos de soldadura en distintas condiciones. El procedimiento propuesto puede ser usado para reducir las extensas campañas experimentales empleadas en la caracterización de uniones en nuevos tipos de aceros de alta resistencia, donde la fractura es desencadenada por concentración de tensiones alrededor de la entalla de soldadura.