汽車后橋懸架臂焊接溫度場及殘余應(yīng)力場的預(yù)測

陳 璟 ，黃承宗，朱劍峰，苑瀟涵，覃 霍，王華杰，周方明

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2.江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)已成為國家重要的經(jīng)濟(jì)支柱之一[1]。汽車后橋作為整車的一個(gè)關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品質(zhì)量對整車的安全使用和性能影響顯著[2-3]。

目前，我國汽車行業(yè)主要是照搬國外的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，這不利于我國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-5]。為此，本研究提出從焊接溫度場、焊接殘余應(yīng)力場、路譜及疲勞試驗(yàn)出發(fā)，研究汽車后橋焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，而準(zhǔn)確預(yù)測汽車后橋焊接殘余應(yīng)力是進(jìn)行焊縫承載性能分析的前提[6]。目前關(guān)于汽車后橋焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測方面的研究較少，因此本研究選取汽車后橋的懸架臂和襯套管為典型構(gòu)件進(jìn)行焊接溫度場、殘余應(yīng)力測試及拉伸破壞試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，建立了汽車后橋焊接過程的物理與數(shù)學(xué)模型，從而預(yù)測汽車后橋焊接溫度場、應(yīng)力場，為進(jìn)一步預(yù)測汽車后橋焊縫承載性能奠定了基礎(chǔ)。

1 汽車后橋懸架臂溫度場的測試

汽車后橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于汽車后橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，選取其主要承載零件懸架臂和襯套管作為研究對象。

圖1 汽車后橋數(shù)模

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用焊絲是由錦州錦泰金屬工業(yè)有限公司生產(chǎn)的桶裝JM-56焊絲，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 JM-56焊絲力學(xué)性能 %

1.2 焊接方法和焊接工藝參數(shù)

汽車后橋焊接采用機(jī)器人MAG焊方法，保護(hù)氣體為 φ（CO2）85%+φ（Ar）15%，焊接工藝參數(shù)見表 2。

表2 汽車后橋焊接工藝參數(shù)

1.3 焊接溫度場的測量

采用K型熱電偶和無紙記錄儀測量焊接溫度場，結(jié)果如圖2所示。共測量了7個(gè)點(diǎn)的焊接熱過程，各個(gè)測試點(diǎn)離焊縫邊緣的垂直距離如表3所示。

2 焊接溫度場的計(jì)算

2.1 熱源模型選擇與單元的網(wǎng)格劃分處理

圖2 懸架臂與襯套管各個(gè)測試點(diǎn)的焊接熱過程

表3 各個(gè)測試點(diǎn)離焊縫邊緣的距離

由于焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，焊接熱源主要有高斯熱源、半球型熱源和雙橢球型熱源等，但這些熱源使用起來較為繁瑣。因此工程上普遍采用單元內(nèi)部生熱的模式[7-8]，大大簡化了計(jì)算過程，并得到了良好的結(jié)果。

在進(jìn)行模擬前首先要選定網(wǎng)格的單元類型，本研究采用間接耦合的方法，即先進(jìn)行熱分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，所以單元要具有耦合功能，并且可以進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，因此選擇熱單元SOLID70劃分有限元模型。

2.2 實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比

懸架臂與襯套管各個(gè)測試點(diǎn)的焊接熱過程實(shí)測值與計(jì)算值對比如圖3所示，圖3中僅列出了2、6點(diǎn)的測量結(jié)果。

由圖3可知，測試點(diǎn)2、6的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果較為吻合，這為焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算打下了良好基礎(chǔ)。

3 焊接殘余應(yīng)力場的計(jì)算

焊接殘余應(yīng)力場的計(jì)算不需要重新建模，仍然采用溫度場的模型，但必須進(jìn)行單元類型的轉(zhuǎn)化。在焊接瞬態(tài)溫度場計(jì)算完成，且檢驗(yàn)符合要求后，可以進(jìn)行應(yīng)力場的模擬計(jì)算。重新進(jìn)入前處理，讀入溫度場模型，利用ANSYS單元轉(zhuǎn)化命令ETCHG，TTS把熱單元SOLID70轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元SOLID185，這是進(jìn)行應(yīng)力熱應(yīng)變和殘余應(yīng)變計(jì)算的前提。在結(jié)構(gòu)分析中，熱單元SOLID70和結(jié)構(gòu)單元SOLID185具有相同的單元形狀，可以直接將熱單元SOLID70替換為相應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元SOLID185來生成結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖3 測試點(diǎn)2、6的焊接熱過程實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比

3.1 計(jì)算結(jié)果與分析

垂直于焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知，沿著焊縫方向存在橫向拉應(yīng)力，且橫向應(yīng)力的大小受焊接順序的影響，后焊焊縫橫向拉應(yīng)力比先焊焊縫大，后焊焊縫對先焊焊縫有后熱作用，從而減小了先焊焊縫近縫區(qū)的殘余應(yīng)力。

3.3 殘余應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值的比較

懸架臂與襯套管的各個(gè)測試點(diǎn)的位置如圖5所示。

圖4 垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力分布

如圖6~圖9所示為懸架臂與襯套管的應(yīng)力實(shí)測值和模擬值的比較，從圖中可以看出各個(gè)測試點(diǎn)的實(shí)測值與模擬值有一定的誤差，但是沿焊縫和垂直于焊縫的方向上，各個(gè)測試點(diǎn)的趨勢基本保持一致，這說明了焊接熱物理模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）利用HYPERMESH軟件建立了汽車后橋的有限元模型，選擇solid70單元進(jìn)行熱分析，選擇solid185進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

圖5 懸架臂的各個(gè)測試點(diǎn)的位置

圖6 測試點(diǎn)1、2、3的應(yīng)力模擬值與實(shí)測值之間的比較

圖7 測試點(diǎn)2、4的應(yīng)力模擬值與實(shí)測值之間的比較

（2）基于現(xiàn)有設(shè)備和焊接工藝，對汽車后橋懸架臂和襯套管進(jìn)行了溫度場測量，利用小孔法對懸架臂進(jìn)行殘余應(yīng)力測試試驗(yàn)，為溫度場和應(yīng)力場的模擬做準(zhǔn)備。

（3）以熱彈塑性理論為基礎(chǔ)，對汽車后橋懸架臂焊接溫度場進(jìn)行了有限元計(jì)算，溫度場的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相吻合。

（4）基于焊接溫度場的計(jì)算結(jié)果，對汽車后橋懸架臂的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算，沿焊縫方向存在橫向拉應(yīng)力，且橫向應(yīng)力的大小受焊接順序的影響，后焊焊縫橫向拉應(yīng)力比先焊焊縫大，后焊焊縫對先焊焊縫有后熱作用，從而減小了先焊焊縫近縫區(qū)的殘余應(yīng)力。

圖8 測試點(diǎn)5、6、7的應(yīng)力模擬值與實(shí)測值之間的比較

圖9 測試點(diǎn)6、8的應(yīng)力模擬值與實(shí)測值之間的比較

（5）利用小孔法對汽車后橋懸架臂進(jìn)行殘余應(yīng)力測試試驗(yàn)，結(jié)果表明：各個(gè)測試點(diǎn)的實(shí)測值與計(jì)算值大小有一定的誤差，但是沿著焊縫和垂直于焊縫的方向上，各個(gè)測試點(diǎn)的趨勢基本保持一致，這說明了焊接熱物理模型的準(zhǔn)確性。

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