排氣焊縫路試斷裂問題解決方案

束銘宇

（玉柴聯(lián)合動力股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

前言

汽車零部件設計必須以市場為導向，設計壽命“過大”或“不足”的產品通常是不經濟且缺乏市場競爭力的，所以無論在汽車零部件設計開發(fā)還是試驗階段都應當考慮用戶的使用要求。汽車的耐久性試驗是考核和驗證汽車及零部件耐久性的重要手段，

對汽車排氣系統(tǒng)而言，耐久性試驗可以分為道路試驗和臺架模擬試驗[1][2]，兩種試驗方法各有優(yōu)缺點，道路耐久實驗的載荷工況為實際使用工況，實驗結果更準確，通常用于主機廠的產品認可，臺架模擬實驗的實驗載荷由于是用經驗簡化載荷或道路處理載荷，載荷工況與實際載荷存在一定偏差，與道路實驗相比，臺架模擬試驗速度快、成本低，通常用于產品設計驗證及問題解決方面。

某排氣系統(tǒng)在整車路試時，出現(xiàn)焊縫斷裂，本文對該排氣系統(tǒng)焊縫斷裂原因進行分析，對其結構進行優(yōu)化設計，并最終通過整車驗證。我們對優(yōu)化前后樣件進行路譜采集，為了提高焊縫損傷計算精度，本文沒有使用軟件中利用理論公式計算的推薦壽命曲線，而是采用工程壽命曲線試驗方法對優(yōu)化前后結構進行壽命曲線試驗，然后利用工程試驗S-N曲線對焊縫損傷進行分析，在考慮一定安全系數(shù)情況下，評估優(yōu)化設計是否可以滿足整車道路試驗，最后優(yōu)化設計通過臺架損傷分析的評估，認為路試耐久試驗風險較低，送樣主機廠做路試耐久試驗。

1 問題背景

在某排氣開發(fā)項目中，排氣系統(tǒng)路試里程約58%時，消聲器吊鉤焊縫根部出現(xiàn)斷裂。開裂起始位置為焊縫根部開始擴展。焊縫開裂原因通常分為三類：焊縫質量問題，焊縫設計問題，吊鉤結構設計問題。本文通過焊縫質量檢查、焊縫壽命曲線試驗、整車路譜采集及損傷分析等手段來判斷產生問題根源，并對排氣系統(tǒng)結構進行優(yōu)化設計。

圖1 路試中吊鉤開裂位置

2 原因分析

對斷裂焊縫進行焊縫切片質量檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫質量合格，然后對該設計焊縫進行壽命曲線實驗，得到的焊縫壽命在經驗數(shù)據范圍內，說明焊縫本身設計合理，最后對斷裂的焊縫進行路譜采集，采集工況為路試循環(huán)工況，并將焊縫測試的SN曲線做為輸入，利用ncode公司開發(fā)的GlyphWorks軟件對焊縫進行損傷分析，得到焊縫在總路試里程下的損傷為17.3，進一步檢查為焊縫測試結果，發(fā)現(xiàn)吊鉤的應力集中過大，輔助CAE強度分析，得出焊縫出現(xiàn)斷裂的原因為吊鉤設計不合理，導致應力集中過大引起。

2.1 疲勞損傷理論

采用線性的疲勞積累損傷理論中的Miner法則，材料在各個應力水平下疲勞損傷獨立進行，總損傷可以線性疊加，當積累到某一數(shù)值時材料或構建發(fā)生破壞[3]。Miner法則假設：構建所吸收的能量達到極限值時產生疲勞破壞，如破壞前可吸收能量極限為W，構件破壞前縱循環(huán)數(shù)為N，在某一循環(huán)n1時構件吸收的能量為W1，則其吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在正比關系，即：

這樣構件的加載歷程由m個不同的應力水平構成，各個應力水平下又對應著m個不同疲勞壽命和循環(huán)次數(shù)，則損傷為：

當構件吸收能量達到極限值W，即發(fā)生破壞。

2.2 焊縫實驗SN曲線理論

焊縫實驗SN疲勞曲線是基于公式（1）所示的SN函數(shù)關系，取兩個不同載荷點進行實驗，每個再載荷點做一定數(shù)量樣件，通過擬合得到曲線斜率h和常數(shù)C，從而得到焊縫在任一載荷下的壽命。通過實驗結果的方差和離散度，利用統(tǒng)計學方法，可以進一步計算不同概率的的壽命曲線，一般常用概率為10%，50%及90%[4]。

其對數(shù)形式為：

此處Δσe為加載載荷產生的應力，在不同的實驗載荷類型中，可以為實驗加載載荷，Nf為疲勞壽命，h為曲線斜率，C為曲線截距。

2.3 焊縫切片質量檢查

圖2為吊鉤斷裂區(qū)域焊縫切片位置，圖3、圖4分別為圖2標識的1#及2#位置的切片端面圖，從斷裂位置的焊縫切片分析，可以看出，焊縫與消聲器相連部位已經全熔，與吊鉤有一定熔深，根據標準 HB5135－2000，端頭全熔即判合格，所以焊縫焊接質量合格。

圖2 焊縫斷裂區(qū)域切片位置

圖3 1#位置切片分析

圖4 2#位置切片分析

圖5 焊接類型示意圖

2.4 焊縫壽命（SN）曲線測試

根據工程SN曲線實驗方法，對該設計方案進行SN曲線實驗，SN曲線實驗方法根據要求一般分為單載荷水平法和雙載荷水平法，根據公式（1）及（2）在對數(shù)坐標系下，金屬零件及焊縫的壽命與載荷為線性關系。單載荷水平法是假設焊縫壽命曲線的斜率為一定條件下，選取一個載荷，在該載荷下至少做3個有效樣本，通過統(tǒng)計的方法計算出該載荷下的平均壽命及方差，根據公式（2）及假定的斜率，擬合出壽命曲線。雙載荷水平法是在兩個載荷水平下分別做至少3個有效樣本，計算平均壽命及方差，根據公式（2）擬合出曲線的斜，計算壽命曲線。由于我們對該類型焊縫的斜率有大量的數(shù)據庫，本文采用單載荷水平法。圖6為SN曲線實驗安裝圖，圖7為SN曲線實驗結果，從SN曲線實驗結果，得出該焊縫在5百萬次壽命下，存活率為50%的疲勞強度為987N，滿足經驗要求，說明焊縫本身設計沒有問題。

圖6 SN曲線實驗安裝圖

圖7 SN曲線實驗結果

2.5 結構有限元分析及路普采集

為了排查設計方面原因，我們對吊鉤設計進行強度分析，分析發(fā)現(xiàn)，該吊鉤在4g載荷下，失效吊鉤位置的最大應力為189MPa，計算結果偏大，根據經驗該FEA應力小于150MPa為安全。計算結果見圖8。

圖8 4g載荷強度分析結果（Max. stress 189MPa）

為了進一步分析失效原因，對系統(tǒng)在路試工況下進行應變采集，通過圖6的實驗SN曲線實驗數(shù)據，計算整個路試耐久工況下焊縫的損傷。圖8為路普采集中失效吊鉤應變測試結果，從圖8可以看出，最大采集應變?yōu)?39μ，總損傷計算結果為17.3.遠大于1，根據疲勞累計損傷理論，損失大于1則會出現(xiàn)斷裂。

圖9 路普采集測試結果

3 優(yōu)化設計

首先通過CAE手段，對吊鉤設計進行優(yōu)化，圖10是優(yōu)化前后的結構設計，圖11是優(yōu)化后方案4g強度分析結果圖，對比優(yōu)化前后的CAE強度分析結果，分析結果表明4g強度分析吊鉤應力由183MPa降低到87.2MPa，應力集中有了大幅度降低。

圖10 優(yōu)化前后設計方案

圖11 優(yōu)化方案4g強度分析（Max. stress 189MPa）

然后，采用與原方案同樣的實驗方法，對優(yōu)化后方案進行SN曲線實驗，得到優(yōu)化方案與原方案SN曲線對比圖，見圖12，從圖12可以看出，吊鉤優(yōu)化前后，SN曲線差別較小。

圖12 原方案與優(yōu)化方案SN曲線對比

圖13 優(yōu)化方案路譜采集測試結果

最后對優(yōu)化后的方案在與原方案同樣的路試工況下進行應變采集，得到應變見圖13，采集的最大應變由原方案的539 μ下降到37μ，應力集中載荷大幅度下降，與CAE分析結果趨勢一致。根據試驗SN曲線實驗，對焊縫損傷進行計算，得到優(yōu)化方案的焊縫總損傷為0.0581，遠小于1。

通過CAE分析，焊縫SN曲線實驗及路譜采集和損傷分析，證明相同CAE分析條件下優(yōu)化方案應力集中比原方案下降54%，優(yōu)化前后焊縫壽命曲線相差不大，優(yōu)化方案的路譜采集應變比原方案大幅度下降，不到原方案十分之一，通過損傷分析，可以證明原方案不能通過路試耐久實驗，與整車路試實驗結果一致，通過損傷計算的結果證明優(yōu)化方案可以通過整車路試耐久實驗，最后將產品送主機廠進行路試耐久實驗，并通過整車路試耐久實驗驗證。

4 結論

本文針對排氣系統(tǒng)吊鉤焊縫在路試中出現(xiàn)斷裂的問題進行原因分析，分別從焊縫質量，焊縫壽命及結構設計方面進行原因分析，得出焊縫質量及焊縫壽命均符合要求，為結構設計引起應力集中過大而使得焊縫失效。

結合失效的原因，通過CAE的方法進行結構優(yōu)化設計，降低應力集中，最后通兩種方案的路譜采集及焊縫損傷分析，驗證了優(yōu)化后的方案可以通過整車路試耐久實驗，并使得樣件最終通過了整車路試耐久實驗。

參考文獻

[1] 劉再生,霍福祥,楊立峰,等.基于路譜輸入的汽車臺架耐久性試驗方法研究[J].汽車技術,2010(9)47-50.

[2] 康強,左曙光,周煒,等.汽車用戶道路行駛載荷譜測量及推斷方法研究[J].汽車技術,2009(10)∶55-58.

[3] 馮勝線性疲勞損傷累計理論的研究[J].哈爾濱∶哈爾濱工業(yè)大學學報,2003年5月,Vol. 35, No.5

[4] 張宇明基于等效結構應力法SPR疲勞研究[J].2015年HEM-ncode疲勞耐久技術研討會征文.