商用車SCR箱吊架焊縫失效分析與改進

徐磊，劉兵，肖波，李越斌

商用車SCR箱吊架焊縫失效分析與改進

徐磊，劉兵，肖波，李越斌

（三一集團有限公司，湖南 長沙 410100）

某商用車在強化路試行駛里程達10000Km至40000Km時，SCR箱吊架支座焊縫處出現(xiàn)裂紋、斷裂現(xiàn)象，嚴重影響車輛質(zhì)量與安全；為查明故障的根本原因并提高結(jié)構(gòu)的使用壽命，基于Hyperworks軟件建立吊架的有限元模型，分別對不同結(jié)構(gòu)形式的吊架在不同路況下進行CAE模擬分析。分析結(jié)果表明，在支座與鋼管的焊接部位，存在應力集中，并在變載荷的交替作用下產(chǎn)生疲勞斷裂；對支架設(shè)計進行優(yōu)化，通過改變材料、改善接方式、控制零部件質(zhì)量等措施加強支架強度，分析與試驗結(jié)果表明措施有效。合理的焊接形式以及材料選擇能夠改善結(jié)構(gòu)強度及應力分布，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時具有較大的參考意義。

應力集中；疲勞斷裂；CAE分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

SCR箱作為柴油機的尾氣處理裝置，可處理汽車尾氣中的氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）等有害氣體，是汽車上不可缺少的裝置之一[1-2]。SCR箱吊架作為連接SCR箱與車架的結(jié)構(gòu)件，既要承受SCR箱的自身重量，又要承受來自發(fā)動機的振動以及車輛行駛過程中產(chǎn)生的顛簸等，若結(jié)構(gòu)失效，會造成SCR箱掉落，導致發(fā)動機排放不合格，發(fā)動機限扭等重大的事故，影響車輛正常行駛，造成經(jīng)濟損失。文章對SCR箱吊架焊縫開裂的原因做具體分析，提出解決措施并驗證有效。

1 故障描述

某商用車在道路試驗過程中，SCR吊架支座與鋼管的焊縫連接處多次出現(xiàn)開裂、鋼管斷裂的故障現(xiàn)象，開裂位置如圖1所示；其在整車上的安裝位置如圖2所示，SCR箱與SCR箱吊架通過兩根箍帶緊固，裝配在車架右側(cè)。

圖1 焊縫開裂位置

圖2 SCR箱裝配位置

SCR箱吊架發(fā)生焊縫開裂、鋼管斷裂的車輛行駛里程均在10000-40000公里范圍內(nèi)，在如此短距離的里程內(nèi)發(fā)生多次故障絕非偶然。

2 原因分析

通過對故障件進行分析，發(fā)現(xiàn)失效模式為支座與圓管處的焊縫先開裂，裂紋擴展后導致圓管的應力更加集中，最終使圓管發(fā)生斷裂，造成焊縫開裂的原因如下：

（1）支座與圓管的焊接方式不合理

在車輛行駛過程中，由于SCR箱的自身重量及路面不平造成的顛簸，會使得支座與圓管連接處不斷的承受上下的循環(huán)應力；通過觀察5個失效的SCR箱吊架，發(fā)現(xiàn)支座與圓管的焊接方式為整圈環(huán)焊縫或上下四點焊縫，這種焊接方式會造成焊接處應力集中，再加上長時間的循環(huán)應力從而導致疲勞開裂，使零部件的使用壽命大幅降低[3]。

為驗證分析原因，通過采集試驗場地路譜，獲得整車車架X、Y、Z三個方向的振動參數(shù)。基于試驗數(shù)據(jù)對SCR進行隨機振動疲勞分析，主要包括以下兩個工況：

1）同一種路況，X、Y、Z三個方向同時振動下的疲勞壽命分析；

2）不同路況，Y、Z向振動下的疲勞壽命分析。分析順序為“好路Z向”—“壞路Z向”，路面信息如圖3所示，兩種路面的頻率/功率密度譜曲線如圖4所示。

圖3 好路與壞路路況

圖4 兩種路面的頻率/功率密度譜曲線

保持支座（球墨鑄鐵）與鋼管(Q345)的材料不變，將焊接方式由環(huán)焊改為塞焊[4]，如圖5所示，利用采集的路譜激勵數(shù)據(jù)，通過振動分析獲得SCR支架的的模態(tài)及振動激勵下的振動疲勞結(jié)果。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)的焊接位置

1）在同一種路況下，根據(jù)實際情況模擬整車滿載狀態(tài)，兩種焊接方式的吊架在X、Y、Z三個方向同時振動下的疲勞壽命如圖6所示：

圖6 同一路況的壽命云圖

分析結(jié)果如表1所示，公里數(shù)超過60萬公里視為不開裂。

表1 同一路況的壽命對比

2）在不同的路況下，車輛處于滿載狀態(tài)，分別對兩種焊接方式的吊架在Y、Z向振動下進行疲勞壽命分析；分析順序為“好路Z向100S”—“壞路Z向900S”，壽命云圖如圖7所示：

分析結(jié)果如表2所示：

表2 不同路況的壽命對比

分析結(jié)果表明，相同材料情況下，將焊縫形式由環(huán)焊縫改為塞焊，在滿載好路工況下，塞焊結(jié)構(gòu)的零件壽命為環(huán)焊結(jié)構(gòu)的200倍，滿載壞路工況下，塞焊結(jié)構(gòu)的零件壽命為環(huán)焊結(jié)構(gòu)的6倍；在不同路況的混合工況下，塞焊結(jié)構(gòu)的零件壽命為環(huán)焊結(jié)構(gòu)的5倍；由此可見，通過改善零件的焊接方式，可以使零件的使用壽命大幅度增加。

（2）零件材料選擇不合理

失效的5個SCR箱吊架支座材料均是球墨鑄鐵（QT450），圓管材料均為Q235鋼管；分析發(fā)現(xiàn)，雖然球墨鑄鐵的抗拉強度與屈服強度遠高于鑄鐵，性能與鑄鋼類似，屬于高強度鑄鐵，但它的焊接性能極差，使得焊接后的零件的力學性能滿足不了使用要求，這是造成焊縫開裂的主要原因之一[5]；圓管的材料Q235屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服強度為235MPa，在支座與圓管的焊接處存在應力集中，Q235的鋼管的屈服強度偏低，這是造成鋼管斷裂的主要原因[6]。

在焊接方式一致的情況下，采集路譜分別對Q235與Q345材料的托架進行進行CAE仿真分析，壽命云圖如圖8所示：

圖8 不同材料的壽命云圖

分析結(jié)果如表3所示：

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，Q345材料的SCR箱托架壽命約是Q235材料SCR箱托架壽命的8倍左右；Q235材料的吊架壽命約為1萬公里，目前SCR箱吊架斷裂的里程數(shù)基本在1～4萬公里的范圍內(nèi)（分別是4萬、2.9萬、2.8萬、1.1萬、3萬），與分析結(jié)果基本符合，由此可見，通過改善材料可以大幅提高零件的使用壽命。

表3 不同材料的壽命對比

（3）焊縫不飽滿

分析發(fā)現(xiàn)，斷裂的SCR箱吊架焊縫不飽滿，存在明顯的凹陷，如圖9所示，這是由于支座與鋼管的焊縫接觸面積小，導致引弧收弧位置出現(xiàn)缺陷，而整車振動會引起焊縫沿缺陷部位疲勞開裂。

圖9 焊縫凹陷示意圖

（4）共振

路面激勵對結(jié)構(gòu)影響較大，分析圖4可知，在頻率14Hz至18Hz范圍內(nèi)，車架側(cè)向振動數(shù)據(jù)功率密度譜幅值處于波峰位置；而如表4所示，SCR結(jié)構(gòu)第一階固有頻率也為16Hz左右，與車架的頻率共振[7]，此時車架側(cè)向振動對SCR支架壽命影響很大。

表4 零件固有頻率

3 結(jié)論

為保證零部件質(zhì)量，提高零件的使用壽命，防止再出現(xiàn)類似故障，提出以下幾點改進措施。

（1）將圓管材料由Q235改為Q345，提高零件的屈服強度。

（2）將零件支座材料由球墨鑄鐵改為鍛件，增加支座與圓管的焊接性能。

（3）將焊縫結(jié)構(gòu)更改為塞焊結(jié)構(gòu)，塞焊孔直徑為23.5mm，每個支座共4個塞焊孔（對稱分布），提高結(jié)構(gòu)壽命。

（4）焊縫質(zhì)量對供應商提出要求，保證焊縫飽滿，無明顯的凹坑缺陷。

通過對優(yōu)化后零件進行路試試驗，零件在4萬公里內(nèi)無故障發(fā)生；四個月內(nèi)，市場車輛反饋零件故障率為零，表明對策有效。

[1] 劉傳寶,顏伏伍,胡杰,等.柴油機SCR后處理系統(tǒng)控制策略[J].農(nóng)業(yè)機械學報.2013;44(11):6-11.

[2] 汪宗御,鄺海浪,張繼鋒,等.基于DOC+SCR的船用柴油機尾氣污染物脫除試驗[J].化工學報.2018;69(7):3249-3256.

[3] 張良,張廣利,楊鋒平,等.環(huán)焊縫開裂原因分析[C].金屬熱處理. 2014;39(12):151-156.

[4] 季亞娟.摩擦塞焊及其研究現(xiàn)狀.航空制造技術(shù).2008(24): 74-75.

[5] 周文明.球墨鑄鐵與高強度鋼的焊接.焊接技術(shù).2015;44(4):82-83.

[6] 羅云蓉,王清遠,劉永杰,等.Q235、Q345鋼結(jié)構(gòu)材料的低周疲勞性能[J].四川大學學報（工程科學版）.2012;44(2):169-175.

[7] 劉文光,陳國平.軸向共振控制的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展分析[J].南京航空航天大學學報.2010(3):298-302.

Analysis of Failure Reasons and Improvement of the SCR Box Bracketon Commercial Vehicle

Xu Lei, Liu Bing, Xiao Bo, Li Yuebin

( Sany Group Ltd.Company, Hunan Changsha 410100 )

When a commercial vehicle was running in a road test about 10000km to 40000 km for reliability, a bracket which was mounted on SCR box appeared crack and breakage, This seriously affects the safety and quality of vehicles. In order to find out the root cause of failure and improve the service life of part, a finite element model was building with Hyperworks, and carried out CAE analysis of components with different structures under different road conditions. The result has shown that the stress concentration exists in the welding position between the support and the pipe, and fatigue cracks occur under the action of variable load. The bracket was redesigned that material, welding and quality were optimized, The analysis and test results show that strength had great improvement. Reasonable welding method and material selection can improve the structural strength and stress distribution, which has great reference significance in structural design.

Stress concentration; Fatigue break; CAE analysis; Structrure optimization

B

1671-7988(2019)21-73-04

TG457

B

1671-7988(2019)21-73-04

徐磊（1991-），四川大學碩士研究生，動力工程師，中級工程師，就職于三一集團有限公司。研究方向：裂紋擴展及剩余壽命研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.025

CLC NO.: TG457