提高中型驅(qū)動(dòng)后橋殼焊接接頭疲勞壽命的方法

胡義華 柳明 黃志超 盧拱華 張玉寬

摘要：針對(duì)某中型驅(qū)動(dòng)后橋殼總成發(fā)生垂直彎曲疲勞斷裂的問題，分析了該中型驅(qū)動(dòng)后橋殼總成在垂直彎曲交變載荷作用下Y型焊縫疲勞斷裂的特征及原因。提出三種提高橋殼焊接疲勞壽命的方法：（1）變更設(shè)計(jì)方案，將三角板焊縫內(nèi)移12.5 mm;（2）焊縫接頭開坡口;（3）采用大熔深MAG焊恒熔深新工藝焊接Y型焊縫。通過上述方法保證了焊縫熔深以避免后橋殼總成Y型焊縫疲勞裂紋的產(chǎn)生，提高其疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)后橋殼總成;數(shù)值模擬;疲勞壽命;大熔深焊接

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0106-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.22

0 前言

汽車驅(qū)動(dòng)橋處于傳動(dòng)系末端，是用來改變來自變速器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將它們傳遞給驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)構(gòu)，在汽車行駛過程中同時(shí)還要承受作用于路面與車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力，以及制動(dòng)力矩和反作用力，是汽車的關(guān)鍵零部件之一[1]。驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、半軸和驅(qū)動(dòng)橋殼等組成。驅(qū)動(dòng)橋殼是安裝主減速器、差速器、半軸、輪轂和懸架的基礎(chǔ)件，其主要作用是支承并保護(hù)主減速器、差速器和半軸等零部件。同時(shí)，它又是行駛系的主要組成件之一，還具有承重、固定車輪、承受驅(qū)動(dòng)輪傳來的各種反力、作用力和力矩等功能[2]。

汽車靜態(tài)時(shí)，后橋總成所受載荷為靜載荷;汽車行駛時(shí)，后橋總成所承受載荷為動(dòng)載荷。汽車加速或制動(dòng)時(shí)，既會(huì)導(dǎo)致載荷的重新分配，還要承受沖擊載荷等，這些無規(guī)律且不斷變化的載荷造成車橋不斷變形，車橋的基本變形除了純彎曲、純扭轉(zhuǎn)變形外，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形[3]。由于車橋承受的是無規(guī)律的交變載荷，預(yù)防橋殼疲勞損壞斷裂是橋殼生產(chǎn)質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

項(xiàng)生田[4]基于有限元理論并考慮了焊縫對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，對(duì)焊縫局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究表明：焊縫的疲勞強(qiáng)度低于母材的疲勞強(qiáng)度，這與焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度通常取決于焊縫接頭疲勞強(qiáng)度的實(shí)際情況是一致的。丁劍偉[5]等分析了焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的各種影響因素，以焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般原則為基礎(chǔ)，提出了提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的措施。

1 橋殼總成垂直彎曲疲勞Y型焊縫開裂的特征及原因分析

橋殼總成由半軸套管、橋殼本體總成、彈簧板座總成、加強(qiáng)環(huán)、法蘭盤及氣室支座，采用CO2氣體保護(hù)焊焊接組合而成。其中，橋殼本體總成采用板厚10 mm的大梁板，材質(zhì)為B510L，兩端管徑為120 mm，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，橋殼總成如圖1所示。

通過對(duì)開裂故障橋殼失效圖片的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其開裂部位相似，均為加強(qiáng)環(huán)面橋殼本體Y型焊縫處開裂，開裂起點(diǎn)為圖1三角板尖點(diǎn)處，焊縫開裂為橋殼主要失效模式。通過焊縫斷口分析，發(fā)現(xiàn)失效焊縫普遍存在熔深不足和不均勻現(xiàn)象。

由于該種橋殼總成結(jié)構(gòu)的三角板焊縫距彈簧鋼板座總成非常近，該焊縫不僅要承受垂直彎曲力，還要承受扭轉(zhuǎn)力，在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中受力狀況更加復(fù)雜，所以保證Y型焊縫的熔深非常重要[6-8]。

2 焊縫熔深與疲勞壽命的關(guān)聯(lián)性試驗(yàn)及模擬分析

2.1 焊縫熔深與疲勞壽命的關(guān)聯(lián)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證焊縫熔深和疲勞壽命的關(guān)系，制作了不同焊接熔深的橋殼，進(jìn)行多次模擬使用狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)。通過垂直彎曲疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在2.5倍載荷作用下，該橋殼總成三角板區(qū)域焊縫開裂，其垂直彎曲疲勞壽命在45.6～65.9萬次之間，未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的80萬次，具體試驗(yàn)情況如表2所示。

通過疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：Y型焊縫熔深增加，疲勞強(qiáng)度增加。焊縫熔深為橋殼本體板厚（10 mm）的60%以下，即熔深小于6 mm時(shí)，焊縫疲勞強(qiáng)度均為不合格。

2.2 焊縫熔深與疲勞壽命的數(shù)值模擬

運(yùn)用FEMFAT軟件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，以找出能夠滿足疲勞強(qiáng)度的最小熔深值，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，前處理：ANSA;求解器：ABAQUS、FEMFAT;后處理：ABAQUS、FEMFAT。

Y型焊縫在FEMFAT中進(jìn)行分析必須具備以下條件：（1）正確定義Y型焊縫焊接類型及交叉點(diǎn)屬性，如圖2所示，焊縫周圍應(yīng)為四邊形網(wǎng)格;（2）與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)定分析方法是否正確。只要數(shù)量級(jí)與試驗(yàn)結(jié)果相符，即可認(rèn)為分析方法是合理的，計(jì)算結(jié)果是可信的[9-10]。Y型焊縫在FEMFAT中只有50%和80%兩種熔深類型（見圖3、圖4）。實(shí)際生產(chǎn)中的Y型焊縫，其焊縫熔深最大不到70%。

分析圖3、圖4可知：（1）80%熔深的Y型焊縫計(jì)算的最低壽命為80.2萬次;（2）50%熔深的Y型焊縫與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。計(jì)算結(jié)果顯示，開裂最可能發(fā)生在距離交叉點(diǎn)25～45 mm的下側(cè)三角板焊縫上。交叉點(diǎn)上相對(duì)壽命高于試驗(yàn)要求。

3 橋殼總成垂直彎曲疲勞Y型焊縫開裂解決方法

根據(jù)FEMFAT軟件分析結(jié)果，以及對(duì)失效焊縫金相組織分析，同時(shí)結(jié)合該種橋殼總成承載質(zhì)量、焊縫開裂方式及該橋殼總成結(jié)構(gòu)，得出三種可解決Y型焊縫處開裂問題的方法。

（1）設(shè)計(jì)方案變更，將三角板焊縫內(nèi)移12.5 mm，如圖5所示。

設(shè)計(jì)變更三角板焊縫位置后，模擬結(jié)果如圖6所示，50%熔深的Y型焊縫的最低壽命為80.2萬次，高于試驗(yàn)要求。

（2）焊縫接頭開坡口，提高焊縫熔深。

為增加Y型焊縫熔深，該區(qū)域橋殼本體和三角板均需開坡口（見圖7）。該區(qū)域分二層進(jìn)行焊接，第一層采用φ1.2 mm的ER50-6實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為CO2，氣流量20～25 L/min，焊接電流180～240 A，電壓25～29 V，焊接速度0.45 m/min;第二層采用φ1.2 mm的ER50-6實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為CO2，氣流量為20～25 L/min，焊接電流260～300 A，電壓28～32 V，焊接速度0.60 m/min，焊接后焊縫寬14～18 mm，余高2～3 mm。第一層三角板兩條焊縫焊接完成后，再焊接第二層焊縫。

橋殼本體及三角板開坡口處理的焊縫，焊接后經(jīng)宏觀金相檢測(cè)熔深達(dá)本體材料厚度的80%以上，經(jīng)垂直彎曲疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，疲勞壽命大于80萬次，符合要求。由此可見，通過橋殼本體和三角板開坡口的方式，采用雙層焊接方法提高焊縫熔深，可使橋殼疲勞壽命達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）采用大熔深MAG焊恒熔深新工藝焊接Y型焊縫，提高焊縫熔深。

經(jīng)反復(fù)查詢比較國(guó)內(nèi)外焊接新工藝，并考慮到橋殼本體材料B510L焊接性能良好，采用一種大熔深MAG焊新工藝[11-12]。焊接電源為松下生產(chǎn)的YM-500GL4多功能焊接電源，焊接材料為φ1.2 mm的ER50-6實(shí)心鍍銅焊絲，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，氣流量20～25 L/min，焊接中厚橋殼本體不開坡口焊接，如圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝焊接的焊縫熔深達(dá)80%以上，焊縫金相組織優(yōu)于采用CO2氣體焊接的焊縫（見圖9）;采用大熔深MAG焊新工藝焊接3臺(tái)橋殼總成，疲勞試驗(yàn)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，如表3所示。

4 結(jié)論

針對(duì)文中提出的三種提高橋殼焊接疲勞壽命的方法，分析研究后得出以下結(jié)論：

（1）采用方法一，即設(shè)計(jì)方案變更，將三角板縮小，焊縫內(nèi)移12.5 mm。但通過橋殼本體成型分析，因該設(shè)計(jì)更變，材料利用率由原來的79.5%減少至62.3%，每臺(tái)橋殼增加制造成本近25.6元，同時(shí)現(xiàn)有模具需變更，需增加費(fèi)用16萬元。

（2）采用方法二，即焊縫接頭開坡口，提高Y型焊縫熔深可使橋殼疲勞壽命達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)要求。但需購(gòu)買設(shè)備加工坡口;經(jīng)計(jì)算單臺(tái)生產(chǎn)成本增加31.2元;但生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)。

（3）采用方法三，即采用大熔深MAG焊接新工藝焊接Y型焊縫。以前的工序生產(chǎn)及模具均無需改變，直接利用焊接電源新開發(fā)的深透弧焊接工法，免開坡口，單道焊接即可獲得較大的焊縫熔深，且熔深穩(wěn)定一致、焊縫成形美觀。

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收稿日期：2020-04-17;修回日期：2020-05-13

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（20192BBEL50013，20181BBE50011）

作者簡(jiǎn)介：胡義華（1972— ），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的研究。E-mail：hyh@jlchassis.com。

通訊作者：黃志超（1971— ），男，教授，博士。E-mail：hzcosu@163.com。