基于試驗(yàn)分析的鋁合金副車(chē)架焊接強(qiáng)度研究

連 昊，李昭榮

（柳州五菱汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

副車(chē)架作為車(chē)身與汽車(chē)懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，屬于汽車(chē)底盤(pán)的安全結(jié)構(gòu)件，它對(duì)于提高汽車(chē)的舒適性和安全性有很大的幫助，現(xiàn)在其材料一般為鋼。但近年來(lái)，汽車(chē)輕量化的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，鉛合金在汽車(chē)行業(yè)中的使用比例越來(lái)越大，而且，隨著能源、環(huán)境及安全問(wèn)題的凸顯與對(duì)環(huán)保問(wèn)題的重視，汽車(chē)工業(yè)把減輕汽車(chē)質(zhì)量、降低油耗作為提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵之一，故鋁合金副車(chē)架將會(huì)成為未來(lái)底盤(pán)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

目前鋁合金副車(chē)架有一體式也有焊接式，其中焊接式以鋁合金焊接工藝為主要需要掌握的技術(shù)之一?，F(xiàn)有一款三段拼焊式鋁合金副車(chē)架正在開(kāi)發(fā)，需要研究其焊接工藝以及焊接強(qiáng)度，用以指導(dǎo)產(chǎn)品焊縫搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度校核，盡量避免后續(xù)出現(xiàn)問(wèn)題多次更改帶來(lái)的時(shí)間與成本的浪費(fèi)。

1 鋁合金副車(chē)架焊接工藝

本研究的鋁合金副車(chē)架為三段式結(jié)構(gòu)，焊接工藝如圖1 所示，主要焊接部位為中塊與左右塊環(huán)形搭接處，要求環(huán)形的四邊全部焊接，接頭形式為搭接與角接兩種結(jié)構(gòu)，其中中塊材料為6061-T6 鋁合金，左右塊材料為ZL114A 鋁合金，鑄造后進(jìn)行T6 熱處理，其焊接為形變鋁合金和鑄造鋁合金的異種鋁合金焊接。

圖1 鋁合金副車(chē)架焊接工藝流程

該鋁合金副車(chē)架采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊，即MIG 焊，焊絲采用ER5087，焊機(jī)采用德國(guó)EWM。焊縫搭接處左右塊厚度為6 mm，中塊厚度為7 mm，通過(guò)查相關(guān)手冊(cè)得到推薦的初始焊接參數(shù)，然后通過(guò)試焊后的切片熔深檢測(cè)來(lái)觀(guān)察是否滿(mǎn)足熔深要求，從而優(yōu)化焊接參數(shù)。由于目前行業(yè)內(nèi)對(duì)鋁合金還沒(méi)有較為統(tǒng)一的熔深標(biāo)準(zhǔn)，故需要制定適合自己產(chǎn)品相應(yīng)的熔深標(biāo)準(zhǔn)。目前了解到的業(yè)內(nèi)熔深標(biāo)準(zhǔn)有0.05tmin、0.1tmin、0.2tmin等幾大類(lèi)，根據(jù)實(shí)際焊接情況以及成本考慮，初選0.1tmin作為標(biāo)準(zhǔn)，具體的標(biāo)準(zhǔn)要求如表1 所示。

表1 鋁合金焊接熔深標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，計(jì)算母材本身強(qiáng)度，一般原則是母材的屈服強(qiáng)度最小值，然后再按一定的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而產(chǎn)品焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度按多少進(jìn)行設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外到目前為止找不到任何資料。為了能指導(dǎo)產(chǎn)品焊接搭接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度的評(píng)估，同時(shí)校核0.1tmin熔深標(biāo)準(zhǔn)的可行性，需對(duì)鋁合金焊縫接頭強(qiáng)度進(jìn)行研究。

2 焊縫接頭靜強(qiáng)度研究

ZL114A-T6 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為290 MPa，屈服強(qiáng)度為200 MPa，6061-T6 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為260 MPa，屈服強(qiáng)度為240 MPa。為了研究6 mm 厚的ZL114A 與6061-T6 鋁合金在0.1tmin熔深要求下的焊縫接頭力學(xué)性能，特制作了兩塊搭接焊縫試板和兩塊角接焊縫試板（兩側(cè)材料為6061-T6，中間材料為ZL114A-T6），取號(hào)A1-A4，并對(duì)其分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 鋁合金焊接試樣拉伸試驗(yàn)

從上表可以看出，搭接焊縫的兩塊試板A1、A2均為焊縫邊緣開(kāi)裂，且開(kāi)裂側(cè)均為材料為ZL114AT6 的板材側(cè)，抗拉強(qiáng)度分別為103.2 MPa 和122.2 MPa，分別為母材強(qiáng)度的39.7%和47.0%（母材強(qiáng)度以較低的為準(zhǔn)）；角接焊縫的兩塊試板A3、A4 均為焊縫邊緣開(kāi)裂，且開(kāi)裂側(cè)均為材料為ZL114A-T6 的板材側(cè)，抗拉強(qiáng)度分別為114.5 MPa 和125.7 MPa，分別為母材強(qiáng)度的44.0%和48.3%。

同時(shí)，對(duì)4 塊試樣的開(kāi)裂處焊縫進(jìn)行切片熔深檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為A1 不合格，A2、A3、A4 均合格，具體見(jiàn)表3 所示。

表3 試樣焊縫熔深檢測(cè)

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，滿(mǎn)足熔深標(biāo)準(zhǔn)要求的搭接和角接焊縫接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的40%以上，大約在40%～50%之間，可知焊縫極限強(qiáng)度達(dá)到母材極限強(qiáng)度的百分比約等于0.4，等效得出焊縫屈服強(qiáng)度為母材較小屈服強(qiáng)度（220 MPa）乘以0.4，即為220 × 0.4 = 88 MPa。

3 焊縫接頭疲勞強(qiáng)度研究

焊縫開(kāi)裂有兩種形式，一種是由焊縫靜載強(qiáng)度控制的塑性流變斷裂，斷裂條件：應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度；另一種由焊縫韌性控制的脆性破壞，也稱(chēng)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂。要保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，必須是載荷小于強(qiáng)度極限且焊縫疲勞強(qiáng)度能抵抗裂紋擴(kuò)展。

為了研究6 mm 厚的ZL114A 與6061-T6 鋁合金在0.1 tmin 熔深要求下的焊縫接頭疲勞性能，特制作了兩塊搭接焊縫試板和兩塊角接焊縫試板（兩側(cè)材料為6061-T6，中間材料為ZL114A-T6），取號(hào)B1-B4，并以試驗(yàn)焊縫應(yīng)力低于靜強(qiáng)度極限60%和90%分別對(duì)其進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)。由于焊縫的屈服強(qiáng)度為88 MPa，故選取試驗(yàn)焊縫應(yīng)力分別為：B1、B3 為79.2 MPa 和B2、B4 為52.8 MPa。通過(guò)CAE 分析可知，相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)拉力載荷為B1：2 277 N、B2：1 518 N、B3：3 360 N、B4：2 240 N，具體CAE 應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 B1-B4 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力云圖

對(duì)B1-B4 分別進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)后得到4 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，B1 試驗(yàn)到13.5 萬(wàn)次開(kāi)裂，B2 試驗(yàn)到54.2 萬(wàn)次開(kāi)裂，B3 試驗(yàn)到12.4 萬(wàn)次開(kāi)裂，B4 試驗(yàn)到56.8 萬(wàn)次開(kāi)裂，開(kāi)裂處均為焊縫邊緣處，具體見(jiàn)表4 所示。同樣對(duì)4 個(gè)試樣開(kāi)裂處焊縫進(jìn)行切片熔深檢測(cè)，結(jié)果都合格。

從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，當(dāng)試驗(yàn)焊縫應(yīng)力為靜強(qiáng)度極限的60%時(shí)，焊縫疲勞壽命高于50 萬(wàn)次；當(dāng)試驗(yàn)焊縫應(yīng)力為靜強(qiáng)度極限的90%時(shí)，焊縫疲勞壽命高于10 萬(wàn)次，那么便可得出焊縫疲勞壽命x 與試驗(yàn)焊縫應(yīng)力達(dá)到靜強(qiáng)度極限百分比y%之間的關(guān)系：y =-0.75x + 97.5。

表4 鋁合金焊接試樣拉伸疲勞試驗(yàn)

該鋁合金副車(chē)架需滿(mǎn)足臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，其中包括縱向臺(tái)架試驗(yàn)和側(cè)向臺(tái)架試驗(yàn)?？v向臺(tái)架試驗(yàn)要求零件試驗(yàn)循環(huán)達(dá)35 萬(wàn)次不開(kāi)裂，側(cè)向臺(tái)架試驗(yàn)要求零件試驗(yàn)循環(huán)達(dá)30 萬(wàn)次不開(kāi)裂，故縱向臺(tái)架工況下產(chǎn)品焊縫靜應(yīng)力要小于220 × 0.4 × 0.7125 = 62.7 MPa，側(cè)向臺(tái)架工況下產(chǎn)品焊縫靜應(yīng)力要小于220 ×0.4 × 0.75 = 66 MPa。

4 鋁合金副車(chē)架焊縫強(qiáng)度分析

在研究完鋁合金焊縫接頭靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度之后，便對(duì)該鋁合金副車(chē)架進(jìn)行整車(chē)路試工況和臺(tái)架工況下CAE 強(qiáng)度分析。整車(chē)路試工況選取向前緊急制動(dòng)、單側(cè)過(guò)深坑、極限轉(zhuǎn)向3 個(gè)典型工況進(jìn)行CAE分析，焊縫采用Solid70 實(shí)體單元模擬，得到相應(yīng)工況下副車(chē)架焊縫應(yīng)力云圖，如下圖3 所示。向前緊急制動(dòng)工況下副車(chē)架焊縫最大應(yīng)力為72.7 MPa，過(guò)單側(cè)深坑工況下副車(chē)架焊縫最大應(yīng)力為77.5 MPa，極限轉(zhuǎn)向工況下副車(chē)架焊縫最大應(yīng)力為63.2 MPa，均小于88 MPa，產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足路試極限工況要求。

圖3 路試工況副車(chē)架焊縫應(yīng)力云圖

臺(tái)架工況選取縱向與側(cè)向臺(tái)架工況進(jìn)行CAE 分析，得到相應(yīng)工況下副車(chē)架焊縫應(yīng)力云圖，如圖4 所示?？v向臺(tái)架工況下副車(chē)架焊縫最大應(yīng)力分別為49.7 MPa，小于62.7 MPa；側(cè)向臺(tái)架工況下副車(chē)架焊縫最大應(yīng)力為37.7 MPa，小于66 MPa，故產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足臺(tái)架疲勞要求。

圖4 臺(tái)架工況副車(chē)架焊縫應(yīng)力云圖

副車(chē)架全部校核工作完成后出具試制圖紙指導(dǎo)樣件試制，其中焊縫按前面鎖定的焊接參數(shù)與熔深標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接，得到產(chǎn)品原型樣件。隨后對(duì)樣件進(jìn)行襯套、擺臂等環(huán)境件的裝配，并按照整車(chē)安裝方式裝在臺(tái)架試驗(yàn)工裝上，分別開(kāi)展縱向與側(cè)向臺(tái)架耐久試驗(yàn)，如圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果為，產(chǎn)品樣件順利通過(guò)臺(tái)架耐久試驗(yàn)，焊縫無(wú)開(kāi)裂，驗(yàn)證了前面鋁合金焊縫接頭強(qiáng)度研究與產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度校核的有效性，同時(shí)以此可以初步鎖定焊接參數(shù)與熔深標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 鋁合金副車(chē)架臺(tái)架耐久試驗(yàn)

5 總結(jié)

針對(duì)某一鋁合金副車(chē)架，采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊方法，焊絲采用ER5087，以0.1tmin熔深標(biāo)準(zhǔn)為要求，制定了焊接參數(shù)，并以此焊接規(guī)范焊接了若干試樣。通過(guò)試樣的靜拉伸試驗(yàn)得知，鋁合金角接與搭接焊縫接頭強(qiáng)度約為母材的40% ～50%；同時(shí)通過(guò)試樣的拉伸疲勞試驗(yàn)得到了鋁合金焊縫疲勞壽命與試驗(yàn)焊縫應(yīng)力達(dá)到靜強(qiáng)度極限百分比之間的關(guān)系。通過(guò)一系列試驗(yàn)分析，得出了指導(dǎo)與校核產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度的初步標(biāo)準(zhǔn)，并以此校核了該鋁合金副車(chē)架的焊縫強(qiáng)度。通過(guò)后續(xù)的臺(tái)架耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證了前面鋁合金焊縫接頭強(qiáng)度研究與產(chǎn)品焊縫強(qiáng)度校核的有效性。當(dāng)然，本分析研究?jī)H針對(duì)該鋁合金副車(chē)架，未對(duì)不同材料、板厚、搭接形式、焊絲、焊接參數(shù)等進(jìn)行差異分析，有一定局限性，但該分析問(wèn)題的思路方法對(duì)其他鋁合金底盤(pán)焊接件的開(kāi)發(fā)都有借鑒意義。