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) 江蘇省先進焊接技術(shù)重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)已成為國家重要的經(jīng)濟支柱之一[1]。汽車后橋作為整車的一個關(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)范進行設(shè)計，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、路譜及疲勞試驗出發(fā)，研究汽車后橋焊縫質(zhì)量評價體系，而準(zhǔn)確預(yù)測汽車后橋焊接殘余應(yīng)力是進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)件進行焊接溫度場、殘余應(yīng)力測試及拉伸破壞試驗，并在此基礎(chǔ)上運用有限元仿真技術(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，為縮短計算時間，提高計算效率，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 試驗材料

試驗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器人MAG焊方法，保護氣體為 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個點的焊接熱過程，各個測試點離焊縫邊緣的垂直距離如表3所示。

2 焊接溫度場的計算

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測試點的焊接熱過程

表3 各個測試點離焊縫邊緣的距離

由于焊接是一個非常復(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]，大大簡化了計算過程，并得到了良好的結(jié)果。

在進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，即先進行熱分析，再進行結(jié)構(gòu)分析，所以單元要具有耦合功能，并且可以進行熱-應(yīng)力耦合分析，因此選擇熱單元SOLID70劃分有限元模型。

2.2 實測與計算結(jié)果對比

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

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

3 焊接殘余應(yīng)力場的計算

焊接殘余應(yīng)力場的計算不需要重新建模，仍然采用溫度場的模型，但必須進行單元類型的轉(zhuǎn)化。在焊接瞬態(tài)溫度場計算完成，且檢驗符合要求后，可以進行應(yīng)力場的模擬計算。重新進入前處理，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，這是進行應(yīng)力熱應(yīng)變和殘余應(yīng)變計算的前提。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)點結(jié)構(gòu)單元SOLID185來生成結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖3 測試點2、6的焊接熱過程實測與計算結(jié)果對比

3.1 計算結(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)力實測值與計算值的比較

懸架臂與襯套管的各個測試點的位置如圖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)力實測值和模擬值的比較，從圖中可以看出各個測試點的實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，各個測試點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單元進行熱分析，選擇solid185進行結(jié)構(gòu)分析。

圖5 懸架臂的各個測試點的位置

圖6 測試點1、2、3的應(yīng)力模擬值與實測值之間的比較

圖7 測試點2、4的應(yīng)力模擬值與實測值之間的比較

（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行了溫度場測量，利用小孔法對懸架臂進行殘余應(yīng)力測試試驗，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行了有限元計算，溫度場的計算結(jié)果與實測值相吻合。

（4）基于焊接溫度場的計算結(jié)果，對汽車后橋懸架臂的焊接殘余應(yīng)力場進行了熱-結(jié)構(gòu)耦合計算，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5、6、7的應(yīng)力模擬值與實測值之間的比較

圖9 測試點6、8的應(yīng)力模擬值與實測值之間的比較

（5）利用小孔法對汽車后橋懸架臂進行殘余應(yīng)力測試試驗，結(jié)果表明：各個測試點的實測值與計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，各個測試點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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[1]劉宇飛.汽車車橋半軸套管、過渡接盤焊接設(shè)備PLC控制及焊接工藝[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.

[2]倪 昀，黃志超，熊國良，等.基于ANSYS汽車后橋殼體焊接溫度場有限元分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2006，23（2）：115-118.

[3]蔡志武，史英明.ANSYS在車后橋殼分析研究[R].江鈴汽車公司技術(shù)中心，2005.

[4]周 立.我國汽車零部件工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略選擇及政策措施[J].汽車工業(yè)研究，2000（5）：20-22.

[5]夏美霞.我國裝備制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].機械制造，2004（5）：22-23.

[6]胡敏英，吳志生.基于單元生死焊接溫度場應(yīng)力場模擬研究[J].機械工程與自動化，2007，36（6）：58-60.

[7]侯志剛.薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測與控制[D].武漢：華中科技大學(xué)文，2005.

[8]羅志超.CCB支架焊接數(shù)值模擬及焊縫的設(shè)計優(yōu)化[D].江蘇：江蘇科技大學(xué)，2009.