郭克剛，李平平，賀永波

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710021）

前言

焊接結(jié)構(gòu)是構(gòu)件最薄弱的部位，通常為最先被破壞的位置[1]，焊接接頭破壞形式主要為疲勞破壞，該疲勞破壞往往起源于焊接接頭的應(yīng)力集中區(qū)。因而，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞其本質(zhì)是焊接接頭細(xì)節(jié)部位的疲勞[2-3]，影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度主要因素是應(yīng)力范圍和結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)[4]。焊接接頭獲得均勻的應(yīng)力分布，最大限度降低應(yīng)力集中，并防止二次彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生[5-6]將是提高焊接接頭疲勞壽命的前提之一。

優(yōu)良焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是完整的規(guī)范化設(shè)計(jì)過程，并在該過程中著重完成焊接結(jié)構(gòu)的焊接性評價(jià)與設(shè)計(jì)評定，以識別應(yīng)力集中與失效風(fēng)險(xiǎn)，形成閉環(huán)的設(shè)計(jì)理念。

1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程及焊接性評定

1.1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程

在完成產(chǎn)品功能評定與定義之后，確定所用材料，完成結(jié)構(gòu)焊接性評價(jià)，確定產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，完成多個初步方案；然后，進(jìn)行產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)，并完成分析計(jì)算或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證等設(shè)計(jì)評定；最后，根據(jù)設(shè)計(jì)評定結(jié)果確定最終設(shè)計(jì)方案。

1.2 焊接性與評定

焊接性是金屬能否適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。影響焊接性的因素包括了材料因素、設(shè)計(jì)因素與工藝因素，即材料的焊接適應(yīng)性，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及焊接接頭制造的可行性。其中材料因素與設(shè)計(jì)因素在一定程度上制約著工藝因素。

焊接性的評價(jià)即焊接接頭能否滿足結(jié)構(gòu)使用性能的評定及焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向評定。主要有焊接碳當(dāng)量分析、焊接過程產(chǎn)生焊接缺陷的傾向性分析及結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析等，其中焊接碳當(dāng)量分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)分析是關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)因素在一定程度上決定了焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)及焊接工藝性。如結(jié)構(gòu)的剛度過大、焊接接頭斷面尺寸的突變、焊接接頭的缺口效應(yīng)等，對焊接接頭的脆性疲勞破壞都有不同程度的影響，甚至是決定性的影響。其中，在定性對焊接性評定的同時(shí)，借助CAE分析工具對焊接接頭進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算將使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可行性進(jìn)一步明確與定量。

2 前橋推力桿支架焊接結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)

2.1 工況描述

某型礦用車前橋帶推力桿支架的板焊前梁總成結(jié)構(gòu)見圖1所示，該前梁總成由前軸殼總成、板簧墊板、推力桿支架等零部件組成。該前梁在使用過程中主要受垂直載荷以及來自推力桿支架前后方向（行車方向）的載荷。

圖1 板焊前梁總成示意圖

推力桿支架為 Q345板材切割的平板結(jié)構(gòu)，其與前軸殼總成的焊接結(jié)構(gòu)見圖2所示。推力桿支架上側(cè)與板簧墊板焊接連接，端部開破口后與前軸殼總成上板焊接連接，下端面與推力桿支架筋板焊接連接，該筋板與前軸殼總成側(cè)板焊接相連。

圖2 推力桿支架的焊接結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 失效分析

圖3 焊接接頭失效形式

該礦用車使用工況為土質(zhì)路面，主要運(yùn)輸煤礦和礦渣，路況較好，重載上下坡均有，在使用過程中出現(xiàn)前軸殼總成上板沿推力桿支座焊縫端部處橫向開裂，見圖3所示的失效形式。

對失效件及焊接過程分析，其材料均符合Q345B要求，焊絲為ER50-6，焊縫端部未見咬邊缺陷，焊縫端頭過度不平緩，成型不良，存在幾何形狀尺寸突變。焊接過程無預(yù)熱，焊后進(jìn)行了去應(yīng)力退火處理。裂紋起裂位置為焊縫端頭焊趾處，斷裂形式為疲勞破壞。

2.2.1 失效件焊接性評定

碳當(dāng)量是將鋼中合金元素（包括碳元素）的含量，按其作用換算成碳元素的相對含量。國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量（CE）計(jì)算公式為：

式中，ω(C)、ω(Mn)等為碳、錳等相應(yīng)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

當(dāng)CE＜0.4%時(shí)，鋼材的塑性良好，基本不會產(chǎn)生淬硬傾向，焊接性良好。

對失效件（Q345B）的各元素碳當(dāng)量計(jì)算，得CE＜0.4%，焊接過程環(huán)境溫度大于10℃。因此，該焊接結(jié)構(gòu)焊接性良好，淬硬傾向不大，常溫下焊接，不用復(fù)雜的技術(shù)措施，便可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

2.2.2 失效過程評定

該焊接結(jié)構(gòu)，焊縫端頭過度不平緩，存在幾何形狀突變及焊瘤，導(dǎo)致應(yīng)力集中嚴(yán)重。焊接端頭為了成型而存在反復(fù)起落弧現(xiàn)象，組織脆硬嚴(yán)重。

同時(shí)，由于該失效焊縫（推力桿支架與前軸殼總成上板的連接焊縫）的存在，使前軸殼總成在受垂直脈沖載荷時(shí)在失效焊縫端頭處產(chǎn)生較嚴(yán)重的剛性突變，焊縫端頭存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。按照失效件的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直工況CAE應(yīng)力分析（由于垂向工況該處應(yīng)力大于驅(qū)動或制動工況，下同），結(jié)果如圖4所示。該失效處應(yīng)力已超出焊縫許用強(qiáng)度。

圖4 原始結(jié)構(gòu)CAE分析結(jié)果

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)與方案評定

3.1 為了降低焊縫端頭應(yīng)力，采用如下二個方案

方案一：將焊縫端頭伸出推力桿支架，并平滑過渡至前軸殼總成上板，見圖5。

圖5 方案一的下支架焊接結(jié)構(gòu)

該方案通過有效工藝控制，可以減小由于焊縫端頭起落弧、融化金屬流淌形成焊瘤、焊縫端頭幾何形狀突變等在焊縫端頭引起的缺陷，同時(shí)也減弱了焊縫端頭的剛度突變，減小了焊縫端頭的應(yīng)力集中，經(jīng)ACE垂向工況應(yīng)力分析計(jì)算，該焊縫端頭處最大應(yīng)力約300MPa，仍存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

方案二：增加連接板，取消推力桿支架和前軸殼總成上板之間的焊縫，使連接板直接與上推力桿支架上端面焊接連接。同時(shí)，在連接板上增加橢圓形內(nèi)孔，內(nèi)孔內(nèi)周圈焊接，使連接板與前軸殼總成上板的上平面焊接連接，見圖6所示。

圖6 方案二結(jié)構(gòu)示意圖

對方案二進(jìn)行CAE分析計(jì)算，其結(jié)果見圖7所示，最大應(yīng)力約210MPa，滿足使用要求。

圖7 方案二CAE分析結(jié)果

方案一有效的降低了剛度突變，減小了應(yīng)力集中，但焊縫端頭處的應(yīng)力集中仍舊很大，部分點(diǎn)的應(yīng)力集中已超出焊縫端頭的設(shè)計(jì)許用值。

方案二，使原來出現(xiàn)裂紋處的應(yīng)力得到了根本改善；該方案對梁在垂直工況及驅(qū)動與制動工況皆對上板的剛度突變影響較小，確保了應(yīng)力的連續(xù)性，消除了應(yīng)力集中。同時(shí)，連接板和前軸殼總成上板連接處采用封閉焊縫，減小了起落弧產(chǎn)生的焊接缺陷及其它工藝過程造成的焊縫成型不良問題。

基于以上分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選定方案二為最終方案。

4 結(jié)論

規(guī)范化的焊接接頭設(shè)計(jì)過程與 CAE分析是提高設(shè)計(jì)效率，降低試驗(yàn)成本及失效風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。

剛度突變間接的引發(fā)應(yīng)力突變，以剛度協(xié)調(diào)來緩解局部應(yīng)力集中，防止剛度突然變化，以獲得均勻的應(yīng)力分布，是獲得優(yōu)良焊接接頭及提高焊接接頭疲勞壽命的有效手段關(guān)鍵。

焊縫自身特性及其內(nèi)在缺陷的存在，使其在壓應(yīng)力區(qū)同樣可能存在疲勞失效。