郭克剛,李平平,賀永波
(陜西漢德車橋有限公司,陜西 西安 710021)
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,其關(guān)鍵是完整的規(guī)范化設(shè)計過程,并在該過程中著重完成焊接結(jié)構(gòu)的焊接性評價與設(shè)計評定,以識別應(yīng)力集中與失效風(fēng)險,形成閉環(huán)的設(shè)計理念。
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,確定產(chǎn)品的概念設(shè)計,完成多個初步方案;然后,進行產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計,并完成分析計算或?qū)嶒烌炞C等設(shè)計評定;最后,根據(jù)設(shè)計評定結(jié)果確定最終設(shè)計方案。
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)計因素在一定程度上制約著工藝因素。
焊接性的評價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,借助CAE分析工具對焊接接頭進行應(yīng)力計算將使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計可行性進一步明確與定量。
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
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,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,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度。
圖4 原始結(jié)構(gòu)CAE分析結(jié)果
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)力分析計算,該焊縫端頭處最大應(yīng)力約300MPa,仍存在失效風(fēng)險。
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,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
對方案二進行CAE分析計算,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,部分點的應(yīng)力集中已超出焊縫端頭的設(shè)計許用值。
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,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。
基于以上分析及實驗驗證,選定方案二為最終方案。
規(guī)范化的焊接接頭設(shè)計過程與 CAE分析是提高設(shè)計效率,降低試驗成本及失效風(fēng)險的有效手段。
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。