連 昊，李昭榮

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

副車架作為車身與汽車懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，屬于汽車底盤的安全結構件，它對于提高汽車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，汽車輕量化的發(fā)展勢頭迅猛，鉛合金在汽車行業(yè)中的使用比例越來越大，而且，隨著能源、環(huán)境及安全問題的凸顯與對環(huán)保問題的重視，汽車工業(yè)把減輕汽車質量、降低油耗作為提升企業(yè)競爭力的關鍵之一，故鋁合金副車架將會成為未來底盤發(fā)展的趨勢之一。

目前鋁合金副車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之一?，F(xiàn)有一款三段拼焊式鋁合金副車架正在開發(fā)，需要研究其焊接工藝以及焊接強度，用以指導產品焊縫搭接結構設計與產品焊縫強度校核，盡量避免后續(xù)出現(xiàn)問題多次更改帶來的時間與成本的浪費。

1 鋁合金副車架焊接工藝

本研究的鋁合金副車架為三段式結構，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構，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 鋁合金副車架焊接工藝流程

該鋁合金副車架采用熔化極惰性氣體保護焊，即MIG 焊，焊絲采用ER5087，焊機采用德國EWM。焊縫搭接處左右塊厚度為6 mm，中塊厚度為7 mm，通過查相關手冊得到推薦的初始焊接參數，然后通過試焊后的切片熔深檢測來觀察是否滿足熔深要求，從而優(yōu)化焊接參數。由于目前行業(yè)內對鋁合金還沒有較為統(tǒng)一的熔深標準，故需要制定適合自己產品相應的熔深標準。目前了解到的業(yè)內熔深標準有0.05tmin、0.1tmin、0.2tmin等幾大類，根據實際焊接情況以及成本考慮，初選0.1tmin作為標準，具體的標準要求如表1 所示。

表1 鋁合金焊接熔深標準

在進行前期產品設計強度評估時，計算母材本身強度，一般原則是母材的屈服強度最小值，然后再按一定的安全系數進行設計。而產品焊縫的設計強度按多少進行設計，國內外到目前為止找不到任何資料。為了能指導產品焊接搭接結構的設計與焊縫設計強度的評估，同時校核0.1tmin熔深標準的可行性，需對鋁合金焊縫接頭強度進行研究。

2 焊縫接頭靜強度研究

ZL114A-T6 鋁合金的抗拉強度為290 MPa，屈服強度為200 MPa，6061-T6 鋁合金的抗拉強度為260 MPa，屈服強度為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（兩側材料為6061-T6，中間材料為ZL114A-T6），取號A1-A4，并對其分別進行拉伸試驗，試驗結果如表2 所示。

表2 鋁合金焊接試樣拉伸試驗

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

同時，對4 塊試樣的開裂處焊縫進行切片熔深檢測，檢測結果為A1 不合格，A2、A3、A4 均合格，具體見表3 所示。

表3 試樣焊縫熔深檢測

通過上述試驗結果分析可知，滿足熔深標準要求的搭接和角接焊縫接頭強度可達到母材強度的40%以上，大約在40%～50%之間，可知焊縫極限強度達到母材極限強度的百分比約等于0.4，等效得出焊縫屈服強度為母材較小屈服強度（220 MPa）乘以0.4，即為220 × 0.4 = 88 MPa。

3 焊縫接頭疲勞強度研究

焊縫開裂有兩種形式，一種是由焊縫靜載強度控制的塑性流變斷裂，斷裂條件：應力大于抗拉強度或屈服強度；另一種由焊縫韌性控制的脆性破壞，也稱裂紋失穩(wěn)擴展斷裂。要保證結構安全運行，必須是載荷小于強度極限且焊縫疲勞強度能抵抗裂紋擴展。

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（兩側材料為6061-T6，中間材料為ZL114A-T6），取號B1-B4，并以試驗焊縫應力低于靜強度極限60%和90%分別對其進行拉伸疲勞試驗。由于焊縫的屈服強度為88 MPa，故選取試驗焊縫應力分別為：B1、B3 為79.2 MPa 和B2、B4 為52.8 MPa。通過CAE 分析可知，相應的疲勞試驗拉力載荷為B1：2 277 N、B2：1 518 N、B3：3 360 N、B4：2 240 N，具體CAE 應力云圖如圖2所示。

圖2 B1-B4 疲勞試驗應力云圖

對B1-B4 分別進行拉伸疲勞試驗后得到4 組試驗數據，B1 試驗到13.5 萬次開裂，B2 試驗到54.2 萬次開裂，B3 試驗到12.4 萬次開裂，B4 試驗到56.8 萬次開裂，開裂處均為焊縫邊緣處，具體見表4 所示。同樣對4 個試樣開裂處焊縫進行切片熔深檢測，結果都合格。

從試驗結果數據可知，當試驗焊縫應力為靜強度極限的60%時，焊縫疲勞壽命高于50 萬次；當試驗焊縫應力為靜強度極限的90%時，焊縫疲勞壽命高于10 萬次，那么便可得出焊縫疲勞壽命x 與試驗焊縫應力達到靜強度極限百分比y%之間的關系：y =-0.75x + 97.5。

表4 鋁合金焊接試樣拉伸疲勞試驗

該鋁合金副車架需滿足臺架疲勞試驗，其中包括縱向臺架試驗和側向臺架試驗?？v向臺架試驗要求零件試驗循環(huán)達35 萬次不開裂，側向臺架試驗要求零件試驗循環(huán)達30 萬次不開裂，故縱向臺架工況下產品焊縫靜應力要小于220 × 0.4 × 0.7125 = 62.7 MPa，側向臺架工況下產品焊縫靜應力要小于220 ×0.4 × 0.75 = 66 MPa。

4 鋁合金副車架焊縫強度分析

在研究完鋁合金焊縫接頭靜強度和疲勞強度之后，便對該鋁合金副車架進行整車路試工況和臺架工況下CAE 強度分析。整車路試工況選取向前緊急制動、單側過深坑、極限轉向3 個典型工況進行CAE分析，焊縫采用Solid70 實體單元模擬，得到相應工況下副車架焊縫應力云圖，如下圖3 所示。向前緊急制動工況下副車架焊縫最大應力為72.7 MPa，過單側深坑工況下副車架焊縫最大應力為77.5 MPa，極限轉向工況下副車架焊縫最大應力為63.2 MPa，均小于88 MPa，產品焊縫強度滿足路試極限工況要求。

圖3 路試工況副車架焊縫應力云圖

臺架工況選取縱向與側向臺架工況進行CAE 分析，得到相應工況下副車架焊縫應力云圖，如圖4 所示?？v向臺架工況下副車架焊縫最大應力分別為49.7 MPa，小于62.7 MPa；側向臺架工況下副車架焊縫最大應力為37.7 MPa，小于66 MPa，故產品焊縫強度滿足臺架疲勞要求。

圖4 臺架工況副車架焊縫應力云圖

副車架全部校核工作完成后出具試制圖紙指導樣件試制，其中焊縫按前面鎖定的焊接參數與熔深標準進行焊接，得到產品原型樣件。隨后對樣件進行襯套、擺臂等環(huán)境件的裝配，并按照整車安裝方式裝在臺架試驗工裝上，分別開展縱向與側向臺架耐久試驗，如圖5 所示。試驗結果為，產品樣件順利通過臺架耐久試驗，焊縫無開裂，驗證了前面鋁合金焊縫接頭強度研究與產品焊縫強度校核的有效性，同時以此可以初步鎖定焊接參數與熔深標準。

圖5 鋁合金副車架臺架耐久試驗

5 總結

針對某一鋁合金副車架，采用熔化極惰性氣體保護焊方法，焊絲采用ER5087，以0.1tmin熔深標準為要求，制定了焊接參數，并以此焊接規(guī)范焊接了若干試樣。通過試樣的靜拉伸試驗得知，鋁合金角接與搭接焊縫接頭強度約為母材的40% ～50%；同時通過試樣的拉伸疲勞試驗得到了鋁合金焊縫疲勞壽命與試驗焊縫應力達到靜強度極限百分比之間的關系。通過一系列試驗分析，得出了指導與校核產品焊縫強度的初步標準，并以此校核了該鋁合金副車架的焊縫強度。通過后續(xù)的臺架耐久試驗，驗證了前面鋁合金焊縫接頭強度研究與產品焊縫強度校核的有效性。當然，本分析研究僅針對該鋁合金副車架，未對不同材料、板厚、搭接形式、焊絲、焊接參數等進行差異分析，有一定局限性，但該分析問題的思路方法對其他鋁合金底盤焊接件的開發(fā)都有借鑒意義。