汽车后桥悬架臂焊接温度场及残余应力场的预测

2013-09-17黄承宗朱剑峰苑潇涵王华杰周方明

电焊机 2013年11期

陈璟，黄承宗，朱剑峰，苑潇涵，覃霍，王华杰，周方明

(1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2.江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室，江苏镇江 212003）

0 前言

随着我国国民经济的不断发展，汽车工业已成为国家重要的经济支柱之一[1]。汽车后桥作为整车的一个关键部件，其产品质量对整车的安全使用和性能影响显著[2-3]。

目前，我国汽车行业主要是照搬国外的规范进行设计，这不利于我国产业的发展[4-5]。为此，本研究提出从焊接温度场、焊接残余应力场、路谱及疲劳试验出发，研究汽车后桥焊缝质量评价体系，而准确预测汽车后桥焊接残余应力是进行焊缝承载性能分析的前提[6]。目前关于汽车后桥焊接残余应力的预测方面的研究较少，因此本研究选取汽车后桥的悬架臂和衬套管为典型构件进行焊接温度场、残余应力测试及拉伸破坏试验，并在此基础上运用有限元仿真技术，建立了汽车后桥焊接过程的物理与数学模型，从而预测汽车后桥焊接温度场、应力场，为进一步预测汽车后桥焊缝承载性能奠定了基础。

1 汽车后桥悬架臂温度场的测试

汽车后桥结构如图1所示。由于汽车后桥结构复杂，为缩短计算时间，提高计算效率，选取其主要承载零件悬架臂和衬套管作为研究对象。

图1 汽车后桥数模

1.1 试验材料

试验用焊丝是由锦州锦泰金属工业有限公司生产的桶装JM-56焊丝，其力学性能如表1所示。

表1 JM-56焊丝力学性能 %

1.2 焊接方法和焊接工艺参数

汽车后桥焊接采用机器人MAG焊方法，保护气体为 φ（CO2）85%+φ（Ar）15%，焊接工艺参数见表 2。

表2 汽车后桥焊接工艺参数

1.3 焊接温度场的测量

采用K型热电偶和无纸记录仪测量焊接温度场，结果如图2所示。共测量了7个点的焊接热过程，各个测试点离焊缝边缘的垂直距离如表3所示。

2 焊接温度场的计算

2.1 热源模型选择与单元的网格划分处理

图2 悬架臂与衬套管各个测试点的焊接热过程

表3 各个测试点离焊缝边缘的距离

由于焊接是一个非常复杂的过程，焊接热源主要有高斯热源、半球型热源和双椭球型热源等，但这些热源使用起来较为繁琐。因此工程上普遍采用单元内部生热的模式[7-8]，大大简化了计算过程，并得到了良好的结果。

在进行模拟前首先要选定网格的单元类型，本研究采用间接耦合的方法，即先进行热分析，再进行结构分析，所以单元要具有耦合功能，并且可以进行热-应力耦合分析，因此选择热单元SOLID70划分有限元模型。

2.2 实测与计算结果对比

悬架臂与衬套管各个测试点的焊接热过程实测值与计算值对比如图3所示，图3中仅列出了2、6点的测量结果。

由图3可知，测试点2、6的实测与计算结果较为吻合，这为焊接残余应力的计算打下了良好基础。

3 焊接残余应力场的计算

焊接残余应力场的计算不需要重新建模，仍然采用温度场的模型，但必须进行单元类型的转化。在焊接瞬态温度场计算完成，且检验符合要求后，可以进行应力场的模拟计算。重新进入前处理，读入温度场模型，利用ANSYS单元转化命令ETCHG，TTS把热单元SOLID70转化为结构分析单元SOLID185，这是进行应力热应变和残余应变计算的前提。在结构分析中，热单元SOLID70和结构单元SOLID185具有相同的单元形状，可以直接将热单元SOLID70替换为相应的8节点结构单元SOLID185来生成结构有限元模型。