排气焊缝路试断裂问题解决方案

2018-05-24束铭宇

汽车实用技术 2018年2期

束铭宇

（玉柴联合动力股份有限公司，安徽芜湖 241080）

前言

汽车零部件设计必须以市场为导向，设计寿命“过大”或“不足”的产品通常是不经济且缺乏市场竞争力的，所以无论在汽车零部件设计开发还是试验阶段都应当考虑用户的使用要求。汽车的耐久性试验是考核和验证汽车及零部件耐久性的重要手段，

对汽车排气系统而言，耐久性试验可以分为道路试验和台架模拟试验[1][2]，两种试验方法各有优缺点，道路耐久实验的载荷工况为实际使用工况，实验结果更准确，通常用于主机厂的产品认可，台架模拟实验的实验载荷由于是用经验简化载荷或道路处理载荷，载荷工况与实际载荷存在一定偏差，与道路实验相比，台架模拟试验速度快、成本低，通常用于产品设计验证及问题解决方面。

某排气系统在整车路试时，出现焊缝断裂，本文对该排气系统焊缝断裂原因进行分析，对其结构进行优化设计，并最终通过整车验证。我们对优化前后样件进行路谱采集，为了提高焊缝损伤计算精度，本文没有使用软件中利用理论公式计算的推荐寿命曲线，而是采用工程寿命曲线试验方法对优化前后结构进行寿命曲线试验，然后利用工程试验S-N曲线对焊缝损伤进行分析，在考虑一定安全系数情况下，评估优化设计是否可以满足整车道路试验，最后优化设计通过台架损伤分析的评估，认为路试耐久试验风险较低，送样主机厂做路试耐久试验。

1 问题背景

在某排气开发项目中，排气系统路试里程约58%时，消声器吊钩焊缝根部出现断裂。开裂起始位置为焊缝根部开始扩展。焊缝开裂原因通常分为三类：焊缝质量问题，焊缝设计问题，吊钩结构设计问题。本文通过焊缝质量检查、焊缝寿命曲线试验、整车路谱采集及损伤分析等手段来判断产生问题根源，并对排气系统结构进行优化设计。

图1 路试中吊钩开裂位置

2 原因分析

对断裂焊缝进行焊缝切片质量检查，发现焊缝质量合格，然后对该设计焊缝进行寿命曲线实验，得到的焊缝寿命在经验数据范围内，说明焊缝本身设计合理，最后对断裂的焊缝进行路谱采集，采集工况为路试循环工况，并将焊缝测试的SN曲线做为输入，利用ncode公司开发的GlyphWorks软件对焊缝进行损伤分析，得到焊缝在总路试里程下的损伤为17.3，进一步检查为焊缝测试结果，发现吊钩的应力集中过大，辅助CAE强度分析，得出焊缝出现断裂的原因为吊钩设计不合理，导致应力集中过大引起。

2.1 疲劳损伤理论

采用线性的疲劳积累损伤理论中的Miner法则，材料在各个应力水平下疲劳损伤独立进行，总损伤可以线性叠加，当积累到某一数值时材料或构建发生破坏[3]。Miner法则假设：构建所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏，如破坏前可吸收能量极限为W，构件破坏前纵循环数为N，在某一循环n1时构件吸收的能量为W1，则其吸收的能量与其循环数间存在正比关系，即：

这样构件的加载历程由m个不同的应力水平构成，各个应力水平下又对应着m个不同疲劳寿命和循环次数，则损伤为：

当构件吸收能量达到极限值W，即发生破坏。

2.2 焊缝实验SN曲线理论

焊缝实验SN疲劳曲线是基于公式（1）所示的SN函数关系，取两个不同载荷点进行实验，每个再载荷点做一定数量样件，通过拟合得到曲线斜率h和常数C，从而得到焊缝在任一载荷下的寿命。通过实验结果的方差和离散度，利用统计学方法，可以进一步计算不同概率的的寿命曲线，一般常用概率为10%，50%及90%[4]。

其对数形式为：

此处Δσe为加载载荷产生的应力，在不同的实验载荷类型中，可以为实验加载载荷，Nf为疲劳寿命，h为曲线斜率，C为曲线截距。

2.3 焊缝切片质量检查

图2为吊钩断裂区域焊缝切片位置，图3、图4分别为图2标识的1#及2#位置的切片端面图，从断裂位置的焊缝切片分析，可以看出，焊缝与消声器相连部位已经全熔，与吊钩有一定熔深，根据标准 HB5135－2000，端头全熔即判合格，所以焊缝焊接质量合格。

图2 焊缝断裂区域切片位置

图3 1#位置切片分析

图4 2#位置切片分析

图5 焊接类型示意图

2.4 焊缝寿命（SN）曲线测试

根据工程SN曲线实验方法，对该设计方案进行SN曲线实验，SN曲线实验方法根据要求一般分为单载荷水平法和双载荷水平法，根据公式（1）及（2）在对数坐标系下，金属零件及焊缝的寿命与载荷为线性关系。单载荷水平法是假设焊缝寿命曲线的斜率为一定条件下，选取一个载荷，在该载荷下至少做3个有效样本，通过统计的方法计算出该载荷下的平均寿命及方差，根据公式（2）及假定的斜率，拟合出寿命曲线。双载荷水平法是在两个载荷水平下分别做至少3个有效样本，计算平均寿命及方差，根据公式（2）拟合出曲线的斜，计算寿命曲线。由于我们对该类型焊缝的斜率有大量的数据库，本文采用单载荷水平法。图6为SN曲线实验安装图，图7为SN曲线实验结果，从SN曲线实验结果，得出该焊缝在5百万次寿命下，存活率为50%的疲劳强度为987N，满足经验要求，说明焊缝本身设计没有问题。

图6 SN曲线实验安装图

图7 SN曲线实验结果

2.5 结构有限元分析及路普采集

为了排查设计方面原因，我们对吊钩设计进行强度分析，分析发现，该吊钩在4g载荷下，失效吊钩位置的最大应力为189MPa，计算结果偏大，根据经验该FEA应力小于150MPa为安全。计算结果见图8。

图8 4g载荷强度分析结果（Max. stress 189MPa）

为了进一步分析失效原因，对系统在路试工况下进行应变采集，通过图6的实验SN曲线实验数据，计算整个路试耐久工况下焊缝的损伤。图8为路普采集中失效吊钩应变测试结果，从图8可以看出，最大采集应变为539μ，总损伤计算结果为17.3.远大于1，根据疲劳累计损伤理论，损失大于1则会出现断裂。

图9 路普采集测试结果

3 优化设计

首先通过CAE手段，对吊钩设计进行优化，图10是优化前后的结构设计，图11是优化后方案4g强度分析结果图，对比优化前后的CAE强度分析结果，分析结果表明4g强度分析吊钩应力由183MPa降低到87.2MPa，应力集中有了大幅度降低。

图10 优化前后设计方案

图11 优化方案4g强度分析（Max. stress 189MPa）

然后，采用与原方案同样的实验方法，对优化后方案进行SN曲线实验，得到优化方案与原方案SN曲线对比图，见图12，从图12可以看出，吊钩优化前后，SN曲线差别较小。

图12 原方案与优化方案SN曲线对比

图13 优化方案路谱采集测试结果

最后对优化后的方案在与原方案同样的路试工况下进行应变采集，得到应变见图13，采集的最大应变由原方案的539 μ下降到37μ，应力集中载荷大幅度下降，与CAE分析结果趋势一致。根据试验SN曲线实验，对焊缝损伤进行计算，得到优化方案的焊缝总损伤为0.0581，远小于1。

通过CAE分析，焊缝SN曲线实验及路谱采集和损伤分析，证明相同CAE分析条件下优化方案应力集中比原方案下降54%，优化前后焊缝寿命曲线相差不大，优化方案的路谱采集应变比原方案大幅度下降，不到原方案十分之一，通过损伤分析，可以证明原方案不能通过路试耐久实验，与整车路试实验结果一致，通过损伤计算的结果证明优化方案可以通过整车路试耐久实验，最后将产品送主机厂进行路试耐久实验，并通过整车路试耐久实验验证。