閆超杰

(閩西職業(yè)技術學院 信息與制造學院，福建 龍巖 364021)

由于焊接過程是一個異常繁雜的瞬時、高溫、動態(tài)過程，非均勻的加熱過程和冷卻過程導致了高動態(tài)的應力應變，焊接完工后，其工件內部必然會存在焊接殘余應力，因此不可避免地會產生焊接變形現象[1].由于汽車底盤要承受比較大的載荷，面對不同的工況，其所受到的力又相當復雜，所以底盤后橋是汽車比較重要的結構零部件.焊接是其生產制造過程中必不可少的一項工藝[2]，焊接殘余應力又是造成其結構承載性能降低的重要因素，所以在汽車底盤后橋焊接中，如果方法操作不妥，將嚴重影響其使用壽命和質量.工件的材料、工件的結構形狀、焊接的工藝參數、焊接的方法、焊接的前后順序和方向，這些都是影響焊接變形的因素[3].

在焊接過程中，對金屬材料溫度場的觀測難度很大.采用數字仿真模擬的方法來模擬復雜的焊接過程，借助于有限元技術分析，可靈活地對焊接過程中的各種因素進行綜合研究和分析[4].這樣不僅能夠節(jié)約調試所用時間，極大地縮短產品的研發(fā)周期，降低產品的研發(fā)成本，給焊接缺陷分析提供科學的研究手段，為實際生產提供指導，而且可以為焊接過程的安全可靠、獲得優(yōu)良的焊接產品提供保障，故具有重要的工程應用和研究價值.

本文以某汽車后橋為例，根據車架的材料信息以及要求，在一定的焊接壓力、時間、電流以及保持時間等焊接參數下，利用軟件對其焊接過程進行了模擬及預測，然后對該模擬結果進行試驗驗證.在相同參數條件下焊接工件，比較相對應測試點的模擬值與實測值是否具有一致性，是否滿足產品要求.進而根據驗證結果來說明焊接仿真軟件的模擬對于產品的先期開發(fā)具有重要的指導意義.

1 底盤后橋的仿真模擬

1.1 有限元仿真模型的建立

汽車底盤后橋構件有很多類型，結構特別復雜，由很多部件組成.本文研究的后橋屬于支持橋，起支撐作用，既無轉向功能，也無驅動功能，組成零件主要包括橫梁、縱臂、襯套、加強肋、螺旋彈簧托架、輪轂等，圖1為汽車底盤后橋結構的三維幾何模型.

根據此種汽車底盤后橋的組成和形狀，采用Hypermesh軟件將其三維整體結構實施網格劃分，劃分的網格越多，其計算精度就越高，當然其計算所需要的時間也越長.焊接過程高溫區(qū)的網格可以劃分得比較密，低溫區(qū)和基體部分的網格可以劃分得比較疏，這樣既能提高計算速度，又能保證較高的計算精度，更加合理準確.圖2即為用軟件劃分好的后橋構件三維網格模型.

圖1 底盤后橋構件三維幾何模型 圖2 后橋構件三維網格模型俯視圖

1.2 焊接溫度場的仿真模擬

在開始使用仿真軟件之初，各部分材料的主要性能參數要首先確定并輸入軟件中，例如材料的牌號或化學成分、密度、屈服強度、熱傳導系數、拉伸強度、比熱容以及延伸率等.本試驗所研究的是底盤構件中襯套和縱臂的焊接，兩零件采用的材料均為Q345鋼，由于焊接件的溫度是在一個很大的范圍內變化，材料的有些參數隨溫度的變化較大，通過插值和外推法，得到了Q345鋼在幾種不同溫度下的性能參數，如表1所示.通過優(yōu)化數值，使計算機軟件能夠更準確地進行仿真模擬.

表1 Q345鋼在幾種不同溫度下的性能參數

根據焊接現場的實際生產環(huán)境，將該模型的邊界條件設定為:空氣溫度20 ℃，與空氣的熱導率25 W/(m·K).在實際的焊接過程中，由于焊接電弧是不斷運動的，產生的焊接熱也隨著焊槍移動，因此在焊接過程仿真模擬中，也采用了運動熱源.圖3所示為襯套和縱臂在焊后某時的溫度場分布圖，最高溫度為257 ℃.

1.3 焊后殘余應力場的仿真模擬

在模擬焊后殘余應力場之前，系統還需要輸入焊接材料Q345鋼在293K下的性能參數，如抗拉強度、屈服強度、彈性模量、剪切模量、泊松比和線膨脹系數等，原始數據如表1所示，為獲得高質量仿真結果，本次模擬對數據進行了預處理優(yōu)化.

如圖4和圖5所示為襯套和縱臂焊接后的殘余應力場模型圖.圖4所示為焊接部位x方向上(焊縫平行方向)的焊接殘余應力σx分布圖，分析可以看出，由于在焊接過程中襯套的位置處有一夾具，給此位置帶來了一定的壓力，而且這個位置距離焊縫中心比較近，焊接時此處溫度比較高，但周圍金屬的溫度卻相對比較低，在冷卻收縮過程中，產生拉應力；焊縫中心的溫度最高，冷卻時受到夾具及周圍金屬的阻礙，產生較大的拉應力，遠離焊縫中心的兩端受到阻礙較小，產生較小的拉應力；襯套口邊緣拉應力較大，縱臂兩側有壓應力.

圖3 襯套和縱臂焊接溫度場分布 圖4 襯套和縱臂的焊后殘余應力場(焊縫平行方向)

圖5 襯套和縱臂的焊后殘余應力場(焊縫垂直方向)

圖5為焊接部位y方向上(焊縫垂直方向)的焊接殘余應力σy分布圖，分析得出，焊縫兩端的拉應力大于焊縫中心的拉應力；靠近焊縫中心較近處，呈現出較大拉應力，隨離焊縫距離的增大，中間的拉應力值也逐漸變小，慢慢轉變成壓應力；最后在夾具處呈現出周圍是拉應力，而中間是以壓應力為主.

2 焊接工藝過程測量試驗及模擬驗證

2.1 焊接工藝試驗

以現場焊接構件為樣本，汽車底盤的后橋工藝試驗焊接過程采用直徑為1.2 mm的JM-56型焊絲，機器人MAG焊，保護氣體成分為20%CO2+80%Ar.

圖6 殘余應力測試點

通過觀察汽車底盤后橋的焊后結構形狀，測量縱臂和襯套連接焊縫處各焊接點的實際殘余應力值，檢驗所模擬焊后殘余應力場計算值的準確性.根據小孔法測量殘余應力的特點，綜合焊接構件的結構形狀和受力情況，選取如圖6所示的殘余應力測試點位置，測量3個試樣，取平均值.

2.2 驗證模擬結果

表2為各相應測試點的殘余應力模擬值和實測值結果對比，對模擬值修正數據處理后，分析表中數據即可判斷出，雖然模擬計算值和實際測量值有些差別，但總體上應力值保持基本相同，在誤差范圍內；各位置點的殘余應力分布所成的趨勢，模擬和實測相一致，說明了模擬計算結果的正確性.

表2 焊接殘余應力測試結果

汽車底盤后橋構件在實際使用中，構件材料本身不但承受工作載荷，同時還要承受其焊后內部殘余應力的作用，所以其實際受力應為工作載荷和焊后殘余應力所形成的合力.為了確定模擬計算結果的正確性，通過實際的拉伸試驗，對比失效位置和斷裂位置，發(fā)現實際情況與模擬結果一致，說明對此種焊接所采用的仿真計算方法和過程的正確性.

為了降低殘余應力，減少焊接變形，結合仿真模擬對該汽車底盤后橋的焊接工藝進行了優(yōu)化.主要有兩個方面：一是對焊接的夾具裝置進行了改進，增加了銅制仿形塊，針對工件之間貼合不好的狀況，增加了壓緊點，確?；鶞士酌娴奈恢镁?；另一方面，從焊接工序上進行改進，將影響焊接變形的關鍵焊縫放在后期進行，這一措施的應用達到了較好的效果.

3 結論

通過構建汽車底盤的后橋幾何、有限元模型，采用有限元軟件ANSYS計算分析了焊接溫度場的分布，模擬得到了平行焊縫方向的縱向殘余應力σx和垂直焊縫方向的橫向殘余應力σy.用小孔法實際測試了相應點的殘余應力大小，結果表明，各測試點的實測值與模擬結果相吻合.

結合應力場仿真模擬計算所得到的數據，通過實際改進夾具裝置，增加壓緊點，優(yōu)化焊接工序，能有效降低殘余應力，減少焊接變形量.