东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-10-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51875096)。
作者简介：张东祥(1994-), 男, 山西吉县人, 东北大学博士研究生;
郭立新(1968-), 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：汽车驱动桥壳焊接过程中复杂的温度场与焊接残余应力分布使桥壳产生了较大的焊接变形, 利用CATIA建立桥壳三维模型, 使用Simufact Welding软件对其焊接温度场和焊接残余应力及焊接变形进行模拟分析, 研究了装夹条件对桥壳焊接变形及焊接残余应力的影响.结果表明: 桥壳焊接变形以桥壳两端向焊缝方向收缩翘曲变形为主, 最大值为11.63 mm, 桥壳焊缝的焊接残余应力以桥壳轴向方向的拉应力为主.在桥壳焊接冷却阶段, 延长夹具对桥壳的约束控制时间(600 s)可以有效地减少桥壳的焊接变形及焊接残余应力, 与桥壳焊接的全自由冷却(保持夹具对桥壳的冷却控制时间30 s)相比, 桥壳焊接变形减小了20%~26%.
关键词：汽车驱动桥壳焊接仿真焊接变形焊接残余应力装夹条件
Finite Element Simulation Analysis of Welding Deformation and Welding Residual Stress of Automobile Drive Axle Housing
ZHANG Dong-xiang, GUO Li-xin
School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: GUO Li-xin, E-mail: lxguo@mail.neu.edu.cn.
Abstract: The complex temperature field and welding residual stress distribution in the welding process of automobile drive axle housing make the axle housing produce large welding deformation. A three-dimensional model of axle housing is established by CATIA, and the welding temperature field, welding residual stress and welding deformation are simulated and analyzed by Simufact Welding software. The influence of clamping conditions on the welding deformation and residual stress of axle housing is studied. The results show that the welding deformation of axle housing is mainly caused by the shrinkage and warpage of both ends of the axle housing in the direction of the welding seam, and the maximum value is 11.63 mm. The residual stress of axle housing welding is mainly the axial tensile stress of the axle housing. In the cooling stage of axle housing welding, prolonging the constraint control time(600 s)of the fixture on the axle housing can effectively reduce the welding deformation and residual stress of axle housing. Compared with the full free cooling(keeping the cooling control time of the fixture on axle housing for 30 s), the welding deformation of axle housing is reduced by 20%~26%.
Key words: automobile drive axle housingwelding simulationwelding deformationwelding residual stressclamping condition
当前, 汽车驱动桥的制造工艺已经十分成熟, 如何提高制造精度与产品质量成为汽车驱动桥制造领域的主要问题.计算机技术的不断突破和发展带动了有限元计算方法在生产制造领域的大规模应用.针对上述问题研究者已经使用有限元计算技术进行了大量的计算试验分析, 主要集中于桥壳的冲压成型过程仿真分析[1]、桥壳载重静力学强度分析[2]以及桥壳的模态和疲劳损伤分析[2-3]等.驱动桥壳的焊缝较长且宽, 焊接变形极大, 必须经过矫正工序处理, 桥壳的机械矫正必然会破坏焊缝的力学性能, 当前针对桥壳焊接过程的有限元分析大多止于焊接温度场的模拟分析, 对桥壳焊接变形及焊接残余应力的仿真分析较少.
本文以汽车驱动桥壳为研究对象, 使用专业焊接仿真软件Simufact Welding对桥壳焊接过程进行直接耦合有限元仿真分析, 研究了桥壳焊接过程中温度场的变化及焊接变形与焊接残余应力的分布, 针对桥壳焊接冷却阶段延长约束控制的时间长短对桥壳焊接变形及焊接残余应力大小的影响进行了有限元仿真分析, 得出适当延长全约束时间可以有效地减少焊接变形及焊接残余应力, 提高桥壳的制造精度.
1 桥壳模型及焊接工艺介绍本文中驱动桥壳模型来自某车桥制造厂为某型号越野车生产的驱动桥, 桥壳先由整块钢材冲压成型, 再经过焊接工艺制造而成.桥壳模型及尺寸如图 1所示, 主要由桥壳主体及加强板两部分组成, 桥壳钢板厚6 mm, 共4条焊缝, 焊缝宽度在8 mm到10 mm之间, 其中右侧焊缝1较长，为420 mm, 左侧焊缝2较短，为375 mm, 焊缝3, 4为桥壳主体与加强板的连接焊缝，共长1 279 mm, 焊接方向及焊接顺序如图 2所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 驱动桥壳简图Fig.1 Schematic diagram of drive axle housing |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 桥壳网格模型、焊接方向和顺序及约束条件Fig.2 Mesh model, welding direction and sequence and constraints of axle housing |
汽车驱动桥壳的材料为SAPH440号汽车结构钢[4], 执行标准是Q/BQB 310—2009, 延展率≥30%, 抗拉强度≥440 MPa, 均值为478 MPa, 屈服强度≥350 MPa, 均值为384 MPa.由于焊接过程中焊缝中心温度变化剧烈, 桥壳材料的属性也随着温度的变化而急剧变化, 图 3为SAPH440结构钢的力学性能与物理属性.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 SAPH440力学与物理属性Fig.3 Mechanical and physical properties of the SAPH440 |
本文桥壳焊接使用的焊丝材料为林肯JM-56, 直径1.2 mm, 配合CO2作为保护气体, 焊缝的屈服强度460 MPa, 抗拉强度565 MPa.由于焊缝材料的热力学属性难以测量, 本文以桥壳材料SAPH440结构钢代替焊缝材料.桥壳焊接的焊接电压为25 V, 焊接电流为260 A, 焊接速度为5 mm/s.
2 有限元仿真分析有限元计算方法的第一步为网格划分, 本文在工厂提供的CATIA三维模型的基础上对焊缝建模, 使用ANSA采用六面体网格对桥壳模型进行网格划分, 网格模型如图 2所示.为了既可以获得精确且收敛的解, 同时又可以兼顾计算效率, 本文在网格划分过程中遵循近细远疏的原则, 在靠近焊缝温度梯度较大的地方网格尺寸较小，为2 mm, 在距离焊缝较远的地方网格尺寸为4 mm, 在焊缝几乎没有影响的地方网格最大为10 mm, 共24 350个体单元.
边界条件的设定对有限元求解的准确性至关重要, 本文桥壳在焊接过程中桥壳左右两侧及桥壳中心完全固定, 约束设定如图 2所示.在焊接完成之后取消对于桥壳两侧的完全固定约束, 使桥壳自由冷却, 为了避免模型在冷却阶段发生刚性位移, 在冷却阶段保留桥壳中心的全固定约束条件.桥壳焊接变形的测量标准为桥壳两侧相对于桥壳中心的变形位移大小, 桥壳模型的笛卡尔坐标原点位于桥壳中心, 坐标方向如图 2所示.
焊接温度场仿真分析常用的热源模型有高斯面热源、双椭球体热源和组合热源等, 其中组合热源更加适合熔深较大的焊接方法，例如摩擦焊及激光焊.本文桥壳焊接过程使用气体保护电弧焊, 双椭球热源模型与其熔池形状更加契合, 其数学模型[5]:
 | (1) |
焊接过程中热量在物体内部传导的规律即为傅里叶定律, 焊接温度场控制方程遵循能量平衡方程.结合傅里叶定律与能量平衡方程可得焊接温度场控制方程[6-7]:
 | (2) |
3 结果与讨论3.1 焊接有限元仿真方法验证为了验证本文焊接仿真建模及仿真方法的准确性, 本文对文献[8]中的T型板焊接过程进行了仿真模拟, T型板简图如图 4a所示.两块平板的尺寸分别为100 mm×150 mm×4 mm与50 mm×150 mm×4 mm, 双侧两条焊缝焊接方向相同, 焊接与冷却过程中对竖板全约束.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 焊接仿真方法验证Fig.4 Verification of welding simulation method (a)—T型板简图；(b)—T型板仿真变形图(放大10倍)；(c)—T型板焊接变形结果对比. |
T型板使用的材料为S355J2G3(EN10025), 焊接完成后观察平板的变形情况, 变形测量点为图 4a中点A与B.从图 4b和图 4c上可以看出焊接实验变形为1.38 mm和0.67 mm, 本文的仿真结果为1.12 mm和0.73 mm, 本文的焊接仿真结果与焊接实验结果基本吻合, 文献中的焊接变形仿真结果为1.11 mm和0.81 mm, 本文的焊接变形仿真结果与文献中的仿真结果相比更加接近实际变形结果.
上述分析验证了本文焊接仿真建模及仿真方法的准确性.
3.2 桥壳仿真温度场分析焊接过程中随着热源的不断移动, 桥壳温度场也在不断变化, 如图 5所示, 焊接温度场整体为梭形, 环境温度为20 ℃, 热源中心温度高于1 517.14 ℃, 焊接件材料达到熔点变为液态, 模拟焊接熔池的大小及形状.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 桥壳焊接仿真温度场云图Fig.5 Simulation temperature field cloud diagram of axle housing welding (a)—62 s；(b)—117 s；(c)—195 s；(d)—402 s. |
图 6b中监测点为图 6a中位于焊缝1与焊缝2外表面的A, B和C三点, 图 6c中监测点位于图 6a监测点B处横截面上, 具体位置如图 6a所示.可以看出焊接过程中熔池中心最高温度基本保持稳定, 随着时间变化焊缝开始冷却，温度迅速降低至环境温度.距离焊缝越远温度越低, 说明焊接过程中焊缝附近的温度梯度极大, 温度变化较为剧烈.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 桥壳焊接温度场曲线图Fig.6 Curves of welding temperature field of axle housing (a)—焊接温度监测点位置；(b)—监测点A, B, C焊接温度变化曲线；(c)—监测点B截面焊缝横向方向温度场变化曲线. |
3.3 桥壳焊接变形及残余应力分析桥壳焊接中最为关注的为桥壳的变形及焊接残余应力分布, 从图 7a可以看出距离桥壳中心越远, 焊接变形越大, 焊接变形最大位置在桥壳两端, 桥壳中心变形最小, 由于右侧桥壳更长因此右侧桥壳变形更大，为11.63 mm.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 桥壳焊接变形及焊接等效残余应力分布云图Fig.7 Axle housing welding deformation and welding equivalent residual stress distribution cloud diagram (a)—焊接变形云图；(b)—焊接等效残余应力云图. |
图 8中的监测点位于焊缝1与焊缝2上, 可以看出桥壳两侧变形为线性变化, 桥壳在y轴与z轴方向的焊接变形较小, 在x轴方向的焊接变形最大, 表明桥壳焊接总变形基本由x轴方向变形产生, 变形方向为x轴的负方向.从图 7b可以看出, 桥壳焊接等效残余应力沿着焊缝方向对称分布与焊缝两侧, 距离焊缝越近焊接残余应力越大.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 桥壳焊接变形图Fig.8 Welding deformation diagram of axle housing |
图 9为桥壳焊接等效残余应力分布图，可以看出桥壳焊缝1与焊缝2的焊接等效残余应力曲线变化趋势相同, 在x方向与z方向的残余应力较小, 在y方向的残余应力最大, 说明桥壳焊接等效残余应力主要表现为在y方向的拉应力.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 桥壳焊接等效残余应力分布图Fig.9 Distribution diagram of welding residual stress of axle housing |
沿着焊缝纵向方向, 距离桥壳中心越远, y方向的焊接等效残余应力越小, 桥壳左右两端应力曲线剧烈波动产生紊乱现象, 是由于桥壳焊接完成后取消夹具使其自由冷却, 在桥壳两端, 因夹具的约束使桥壳在焊接过程储存的焊接应力被释放, 焊接残余应力逐渐降低.
3.4 延长装夹时间对桥壳焊接变形及残余应力的影响文献表明通过对长焊缝进行分段焊接[9]、设计合理的焊接顺序[10-11]、合理的装夹条件[12]及焊前反变形技术[12]等可以有效减小焊接变形及焊接残余应力.为了减小桥壳的焊接变形, 结合实际条件，本文分析了装夹条件对桥壳焊接变形及焊接残余应力的影响, 如图 10、图 11所示.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 冷却时约束控制时长对桥壳焊接变形的影响Fig.10 Influence of constraint control time on welding deformation of axle housing during cooling |
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 冷却时约束控制时长对桥壳焊接等效残余应力的影响Fig.11 Effect of constraint control time on equivalent residual stress of axle housing during cooling |
从图 10和图 11可以看出, 当保持装夹时间延长至600 s时, 再延长装夹时间对焊接变形及焊接等效残余应力的影响越来越小.因此, 桥壳焊接完成后保持装夹条件冷却600 s为最优冷却控制时长, 与全自由冷却(保持控制30 s)相比最大焊接变形降低了26%左右.从焊缝1与焊缝2中焊接等效残余应力分布较稳定的中部来看, 最大焊接等效残余应力降低了40%左右.综上所述，延长冷却控制时长可以有效地减小桥壳焊接变形与焊接等效残余应力.
4 结论1) 桥壳焊接变形集中表现为向x轴方向变形, 最高焊接变形11.63 mm左右, 桥壳焊缝上的焊接等效残余应力整体表现为拉应力, 距离桥壳中心越近应力越高, 焊接等效残余应力均在焊接材料的屈服强度以内, 在左右两条直焊缝两端点附近焊接残余应力分布较为复杂, 焊缝起始与终止位置残余应力最大, 最容易产生焊接裂纹和疲劳破坏.
2) 延长冷却控制时长可以有效提高桥壳的焊接质量, 最优冷却控制时长为600 s, 既可以减小焊接变形与焊接等效残余应力，又可以提高焊接效率.
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