排氣焊縫路試斷裂問題解決方案

束銘宇

（玉柴聯合動力股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

前言

汽車零部件設計必須以市場為導向，設計壽命“過大”或“不足”的產品通常是不經濟且缺乏市場競爭力的，所以無論在汽車零部件設計開發還是試驗階段都應當考慮用戶的使用要求。汽車的耐久性試驗是考核和驗證汽車及零部件耐久性的重要手段，

對汽車排氣系統而言，耐久性試驗可以分為道路試驗和臺架模擬試驗[1][2]，兩種試驗方法各有優缺點，道路耐久實驗的載荷工況為實際使用工況，實驗結果更準確，通常用于主機廠的產品認可，臺架模擬實驗的實驗載荷由于是用經驗簡化載荷或道路處理載荷，載荷工況與實際載荷存在一定偏差，與道路實驗相比，臺架模擬試驗速度快、成本低，通常用于產品設計驗證及問題解決方面。

某排氣系統在整車路試時，出現焊縫斷裂，本文對該排氣系統焊縫斷裂原因進行分析，對其結構進行優化設計，并最終通過整車驗證。我們對優化前后樣件進行路譜采集，為了提高焊縫損傷計算精度，本文沒有使用軟件中利用理論公式計算的推薦壽命曲線，而是采用工程壽命曲線試驗方法對優化前后結構進行壽命曲線試驗，然后利用工程試驗S-N曲線對焊縫損傷進行分析，在考慮一定安全系數情況下，評估優化設計是否可以滿足整車道路試驗，最后優化設計通過臺架損傷分析的評估，認為路試耐久試驗風險較低，送樣主機廠做路試耐久試驗。

1 問題背景

在某排氣開發項目中，排氣系統路試里程約58%時，消聲器吊鉤焊縫根部出現斷裂。開裂起始位置為焊縫根部開始擴展。焊縫開裂原因通常分為三類：焊縫質量問題，焊縫設計問題，吊鉤結構設計問題。本文通過焊縫質量檢查、焊縫壽命曲線試驗、整車路譜采集及損傷分析等手段來判斷產生問題根源，并對排氣系統結構進行優化設計。

圖1 路試中吊鉤開裂位置

2 原因分析

對斷裂焊縫進行焊縫切片質量檢查，發現焊縫質量合格，然后對該設計焊縫進行壽命曲線實驗，得到的焊縫壽命在經驗數據范圍內，說明焊縫本身設計合理，最后對斷裂的焊縫進行路譜采集，采集工況為路試循環工況，并將焊縫測試的SN曲線做為輸入，利用ncode公司開發的GlyphWorks軟件對焊縫進行損傷分析，得到焊縫在總路試里程下的損傷為17.3，進一步檢查為焊縫測試結果，發現吊鉤的應力集中過大，輔助CAE強度分析，得出焊縫出現斷裂的原因為吊鉤設計不合理，導致應力集中過大引起。

2.1 疲勞損傷理論

采用線性的疲勞積累損傷理論中的Miner法則，材料在各個應力水平下疲勞損傷獨立進行，總損傷可以線性疊加，當積累到某一數值時材料或構建發生破壞[3]。Miner法則假設：構建所吸收的能量達到極限值時產生疲勞破壞，如破壞前可吸收能量極限為W，構件破壞前縱循環數為N，在某一循環n1時構件吸收的能量為W1，則其吸收的能量與其循環數間存在正比關系，即：

這樣構件的加載歷程由m個不同的應力水平構成，各個應力水平下又對應著m個不同疲勞壽命和循環次數，則損傷為：

當構件吸收能量達到極限值W，即發生破壞。

2.2 焊縫實驗SN曲線理論

焊縫實驗SN疲勞曲線是基于公式（1）所示的SN函數關系，取兩個不同載荷點進行實驗，每個再載荷點做一定數量樣件，通過擬合得到曲線斜率h和常數C，從而得到焊縫在任一載荷下的壽命。通過實驗結果的方差和離散度，利用統計學方法，可以進一步計算不同概率的的壽命曲線，一般常用概率為10%，50%及90%[4]。

其對數形式為：

此處Δσe為加載載荷產生的應力，在不同的實驗載荷類型中，可以為實驗加載載荷，Nf為疲勞壽命，h為曲線斜率，C為曲線截距。

2.3 焊縫切片質量檢查

圖2為吊鉤斷裂區域焊縫切片位置，圖3、圖4分別為圖2標識的1#及2#位置的切片端面圖，從斷裂位置的焊縫切片分析，可以看出，焊縫與消聲器相連部位已經全熔，與吊鉤有一定熔深，根據標準 HB5135－2000，端頭全熔即判合格，所以焊縫焊接質量合格。

圖2 焊縫斷裂區域切片位置

圖3 1#位置切片分析

圖4 2#位置切片分析

圖5 焊接類型示意圖

2.4 焊縫壽命（SN）曲線測試

根據工程SN曲線實驗方法，對該設計方案進行SN曲線實驗，SN曲線實驗方法根據要求一般分為單載荷水平法和雙載荷水平法，根據公式（1）及（2）在對數坐標系下，金屬零件及焊縫的壽命與載荷為線性關系。單載荷水平法是假設焊縫壽命曲線的斜率為一定條件下，選取一個載荷，在該載荷下至少做3個有效樣本，通過統計的方法計算出該載荷下的平均壽命及方差，根據公式（2）及假定的斜率，擬合出壽命曲線。雙載荷水平法是在兩個載荷水平下分別做至少3個有效樣本，計算平均壽命及方差，根據公式（2）擬合出曲線的斜，計算壽命曲線。由于我們對該類型焊縫的斜率有大量的數據庫，本文采用單載荷水平法。圖6為SN曲線實驗安裝圖，圖7為SN曲線實驗結果，從SN曲線實驗結果，得出該焊縫在5百萬次壽命下，存活率為50%的疲勞強度為987N，滿足經驗要求，說明焊縫本身設計沒有問題。

圖6 SN曲線實驗安裝圖

圖7 SN曲線實驗結果

2.5 結構有限元分析及路普采集

為了排查設計方面原因，我們對吊鉤設計進行強度分析，分析發現，該吊鉤在4g載荷下，失效吊鉤位置的最大應力為189MPa，計算結果偏大，根據經驗該FEA應力小于150MPa為安全。計算結果見圖8。

圖8 4g載荷強度分析結果（Max. stress 189MPa）

為了進一步分析失效原因，對系統在路試工況下進行應變采集，通過圖6的實驗SN曲線實驗數據，計算整個路試耐久工況下焊縫的損傷。圖8為路普采集中失效吊鉤應變測試結果，從圖8可以看出，最大采集應變為539μ，總損傷計算結果為17.3.遠大于1，根據疲勞累計損傷理論，損失大于1則會出現斷裂。

圖9 路普采集測試結果

3 優化設計

首先通過CAE手段，對吊鉤設計進行優化，圖10是優化前后的結構設計，圖11是優化后方案4g強度分析結果圖，對比優化前后的CAE強度分析結果，分析結果表明4g強度分析吊鉤應力由183MPa降低到87.2MPa，應力集中有了大幅度降低。

圖10 優化前后設計方案

圖11 優化方案4g強度分析（Max. stress 189MPa）

然后，采用與原方案同樣的實驗方法，對優化后方案進行SN曲線實驗，得到優化方案與原方案SN曲線對比圖，見圖12，從圖12可以看出，吊鉤優化前后，SN曲線差別較小。

圖12 原方案與優化方案SN曲線對比

圖13 優化方案路譜采集測試結果

最后對優化后的方案在與原方案同樣的路試工況下進行應變采集，得到應變見圖13，采集的最大應變由原方案的539 μ下降到37μ，應力集中載荷大幅度下降，與CAE分析結果趨勢一致。根據試驗SN曲線實驗，對焊縫損傷進行計算，得到優化方案的焊縫總損傷為0.0581，遠小于1。

通過CAE分析，焊縫SN曲線實驗及路譜采集和損傷分析，證明相同CAE分析條件下優化方案應力集中比原方案下降54%，優化前后焊縫壽命曲線相差不大，優化方案的路譜采集應變比原方案大幅度下降，不到原方案十分之一，通過損傷分析，可以證明原方案不能通過路試耐久實驗，與整車路試實驗結果一致，通過損傷計算的結果證明優化方案可以通過整車路試耐久實驗，最后將產品送主機廠進行路試耐久實驗，并通過整車路試耐久實驗驗證。

4 結論

本文針對排氣系統吊鉤焊縫在路試中出現斷裂的問題進行原因分析，分別從焊縫質量，焊縫壽命及結構設計方面進行原因分析，得出焊縫質量及焊縫壽命均符合要求，為結構設計引起應力集中過大而使得焊縫失效。

結合失效的原因，通過CAE的方法進行結構優化設計，降低應力集中，最后通兩種方案的路譜采集及焊縫損傷分析，驗證了優化后的方案可以通過整車路試耐久實驗，并使得樣件最終通過了整車路試耐久實驗。

參考文獻

[1] 劉再生,霍福祥,楊立峰,等.基于路譜輸入的汽車臺架耐久性試驗方法研究[J].汽車技術,2010(9)47-50.

[2] 康強,左曙光,周煒,等.汽車用戶道路行駛載荷譜測量及推斷方法研究[J].汽車技術,2009(10)∶55-58.

[3] 馮勝線性疲勞損傷累計理論的研究[J].哈爾濱∶哈爾濱工業大學學報,2003年5月,Vol. 35, No.5

[4] 張宇明基于等效結構應力法SPR疲勞研究[J].2015年HEM-ncode疲勞耐久技術研討會征文.