PFI汽油機(jī)噴油器噴孔板焊接疲勞強(qiáng)度研究

莫福廣，梁軍，王洪勃，林嘉，梁源飛

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

隨著國(guó)家法規(guī)對(duì)汽車尾氣中有害物質(zhì)排放限值的嚴(yán)控，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、排放要求也越來(lái)越高。缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)由于噴油壓力高，燃油霧化好，燃燒效率高，能有效降低未燃碳?xì)浜虲O排放[1]，正逐漸成為輕型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主流[2-3]。但GDI汽油機(jī)的NOx及顆粒排放比PFI汽油機(jī)及帶顆粒捕集器的柴油機(jī)大幅增加[4-5]，需要增加額外的控制措施。同時(shí)，GDI噴射系統(tǒng)相比PFI噴射系統(tǒng)價(jià)格也更昂貴，導(dǎo)致整機(jī)成本上升。各個(gè)主機(jī)廠為了在滿足排放法規(guī)、動(dòng)力輸出的同時(shí)，兼顧成本，仍將大量、長(zhǎng)期使用PFI汽油機(jī)。

噴孔板是通過(guò)激光焊接在噴油器末端超薄不銹鋼鋼板，厚度一般在100～200 μm之間，主要應(yīng)用在PFI汽油機(jī)上，見(jiàn)圖1。噴孔板的幾何尺寸決定著噴油器油束噴射狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能起關(guān)鍵性作用[6-7]。在PFI汽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，噴孔板不斷地承受著380 kPa的高壓燃油均布載荷的作用，見(jiàn)圖2橢圓A區(qū)域，這對(duì)噴孔板的焊接及材料本身強(qiáng)度要求增加。在某款發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，就發(fā)現(xiàn)因噴孔板強(qiáng)度不足，導(dǎo)致噴孔板疲勞斷裂，噴油器功能喪失。

圖1 噴孔板的位置

圖2 噴孔板受力情況

近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要的研究重點(diǎn)為GDI汽油機(jī)噴油器結(jié)構(gòu)對(duì)噴油器性能的影響，如SEQUINO L、JIANG C Z、姚春德等都對(duì)噴嘴某些幾何參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響進(jìn)行了研究[8-10]，郭世龍等研究了針閥偶件間隙、柱塞偶件間隙、針閥升程、銜鐵升程等對(duì)噴油器噴油一致性的影響[11]。在噴油器加工工藝方面，崔厚學(xué)等研究了噴油器焊接工序[12]。

在超薄無(wú)銹鋼焊接方面，余世航研究了0.7mm的SS302不銹鋼工藝參數(shù)優(yōu)化[13]，宮喚春研究了SS302不銹鋼處于持續(xù)大功率光纖激光焊接時(shí)的焊縫寬度變化情況[14]，而對(duì)SS444不銹鋼的研究主要集中在其耐腐蝕性能[15-16]。行業(yè)內(nèi)對(duì)≤0.2mm的SS302、SS444超薄不銹鋼的激光焊接應(yīng)力及強(qiáng)度的研究很少。

本文首先使用有限元軟件ANSYS對(duì)0.152mm厚度、孔板直徑φ7.18mm、焊縫直徑φ3.1mm的SS302、SS444兩種非線性超薄不銹鋼材料噴孔板焊接處范式等效應(yīng)力(von mises stress)分布進(jìn)行靜態(tài)模擬分析，評(píng)估不同材料在不同焊接工藝參數(shù)下焊縫處等效應(yīng)力情況。然后設(shè)計(jì)專門的HALT(highly accelerated life test)測(cè)試，制成樣件(圖3)，使用ReliaSoft公司的ALTA、Weibull++軟件擬合樣件測(cè)試結(jié)果的疲勞曲線及Weibull分布，研究了不同材料噴孔板的疲勞壽命。

圖3 噴孔板幾何尺寸

1 焊接過(guò)程分析

1.1 焊接過(guò)程CAE分析

使用ANSYS軟件對(duì)SSS302和SSS444兩種非線性材料噴孔板的焊接過(guò)程進(jìn)行CAE分析。分析噴孔板和閥座從不同溫度冷卻到室溫22℃時(shí)，3種不同焊接工藝方案(表1)下噴孔板焊縫處的等效應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖4-圖6。

表1 焊接工藝方案

方案A：噴孔板溫度為700℃，閥座溫度為22℃。

在模擬條件下，SS302的焊縫處應(yīng)力為318.26MPa，SS444的焊縫處應(yīng)力為385.83MPa，都產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象，如圖4所示。(此SS302不銹鋼屈服強(qiáng)度為241MPa，SS444不銹鋼屈服強(qiáng)度為360MPa。)

圖4 方案A應(yīng)力分布圖

方案B：噴孔板溫度為400℃，閥座溫度為210℃。

SS302噴孔板在焊縫處應(yīng)力為249.29MPa，產(chǎn)生屈服；但SS444噴孔板焊縫應(yīng)力在46.701MPa，未發(fā)生屈服現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 方案B應(yīng)力分布圖

方案C：噴孔板溫度為500℃，閥座溫度為350℃。

SS302噴孔板在焊縫處應(yīng)力為248.8MPa，產(chǎn)生屈服； SS444噴孔板焊縫應(yīng)力為68.08MPa未發(fā)生屈服現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 方案C應(yīng)力分布圖

上述分析表明，3種焊接方案SS302材料噴孔板均在焊縫處發(fā)生了屈服現(xiàn)象；而SS444材料噴孔板在方案A時(shí)出現(xiàn)屈服，而方案B、方案C未發(fā)生屈服現(xiàn)象。上述3種焊接方案焊縫處最大等效應(yīng)力CAE分析結(jié)果見(jiàn)表2，方案B 的SS444噴孔板的焊縫處應(yīng)力最小，故選擇用于實(shí)際生產(chǎn)。

表2 焊縫處最大等效應(yīng)力CAE分析結(jié)果

1.2 焊接尺寸

按照方案B制成樣件，測(cè)量噴孔板焊接在閥座上的焊接尺寸，見(jiàn)圖7。結(jié)果均在要求范圍內(nèi)，未見(jiàn)明顯差別，見(jiàn)圖8。

圖7 焊接尺寸示意圖

圖8 焊接尺寸結(jié)果

2 HALT驗(yàn)證

2.1 疲勞曲線

基于材料力學(xué)性能，對(duì)CAE分析方案B制成的樣件進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)，得出疲勞壽命與疲勞應(yīng)力的關(guān)系(圖9)；隨著疲勞應(yīng)力的降低，疲勞壽命逐漸增加，當(dāng)疲勞應(yīng)力小于某個(gè)臨界值時(shí)，疲勞壽命將無(wú)限增加。圖9中橫坐標(biāo)為疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為疲勞應(yīng)力σ。

圖9 幾種常見(jiàn)材料的疲勞曲線

2.2 HALT設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)：HALT試驗(yàn)臺(tái)由高壓燃油供給系統(tǒng)、高壓噴油器、試驗(yàn)樣件工裝、探測(cè)流量計(jì)等組成，如圖10所示。

圖10 疲勞循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)：

a)測(cè)試條件：內(nèi)部壓力疲勞試驗(yàn)在室溫進(jìn)行，測(cè)試媒介為DOT4剎車液，均帶頻率為15Hz恒定的正弦負(fù)載，壓力比一定。

b)測(cè)試方法：SS302噴孔板試驗(yàn)樣件分別進(jìn)行3 MPa、3.5 MPa、4 MPa壓力下的HALT，SS444噴孔板試驗(yàn)樣件分別進(jìn)行7 MPa、7.5 MPa、8 MPa壓力下的HALT。

試驗(yàn)過(guò)程：

1)將噴孔板焊接在接桿上制成試驗(yàn)樣件，試驗(yàn)樣件安裝在疲勞循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)上；

2)通過(guò)高壓噴油器開(kāi)啟/關(guān)閉系統(tǒng)，控制作用于噴孔板的壓力，通過(guò)流量計(jì)來(lái)探測(cè)噴孔板是否發(fā)生疲勞斷裂，通過(guò)循環(huán)累加器顯示測(cè)試循環(huán)次數(shù)；

3)如果流量計(jì)的流量顯著增加，則判定為噴孔板發(fā)生了疲勞斷裂，停止循環(huán)累加器計(jì)算。

3 HALT數(shù)據(jù)分析

3.1 HALT數(shù)據(jù)分析

使用ReliaSoft公司的Weibull++和ALTA軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合圖形如圖11。其中：

圖11 不同材料的HALT結(jié)果

a)橫坐標(biāo)Stress為通過(guò)測(cè)試壓力擬合轉(zhuǎn)換的應(yīng)力，縱坐標(biāo)Life為試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)；

b)直線1為SS302材料樣件3個(gè)不同測(cè)試壓力的平均失效時(shí)間線(mean time to failure)，即平均失效壽命線；

c)直線2為SS444材料樣件3個(gè)不同測(cè)試壓力的平均失效壽命線；

d)虛線為SS444材料樣件3個(gè)不同測(cè)試壓力的峰值失效時(shí)間線(mode time to failure)，即峰值失效壽命線。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)在相同測(cè)試壓力下，SS444材料樣件疲勞壽命比SS302材料樣件從1×103提升到1×107，提升1×104倍(按中位數(shù)計(jì)算)；

2)SS444有更進(jìn)一步從1×107提升到2×108的最小提升空間；

3)隨著應(yīng)力的增加，兩種材料噴孔板的循環(huán)壽命下降速度變化不大；

4)HALT導(dǎo)致噴孔板的失效屬于高周疲勞失效。

3.2 噴孔板材料對(duì)噴油器性能的影響

對(duì)SS444和SS302噴孔板材料的噴油器總成進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：兩種噴孔板材料試驗(yàn)樣件的噴射霧錐角度、雙霧錐夾角、SMD、流量等性能參數(shù)均在要求范圍內(nèi)，都滿足噴油器性能要求，如圖12所示。

圖12 性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)CAE仿真及分析制成樣件的HALT結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)在相同焊接參數(shù)條件下，SS444比SS302具有更好的焊接性；

2)在相同測(cè)試壓力下，SS444材料樣件比SS302材料樣件疲勞壽命有顯著提高，與ANSYS仿真結(jié)果有較好的一致性；

3)SS444材料樣件疲勞壽命有更進(jìn)一步提升的空間。