激光焊接撥叉失效分析及解決方法

黃虎，唐滿榮，何俊謀，陳超超，胡榮春，陳理，呂兵

重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司 重慶 402761

激光技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，例如航空航天、核能、船舶、通信及汽車等行業(yè)，尤其是在汽車工業(yè)中廣泛使用。激光焊接技術(shù)現(xiàn)已成為汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝，是汽車制造過程中的主要焊接方法[1]。

由于激光焊接變形小，因此在汽車變速器中得到了廣泛使用，例如齒圈與齒輪的焊接連接、換擋擺桿與換擋軸的焊接連接、撥叉與撥叉軸的焊接連接等。其中，激光焊接撥叉具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、制造工藝簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，符合輕量化設(shè)計(jì)和綠色制造理念。與傳統(tǒng)鑄鋼撥叉和鋁合金撥叉相比具有明顯優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)鑄鋼撥叉相比，精沖焊接撥叉重量減輕了50%，既實(shí)現(xiàn)輕量化又可節(jié)省大量原材料；與鋁合金撥叉相比，總成質(zhì)量相當(dāng)，而單件成本僅是鋁合金產(chǎn)品的50%左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

結(jié)合公司某產(chǎn)品在同步器壽命試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)激光焊接撥叉焊縫出現(xiàn)斷裂、脫落（見圖1）的案例，采用多種激光焊接失效分析方法，分析了焊接失效的原因，并提出了對(duì)應(yīng)的解決措施。

圖1 失效撥叉示意

焊接失效分析

1.焊縫外觀檢測(cè)

焊縫外觀檢測(cè)簡(jiǎn)單有效，可發(fā)現(xiàn)焊縫的外觀是否完整連續(xù)，有無氣孔夾渣，可初步判斷焊縫失效原因。對(duì)此次失效撥叉焊縫外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊縫外觀完整連續(xù)，無氣孔夾渣等焊接缺陷。

2.焊縫剖切檢測(cè)

焊縫剖切檢測(cè)是分析焊縫失效原因的必要手段，可發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有無夾雜、氣孔之類焊接缺陷。利用剖切檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)此次分析的激光焊接撥叉焊縫內(nèi)部無夾雜和氣孔等缺陷，如圖2所示。

圖2 焊縫剖切圖

3.焊縫尺寸檢測(cè)

焊縫尺寸包括焊縫熔深和熔寬。通過焊縫尺寸檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)焊接工藝是否滿足零部件的焊接要求，焊縫尺寸達(dá)不到圖樣要求是焊接失效的原因之一。此案例撥叉的焊縫尺寸見表1，滿足圖樣設(shè)計(jì)要求。

表1 焊縫尺寸 （單位：mm）

4.金相及硬度檢測(cè)

金相及硬度檢測(cè)是對(duì)焊縫內(nèi)部組織的檢測(cè)，可以判斷出焊縫組織的成分。對(duì)金相及硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示此次故障撥叉的焊縫右側(cè)硬度較高（見表2），檢測(cè)點(diǎn)如圖3所示。金相結(jié)果顯示焊縫區(qū)域存在板條馬氏體和少量的針狀馬氏體組織（見圖4），該組織硬度較高、性質(zhì)較脆，極易導(dǎo)致后期的疲勞裂紋。

表2 硬度檢測(cè)（維氏硬度）（單位：HV）

圖3 硬度及金相檢測(cè)點(diǎn)

圖4 焊縫金相組織

5.焊縫強(qiáng)度分析

對(duì)撥叉進(jìn)行受力分析（見圖5），根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》中的焊縫強(qiáng)度計(jì)算方法[3]，叉口架處焊縫的切應(yīng)力τ計(jì)算如下：

式中F1——叉口架所受的力，單位為N；

L1——F1作用點(diǎn)到焊縫的垂直距離，單位為mm；

a——焊縫寬度，單位為mm；

h——焊縫長(zhǎng)度，單位為mm。

式（1）為便于計(jì)算已經(jīng)過了簡(jiǎn)化，實(shí)際情況L1不是一個(gè)定值，不同的焊縫位置L1值有稍微的差異，因此其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差異較大。目前焊縫強(qiáng)度計(jì)算普遍使用ANSYS、MSC等有限元軟件進(jìn)行仿真分析，有限元仿真（FEA）是分析焊縫強(qiáng)度的一種有效、準(zhǔn)確且快捷方法。通過對(duì)焊接撥叉進(jìn)行有限元分析（邊界條件設(shè)置見圖6），焊接撥叉的計(jì)算最大應(yīng)力值為2292N/mm2，位于零件焊縫起始點(diǎn)，與失效零件開裂位置吻合，如圖7所示。有限元分析結(jié)果表明最大應(yīng)力超過了焊縫位置的實(shí)際抗拉強(qiáng)度（硬度檢測(cè)：焊縫位置的硬度為291.3～504HV，換算可得抗拉強(qiáng)度為1000～1681N/mm2）。

圖7 應(yīng)力分析

對(duì)故障件焊縫的檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫區(qū)域存在板條狀馬氏體和少量針狀馬氏體組織，該組織容易導(dǎo)致焊縫疲勞失效；撥叉總成焊接結(jié)構(gòu)CAE分析結(jié)果顯示，焊縫末端的最大應(yīng)力值為2292N/mm2，超過抗拉強(qiáng)度（1027～1681N/mm2）。在焊縫最薄弱處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而故障撥叉的開裂失效部位也與分析結(jié)果相符。據(jù)此分析出激光焊接撥叉失效原因是：零件材質(zhì)選取不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生缺陷組織，加上焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷，導(dǎo)致?lián)懿婧缚p最大應(yīng)力值超過材料抗拉強(qiáng)度。

解決措施

根據(jù)上述分析得出的結(jié)論，針對(duì)性地提出了解決焊接失效問題的措施：

1）撥叉零部件材料優(yōu)化。由于含碳量較高的鋼材焊縫易產(chǎn)生板條狀馬氏體，因此將軸套材料由35鋼變?yōu)?0鋼（含碳量較低），叉口架由35鋼變更為30CrMo。

2）焊縫設(shè)計(jì)優(yōu)化。調(diào)整焊縫參數(shù)，使焊縫寬度大于6mm，原焊縫長(zhǎng)度增加8mm并增加一道焊縫（見圖8），降低焊縫最大應(yīng)力。

圖8 焊縫改進(jìn)

對(duì)更改材料和焊縫參數(shù)后的撥叉進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)焊縫最大應(yīng)力已降為683.85 N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖9所示。對(duì)改后的焊接撥叉進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，未再次發(fā)現(xiàn)焊接失效問題。

圖9 應(yīng)力分析

結(jié)語(yǔ)

對(duì)某激光焊接撥叉的焊縫失效問題進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真研究，據(jù)此提出了解決焊縫失效問題的技術(shù)方案，并最終獲得了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和焊接參數(shù)方案，結(jié)論如下：

1）激光焊接撥叉強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，可見有限元分析可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)是否存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

2）撥叉零件材料選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊接處疲勞失效。

3）焊接熔深、長(zhǎng)度不足會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致零件失效。

4）通過合理選材，優(yōu)化焊縫數(shù)量、焊接熔深及焊接長(zhǎng)度，可解決撥叉焊縫失效問題。