某新型轮边减速器壳体焊接可靠性分析

构旭新 肖余芳 陈重均 张晓东430058） （东风汽车公司技术中心，武汉

CAE摘要：为验证锻造分体式轮边减速器壳体焊接后可靠性，首先对壳体的焊接过程进行仿真分析，得到焊接后的应力分布情况；然后将应力结果导入热处理仿真分析中，得出考虑焊接应力情况下的热处理残余应力分布情况，试验结果表明，参照焊接参数焊接后的轮边减速器348 MPA, 355 MPA；壳体的焊接残余应力达 接近该材料的屈服强度 焊接后零件残余应力减小了31.6%，有效控制了零件焊后质量。关键词：轮边减速器壳体 焊接 可靠性TG475 B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20180189中图分类号： 文献标识码： 1 前言

重型货车、重型牵引汽车及大型公共汽车等要求具有较高的动力性，为使动力总成不至于因承受过大尺寸及质量，需要在车轮侧附加轮边减速器，而对于轮边减速器壳体多采用整体式铸造，实际生产成型时存在缩孔缩松、漏油等缺陷，并且30%生产的零件合格率不足 。为改善上述问题，轮边减速器采用新型锻造分体焊接结构，即壳体分两部分锻造，再把两段壳体焊接在一起，整个壳体704 mm，需焊接一周，总长度约为 在焊接时必须重点关注残余应力对壳体整体强度的影响。为此，本文通过仿真分析软件对壳体进行焊接和热处理仿真分析，确定了焊接参数，得到了焊缝处焊接应力及热处理后的应力分布情况，并通过试验验证了仿真结果的可靠性。

1990—），作者简介：构旭新（ 男，初级工程师，研究方向为新产品试制技术与工艺研究。

2 轮边减速器模型

轮边减速器的工作原理是将主减速器传递的转速和扭矩经过其降速增扭后再传递到车轮，以便车轮在地面附着力的反作用下产生较大驱动力，从而减少轮边减速器中各零件的受力。轮边减速器壳体装载行星齿轮结构，在运行过程中承

1受一定的扭转力矩，图 为轮边减速器壳体装配位

45置示意图，壳体材料为 钢。

3 轮边减速器壳体焊接工艺

轮边减速器壳体由两个锻件壳体焊接而成，

2如图 所示。其内部有行星齿轮机构，为防止壳体发生油渗漏现象，整个壳体焊接采用满焊形式。此外，轮边减速器壳体在工作中受到一定的扭转力矩，对整个壳体强度和密封有较高要求，这里通过软件模拟整个焊接过程，得到焊接后的应力分布情况。 根据产品需求及实际的工艺试验，采用自动MIG熔化极惰性气体保护电弧焊（ 焊）工艺，焊接V 3处开型带钝边的坡口（图 为坡口剖面图）。由于材料较厚、坡口较大，为避免焊接不良，需要进行两道焊接，该焊接工作由焊接机器人完成，焊接过程中工件放在可旋转夹具上进行焊接。 参照实际生产所需的焊接工艺规程，其它工1 2艺参数如表 和表 所示。

4 轮边减速器壳体焊接工艺仿真分析 4.1 焊接热源模型

焊接热源模型包括高斯函数分布热源、双椭 圆分布热源、半椭球体分布热源及双椭球分布热源等。焊接仿真软件中提供了上述多种类型热源模型。建立焊接热源物理模型必须考虑热源作用在焊件上的有效热能及作用于焊接上的热量分布

MIG情况[1- 2]。本次焊接采用 工艺，其实际热流分布情况非常接近双椭球热源，因此选用双椭球热

4源模型，如图 所示，同时调试热源模型参数，以达到焊透要求。 式中， q 为前半球的热流密度； q 为后半球的热f b =0.8，流密度； η 为焊接效率； f 为前半椭球的能f + =2 Q=量分数， f 为后半椭球的能量分数， f f ； b f b UI为焊接功率， U为焊接电压，为焊接电流。I焊接是一个温度场变化的过程，假定焊接金属的所有边界条件为仅与空气发生热对流，将辐射换热的影响考虑到对流换热中，设置对流换热25 W/（m2 · K）系数为 。假定材料为各向同性，焊接速度恒定，忽略熔池内部化学反应和搅拌、对流等现象。按照焊接的顺序激活相应的一组单元，并施加一定时间的体热源载荷进行求解；求解结束后，删除载荷，再激活下一组单元，再施加热源载荷，如此反复，直至焊接过程结束。焊接应力分析采用间接耦合方法，即在温度场计算时不考虑结构变化，而将温度场的计算结果作为载荷加载到结构计算中[3-5]。

4.2 焊接过程仿真分析

焊接应力是一个热分析得到的结果。在焊接

过程中，热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束和外拘束而影响热源周围局部区域金属运动，并经历了快速的温度变化过程而产生了焊接残余应力，结合动态分析，在每个时刻只有电弧附近的区域处在高温梯度范围内。为节省分析时间，首先删除不影响分析精度的圆角、圆孔等特征，然后根据模型在坡口处建立两道焊缝模型，再通过网格划分软件分别对上下轮边减速器壳体和焊缝模型进行网格划分，在网格划分时，焊缝周围网格应划分的密集一些，其它区域网格可划分的稀疏一些，以保证可以清晰显示焊缝附近应力分布情况，最后导入到焊接仿真软件中

5进行焊接过程仿真分析，图 所示为轮边减速器壳体有限元模型。 壳体为轴对称结构，为节省时间和效率，这里1截取一半进行分析，分析时设置对称面。按照表2和表中的参数进行设定后，经过分析计算，得到6 6焊接应力结果如图 所示。由图 可看出，焊接应3~5 mm力呈环状分布，主要集中在焊缝周围 处， 348 MPA， 45最大应力值达到了 已经接近了 号钢的355 MPA，屈服强度 而轮边减速器壳体在实际工作中会受到一定的扭转力矩，这对壳体的使用强度和疲劳寿命都是存在一定风险的。 该零件对密封性有一定要求，焊接后不能出 现焊接裂纹、气孔、夹杂未焊透等缺陷，以免影响

7焊接质量。图 为实际生产制造时按照上述焊接

X参数进行焊接后的实物图，经过射线探伤仪测试后焊缝处没有出现未焊透、焊接裂纹、气孔，裂纹夹杂等缺陷。

5 轮边减速器壳体热处理工艺仿真分析

从焊接应力仿真分析结果可知，轮边减速器壳体经过焊接后焊缝周围还存有很大的残余应力，这将严重影响零件的机械性能和使用性能。如果直接使用可能会出现质量问题，所以对焊接后的壳体需进行热处理以去除部分残余应力，提高机械性能。这里将焊接仿真后轮边减速器壳体有限元模型和应力、应变等数据直接转入热处理模块模拟分析，以更接近真实生产情况。热处理

8工艺路线如图 所示，首先进行淬火，加热温度到860 ℃， 2 h，

保温 出炉淬水；再进行回火，加热温度520 ℃， 4 h，到 保温 取出空冷，以消除工件的残余

,应力，调整工件的强度、韧性以达到可使用性能要求。 9经过分析计算，得到热处理应力结果，图 为轮边减速器壳体在加热和保温及冷却过程中的应9力分布情况。由图 可知，壳体由于受到加热、保温和冷却过程的影响，残余应力分布发生了较大的变化。经过热处理，最终焊缝附近的残余应力238 MPA 31.6%， 45减小到 左右，减小了 小于 号钢

8的屈服强度。在实际生产中，按照图 热处理工艺路线进行热处理后，按照试验大纲要求进行台架

30试验，通过了 万次疲劳寿命试验，并在实车试验中得到验证。

（上接第36页）

DTS BOM、整车 、功能核查、整车精度等五个方面进行质量管控； c.本文所提及的方法为展车的试制验证工作提供参考依据。

参考文献：

[1] . [D].李良 车身公差分配技术的研究 重庆：重庆理工大2009.学， [2] . BOM [C].乔良 详解 用途分类及在汽车企业中的应用.河南省汽车工程学会第八届科技学[3] . [J]. , 2004张建文 如何保证车身装焊质量 汽车技术

6 结束语

a.通过对壳体焊接过程进行仿真分析，得出348 MPA，壳体焊接后的残余应力 接近材料的屈服强度。b.由焊接仿真分析结果可知，残余应力较大，在对壳体进行热处理仿真分析时，焊接残余应力的影响是不容忽视的。c.将焊接残余应力输入热处理仿真分析中，得238 MPA, 31.6%，到热处理残余应力减小到 减小了说明焊后热处理工艺可有效控制此类零件质量。

参考文献：

[1] . SYSWELD CTB&SBB王开松 基于 的 真空壳体的焊接[J]. , 2013, 42（13）：183-185，188.仿真分析 热加工工艺[2] , , . SYSWELD康惠 凌泽民 齐喜岑 基于 对低合金钢焊接[J]. , 2010, 39接头的数值模拟及实验分析 热加工工艺23）：200-202. （ [3] , . [J].赵利华 张开林 构架侧梁焊接反变形量的优化分析, 2011, 45（11）：1700-1704.上海交通大学学报[4] , , .汪建华 陆皓 魏良武 固有应变有限元法预测焊接变[J]. , 2002, 23(6):36-40.形理论及其应用 焊接学报[5] , , , .宋娓娓 汪洪峰 汪建利 等 焊接顺序对焊接变形的影[J]. , 2015, 44(7)：76-79.响 焊接技术 2）：19-21. （ [4] .张富荣 车身制造阶段尺寸质量控制体系的研究及应[D]. , 2010.用 湖南：湖南大学[5] . [J]. ,杨刚 汽车零部件制造质量控制与优化 时代农机2017, 44（2）：37-39. [6] . [D].肖敏红 江铃某车型白车身制造质量控制研究 吉2011.林：吉林大学， [7] , , .周志强 陈关龙 朱平 用于车身制造质量控制的白车[J]. , 2003, 25（1）：88-92.身测点布置及优化 汽车工程 AT &M