減少殘余應(yīng)力的變量研究

　　本節(jié)將介紹一項(xiàng)系統(tǒng)研究，目的是了解和定性評(píng)估減少圓周焊縫殘余焊接應(yīng)力的有效方法。本研究提出的建議特別考慮了工藝修改、材料條件和幾何方面，對(duì)圓周焊縫結(jié)構(gòu)部件無(wú)裂紋可焊性的影響。

　　在這項(xiàng)研究中，明確研究了典型裂紋預(yù)防方法之間的相關(guān)性及其對(duì)徑向和切向應(yīng)力分量的影響。具有代表性的參考模型，為所選模型變體的定性比較模擬提供了基準(zhǔn)。第一個(gè)模型變體側(cè)重于壓入配合的尺寸，目的是降低連接區(qū)域的約束程度。在這方面，壓入配合的干涉被移除，接觸被建模為滑動(dòng)配合（見圖12，變體01）。第二種變式是通過減少壓接長(zhǎng)度來減小壓接接觸面（見圖12，變體02）。

　　提出這兩種變體的目的都是為了提高焊接接頭的自由度，從而減少引起的殘余應(yīng)力。下一個(gè)變體將減小接頭凸緣的徑向厚度，作為減少殘余應(yīng)力的一種可能策略（見圖12，變體03）。由于連接法蘭的剛度降低，焊接接頭的熱誘導(dǎo)變形可能會(huì)增大，因此預(yù)計(jì)這種修改可減少殘余應(yīng)力。

　　下一種方法是減小焊縫深度（見圖12，變體04），目的是通過減小焊點(diǎn)的體積熱負(fù)荷來降低殘余應(yīng)力，從而減小變形，進(jìn)而減小殘余應(yīng)力。2.2毫米焊縫深度的焊縫橫截面被簡(jiǎn)化為對(duì)稱焊縫，以糾正實(shí)驗(yàn)幾何形狀根腔的變化，如圖11所示。

　　與工藝相關(guān)的一項(xiàng)修改是在焊接前對(duì)接縫進(jìn)行預(yù)熱，據(jù)預(yù)測(cè)這將減少誘導(dǎo)殘余應(yīng)力。采用典型溫度水平對(duì)齒輪（輪轂）進(jìn)行局部感應(yīng)預(yù)熱，作為進(jìn)行中的變體（圖12，變體05）。圖13中的等值線圖顯示了結(jié)果的良好一致性。

　　模型完全冷卻后產(chǎn)生的徑向應(yīng)力集中在焊縫根部，切向殘余應(yīng)力則集中在熱影響區(qū)焊縫外部。切向應(yīng)力較大，而且具有拉伸（裂紋張開）性質(zhì)，這表明所有變體的徑向裂紋擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)增加。應(yīng)力分布的定量差異表明，修改對(duì)誘導(dǎo)殘余應(yīng)力的影響很大。壓配重疊的幾何變化對(duì)殘余應(yīng)力的影響最小，最大減小幅度為5.02%。

　　然而，壓入長(zhǎng)度的減少卻改善了熱裂紋時(shí)間范圍，減少了8.28%，這表明與壓入重疊相比，該參數(shù)對(duì)自由度的總體影響更為突出。然而，壓入擬合參數(shù)的變化對(duì)冷裂縫時(shí)間范圍內(nèi)應(yīng)力的減少影響甚微。在降低連接法蘭的剛度時(shí)，總體應(yīng)力降低幅度最大。徑向?qū)挾鹊臏p小對(duì)徑向應(yīng)力有明顯影響，在熱裂紋和冷裂紋時(shí)間范圍內(nèi)，臨界元素的徑向應(yīng)力分別減小了32.41%和17.24%。

　　切向應(yīng)力在熱裂紋階段降低了13.38%，而在冷裂紋階段僅降低了4.1%，這可能是由于切向方向上的熱梯度較高，而這種熱梯度是由于接頭周圍的整體體積減小而產(chǎn)生的。焊縫深度的減少導(dǎo)致兩個(gè)時(shí)間段的應(yīng)力徑向分量減少了8.22%-13.41%。

　　然而，冷裂紋時(shí)間范圍內(nèi)的切向分量沒有變化。事實(shí)證明，對(duì)齒輪進(jìn)行局部預(yù)熱也有利于在兩個(gè)時(shí)間框架內(nèi)減少殘余應(yīng)力的所有分量。由于溫度梯度較小，熱裂紋時(shí)段的殘余應(yīng)力切向分量和徑向分量分別減少了3.09%和7.45%。

　　冷裂紋階段的特點(diǎn)還包括殘余應(yīng)力的減少，切向應(yīng)力減少了9.11%，徑向應(yīng)力減少了4.38%。結(jié)果概覽見圖14。減少殘余應(yīng)力的最大潛力在于降低連接法蘭的剛度。剛度的減小對(duì)引起的殘余應(yīng)力有主要影響。

　　另一個(gè)是減少焊縫深度，這對(duì)可能導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的殘余應(yīng)力有顯著影響。幾何修改加上與工藝相關(guān)的修改（如焊點(diǎn)的感應(yīng)預(yù)熱），在最大限度地減少因焊接引起的熱應(yīng)變而導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展方面，具有巨大潛力。

　　負(fù)載兼容設(shè)計(jì)

　　通?？赏ㄟ^結(jié)構(gòu)-機(jī)械FE仿真實(shí)現(xiàn)接頭和整個(gè)部件的負(fù)載兼容設(shè)計(jì)。然而，在典型的復(fù)雜循環(huán)載荷情況下，很難對(duì)數(shù)值計(jì)算的應(yīng)力進(jìn)行解釋。造成這種情況的主要原因是，焊接接頭的相關(guān)準(zhǔn)則中只有非常有限的設(shè)計(jì)參數(shù)。另一個(gè)問題是與局部設(shè)計(jì)概念（如缺口應(yīng)力概念）相關(guān)的計(jì)算工作量大。

　　圖15顯示了弗勞恩霍夫IWS開發(fā)的基于結(jié)構(gòu)模擬和使用簡(jiǎn)化試樣，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的激光焊接傳動(dòng)部件疲勞評(píng)估新程序。結(jié)構(gòu)焊接模擬的FE模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)直接用作疲勞評(píng)估的結(jié)構(gòu)模擬基礎(chǔ)。實(shí)際的齒輪力被應(yīng)用并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。然后設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的測(cè)試樣本，從而將實(shí)際部件中的接頭設(shè)計(jì)移植過來。

　　利用弗勞恩霍夫IWS伺服液壓疲勞試驗(yàn)設(shè)備，可以施加多軸扭轉(zhuǎn)和軸向載荷，從而再現(xiàn)實(shí)際部件與試樣的焊縫應(yīng)力張量。通過這種方法，我們甚至可以以沃勒爾曲線的形式系統(tǒng)地確定不同載荷水平下復(fù)雜的多軸應(yīng)力情況。圖16顯示了一條軸向焊縫的沃勒曲線示例。

　　在焊縫頂部和根部之間應(yīng)力分布均勻的情況下，可將實(shí)驗(yàn)確定的數(shù)據(jù)（如剪切疲勞抗力S-N 曲線）與參考文獻(xiàn)等相關(guān)指南中的疲勞抗力S-N曲線（如FAT100）進(jìn)行比較，以便對(duì)載荷進(jìn)行分類。不過，目前還沒有研究過焊接兼容設(shè)計(jì)變體（見圖12）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，這也是當(dāng)前研究的主題。

　　結(jié)論

　　所介紹的焊接模擬程序可用于以時(shí)間和位置分辨的方式，描述復(fù)雜傳動(dòng)部件激光焊接過程中與裂紋形成相關(guān)的殘余應(yīng)力。示例性變體研究表明，焊接殘余應(yīng)力可通過實(shí)際可行的解決方案有效降低，從而顯著降低裂紋臨界度。

　　通過降低接合區(qū)的剛度，熱裂紋和冷裂紋階段的徑向殘余應(yīng)力可分別降低32%和12%。同時(shí)，剛度的降低還能使熱裂紋階段的切向殘余應(yīng)力減少17%。相比之下，預(yù)熱被證明是減少冷裂紋階段切向殘余應(yīng)力的最有效方法，可減少9%。為了提高應(yīng)力減小效果，還可以對(duì)各種變體進(jìn)行組合，但在此不作考慮。

　　本文介紹的焊接模擬研究為降低激光焊接圓周焊縫過程中裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)做出了寶貴貢獻(xiàn)，尤其是在變速箱部件方面。因此，必須驗(yàn)證所獲結(jié)果在特定應(yīng)用中的可移植性。此外，為確定圓周激光焊縫的沃勒曲線而引入的系統(tǒng)程序，為變速器部件的抗疲勞設(shè)計(jì)做出了重大貢獻(xiàn)。因此，通過將所提出的焊接模擬程序與抗疲勞設(shè)計(jì)相結(jié)合，就能以低成本、高效率的方式開發(fā)出無(wú)裂紋激光焊接可負(fù)載傳動(dòng)部件。

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