通过模拟方法，为传动部件激光焊接提供新的可能性（下）

　　减少残余应力的变量研究

　　本节将介绍一项系统研究，目的是了解和定性评估减少圆周焊缝残余焊接应力的有效方法。本研究提出的建议特别考虑了工艺修改、材料条件和几何方面，对圆周焊缝结构部件无裂纹可焊性的影响。

　　在这项研究中，明确研究了典型裂纹预防方法之间的相关性及其对径向和切向应力分量的影响。具有代表性的参考模型，为所选模型变体的定性比较模拟提供了基准。第一个模型变体侧重于压入配合的尺寸，目的是降低连接区域的约束程度。在这方面，压入配合的干涉被移除，接触被建模为滑动配合（见图12，变体01）。第二种变式是通过减少压接长度来减小压接接触面（见图12，变体02）。

　　提出这两种变体的目的都是为了提高焊接接头的自由度，从而减少引起的残余应力。下一个变体将减小接头凸缘的径向厚度，作为减少残余应力的一种可能策略（见图12，变体03）。由于连接法兰的刚度降低，焊接接头的热诱导变形可能会增大，因此预计这种修改可减少残余应力。

　　下一种方法是减小焊缝深度（见图12，变体04），目的是通过减小焊点的体积热负荷来降低残余应力，从而减小变形，进而减小残余应力。2.2毫米焊缝深度的焊缝横截面被简化为对称焊缝，以纠正实验几何形状根腔的变化，如图11所示。

　　与工艺相关的一项修改是在焊接前对接缝进行预热，据预测这将减少诱导残余应力。采用典型温度水平对齿轮（轮毂）进行局部感应预热，作为进行中的变体（图12，变体05）。图13中的等值线图显示了结果的良好一致性。

　　模型完全冷却后产生的径向应力集中在焊缝根部，切向残余应力则集中在热影响区焊缝外部。切向应力较大，而且具有拉伸（裂纹张开）性质，这表明所有变体的径向裂纹扩展风险都会增加。应力分布的定量差异表明，修改对诱导残余应力的影响很大。压配重叠的几何变化对残余应力的影响最小，最大减小幅度为5.02%。

　　然而，压入长度的减少却改善了热裂纹时间范围，减少了8.28%，这表明与压入重叠相比，该参数对自由度的总体影响更为突出。然而，压入拟合参数的变化对冷裂缝时间范围内应力的减少影响甚微。在降低连接法兰的刚度时，总体应力降低幅度最大。径向宽度的减小对径向应力有明显影响，在热裂纹和冷裂纹时间范围内，临界元素的径向应力分别减小了32.41%和17.24%。

　　切向应力在热裂纹阶段降低了13.38%，而在冷裂纹阶段仅降低了4.1%，这可能是由于切向方向上的热梯度较高，而这种热梯度是由于接头周围的整体体积减小而产生的。焊缝深度的减少导致两个时间段的应力径向分量减少了8.22%-13.41%。

　　然而，冷裂纹时间范围内的切向分量没有变化。事实证明，对齿轮进行局部预热也有利于在两个时间框架内减少残余应力的所有分量。由于温度梯度较小，热裂纹时段的残余应力切向分量和径向分量分别减少了3.09%和7.45%。

　　冷裂纹阶段的特点还包括残余应力的减少，切向应力减少了9.11%，径向应力减少了4.38%。结果概览见图14。减少残余应力的最大潜力在于降低连接法兰的刚度。刚度的减小对引起的残余应力有主要影响。

　　另一个是减少焊缝深度，这对可能导致热裂纹产生和扩展的残余应力有显著影响。几何修改加上与工艺相关的修改（如焊点的感应预热），在最大限度地减少因焊接引起的热应变而导致的裂纹产生和扩展方面，具有巨大潜力。

　　负载兼容设计

　　通常可通过结构-机械FE仿真实现接头和整个部件的负载兼容设计。然而，在典型的复杂循环载荷情况下，很难对数值计算的应力进行解释。造成这种情况的主要原因是，焊接接头的相关准则中只有非常有限的设计参数。另一个问题是与局部设计概念（如缺口应力概念）相关的计算工作量大。

　　图15显示了弗劳恩霍夫IWS开发的基于结构模拟和使用简化试样，进行疲劳试验的激光焊接传动部件疲劳评估新程序。结构焊接模拟的FE模型和优化设计直接用作疲劳评估的结构模拟基础。实际的齿轮力被应用并进行相应的评估。然后设计简化的测试样本，从而将实际部件中的接头设计移植过来。

　　利用弗劳恩霍夫IWS伺服液压疲劳试验设备，可以施加多轴扭转和轴向载荷，从而再现实际部件与试样的焊缝应力张量。通过这种方法，我们甚至可以以沃勒尔曲线的形式系统地确定不同载荷水平下复杂的多轴应力情况。图16显示了一条轴向焊缝的沃勒曲线示例。

　　在焊缝顶部和根部之间应力分布均匀的情况下，可将实验确定的数据（如剪切疲劳抗力S-N 曲线）与参考文献等相关指南中的疲劳抗力S-N曲线（如FAT100）进行比较，以便对载荷进行分类。不过，目前还没有研究过焊接兼容设计变体（见图12）对疲劳强度的影响，这也是当前研究的主题。

　　结论

　　所介绍的焊接模拟程序可用于以时间和位置分辨的方式，描述复杂传动部件激光焊接过程中与裂纹形成相关的残余应力。示例性变体研究表明，焊接残余应力可通过实际可行的解决方案有效降低，从而显著降低裂纹临界度。

　　通过降低接合区的刚度，热裂纹和冷裂纹阶段的径向残余应力可分别降低32%和12%。同时，刚度的降低还能使热裂纹阶段的切向残余应力减少17%。相比之下，预热被证明是减少冷裂纹阶段切向残余应力的最有效方法，可减少9%。为了提高应力减小效果，还可以对各种变体进行组合，但在此不作考虑。

　　本文介绍的焊接模拟研究为降低激光焊接圆周焊缝过程中裂纹形成的风险做出了宝贵贡献，尤其是在变速箱部件方面。因此，必须验证所获结果在特定应用中的可移植性。此外，为确定圆周激光焊缝的沃勒曲线而引入的系统程序，为变速器部件的抗疲劳设计做出了重大贡献。因此，通过将所提出的焊接模拟程序与抗疲劳设计相结合，就能以低成本、高效率的方式开发出无裂纹激光焊接可负载传动部件。