结合仿真指导焊点焊缝设计

便携式可搬移箱是一种用来安装和保护军用电子设备的小型金属机箱，具有设备集成度高、体积小、重量轻、便于搬运等特点。作为军用电子设备的机械外壳包装以及结构基础平台的可搬移机箱，是电子设备最基本的硬件保护体，既要有足够的刚度和强度又要实现自身结构轻型化。

机箱的仿真分析

铝合金以其优良的挤压性能、可焊接性能等特点逐渐成为轻型产品的常用材料。可搬移机箱外壳通过折弯焊接而成‚材料选用的是5A02(0)铝合金板材。在机箱四个棱边的内侧分别焊接了四个用5A05(Ｈ112)铝棒车制的圆柱形连接块,通过减振器与机架连接。结构形式如图1所示。

图 1 可搬移结构形式

可搬移机箱整体结构设计完成后,在ansys环境下建立可搬移机箱有限元模型对可搬移机箱有限元模型进行静力学计算，对机箱整体刚度、强度进行了设计校核。可搬移机箱在使用过程中主要存在以下两种受力情形：搬运工况和贮存工况。从图2和图3上得出在搬运和贮存两种工况下机箱的最大应力均出在机箱四个棱边与圆柱形连接块的焊接处。

可搬移机箱在实际工作环境中不可避免地会受到振动和冲击等各种机械力的作用。进一步通过ansys软件对可搬移箱模型进行结构动力学分析。通过冲击和振动的仿真分析，从仿真结果中得到在垂直方向的激励下机箱的等效应力最大在图4上发现机箱最大应力值也出现在四个棱边与圆柱形连接块的焊接处。

图 2 搬运工况机箱应力图

图 3 贮存工况机箱应力图

图 4 垂直方向激励下机箱的等效应力图

焊缝强度试验、计算试验

为了保证可搬移机箱使用的可靠性，需对其薄弱环节处的焊接强度进行分析计算。通过加长有效的焊缝长度、采用合理的焊接工艺控制机箱薄弱环节处的焊接强度。

以下通过焊缝拉伸试验、焊缝长度计算、焊缝强度计算、冲击试验等方法对此处的强度计算进行了理论的校核和验证。

拉伸试验

可搬移箱体采用的是5A02(0)铝合金，这是一种-AL-Si-Mg高强度铝合金，其抗拉强度为210MPa～225MPa。对于5A02(0)铝合金母材‚焊接填充材料可选用ER5356和ER4043两种焊丝，其中ER5356为AL-Mg焊丝‚可保证焊接接头的抗拉强度；而ER4043为AL-Si焊丝，可降低焊缝的裂纹倾向。

为了保证机箱的焊接接头强度‚根据GB/T2649-89《焊接接头机械性能试样取样方法》和GB41-89《焊接接头拉伸试验方法》进行试样的制取和拉伸试验。

选择5A02(0)铝合金作为试验母材,两组相同试件各五件。分别采用ER5356AL-Mg焊丝和ER4043AL-Si焊丝与母材进行焊接。焊前将试件进行化学清洗，焊后校平。

进行拉伸试验后,发现ER5356AL-Mg焊焊丝焊接接头的平均抗拉强度为 199MPa,而ER4043AL-Si焊丝焊接接头的平均抗拉强度为178MPa。由此可见ER5356AL-Mg焊丝焊接接头抗拉强度较大，所以可搬移机箱焊接时选用ER5356AL-Mg焊丝。

将拉伸试验值和母材的抗拉强度进行对比两种焊接接头的抗拉强度均比母材的抗拉强度低，下降了12％～20％，这主要是由于焊接过程中母材在焊接热的影响下产生了软化现象，但焊接接头强度还是能满足设计要求的。

焊缝长度及焊点强度的计算

由于机箱在动载荷作用下四角焊接块处的应力值较大，所以文中只针对动载下焊接块处的焊缝长度和强度进行计算。

可搬移机箱一般重量控制在50kg以内，运输时峰值加速度为15g（GJB150.86-1986规定），根据此条件计算焊缝总长度l。

其中：Ｆ为冲击力（箱体总重为50kg，最大冲击值为15g时）；ｈ为焊缝高度取3.3ｍｍ；Ｔ为许用切应力（角焊缝或未完全焊透的坡口焊缝金属的许用切应力是焊丝最小拉伸强度的0.3倍，选用ER5356AL-Mg焊丝）。

可计算出所需铝制连接块处的焊缝总长为50ｍｍ。由于可搬移机箱的运输环境较为复杂，以在设计时，需通过增大焊缝长度的方式提高焊接强度，以保证整个箱体的可靠度。由于箱体骨架和壳体间有多个焊接块,不可能将计算出的焊缝总长平均到每一个焊接块上，但考虑运输时的最大冲击力可能施加在某一个焊接块上，所以在实际焊接中每个焊接块分三段焊接,每段焊缝长20ｍｍ，即每个焊接块的实际焊缝长度为60ｍｍ。

假设运输时的最大冲击力施加在某一个焊接块上时，此处焊接接头将承受全部冲击力，此时焊接块的焊缝剪切应力最大。以此条件计算焊缝剪切应力τ。

计算可知若将箱体受到的最大冲击力施加到某一个焊接块上，且此焊接块与箱体间焊缝总长超过60ｍｍ时，此焊块受到的最大剪切应力≤50MPa。

实际上，在结构设计时已考虑尽量将载荷均匀分布到n（此结构中n为4的整数倍）个点上，使机箱各部位的变形和受力情况尽量均衡。所以运输中的冲击只施加到某个单点上的情况是较少发生的。所以实际上每个焊块受到的剪切应力为50／nMPa，远远小于焊缝的许用切应力（焊丝最小拉伸强度199MPa的0.3倍,即59.7MPa）,机箱焊接接头的理论强度满足要求。

铝合金焊接工艺

由于铝及铝合金具有独特的物理化学性能,在焊接过程中存在一定的困难。加上目前技术水平和生产条件的限制，仅依靠焊缝理论计算和样机试验，尚不能完全评定批量生产时焊接接头的全部性能。在实际批量生产中，对铝合金焊缝只能检测气孔、夹杂、裂纹、未焊透等缺陷，且难以做到100％的检测，焊接质量难以评定。

焊接工艺是决定焊接质量的直接因素，所以在焊接实施的整个过程中必须有完善的工艺体系进行焊接质量控制。

根据可搬移机箱的结构和材料特点，为了保证其焊接质量，在实际生产中制定了专项工艺要求和焊接工艺参数，包括操作人员、焊接设备、焊接电流、保护气体、焊丝的选择、焊前处理以及焊缝长度等均须严格按照工艺要求进行。

• 操作人员：需持有有效的焊工操作证； 

• 焊接设备的选择：交直流氩弧焊机； 

• 焊接电流：120A-150Ａ；

• 保护气体：氩气纯度不小于99.99％；

• 焊接材料：选用ER5356AL-Mg焊丝；

• 焊前清理：严格清理焊接区和焊丝表面的氧化膜和油污；

• 焊缝长度：每个焊块分三段焊接，每段焊缝长20ｍｍ；

• 焊接过程控制：焊接过程中需观察熔池情况，确保焊透，不允许有气孔、夹杂、裂纹、烧穿、未焊透等缺陷；

• 检验：用木槌轻敲焊缝后，用放大镜观测焊缝处有无裂纹；

• 补焊返修：次数不得多于两次，否则视为不合格品。

为了保证批量生产时可搬移机箱的焊接质量，不但要求操作人员和检验人员必须按照焊接工艺进行焊接和检验，还需从每个批次的机箱中按比例抽出一定数量的机箱进行振动和冲击试验。

振动和冲击试验

验证产品强度可行性，对可搬移样机进行振动和冲击试验。样机总重按50kg配重,将可搬移箱按工作状态平放在试验台上。

振动试验按照GJB150.16-1986《军用设备环境试验方法》的2.3.1的第一类-基本运输的要求，公路运输环境的随机振动。

具体如下： 

振动量值：GJB150.16-1986中 2.3.1.1中的图1～3所示；

振动轴向：Ｘ轴、Ｙ轴、Ｚ轴；

振动时间：30分钟／轴向。

冲击试验按照GJB150.16-1986进行，具体如下：

波形：半正弦波；

峰值加速度：15g（试验时按30ｇ进行 ）；

持续时间：11ms；

试验方向：沿 Ｘ、Ｙ、Ｚ轴三个方向；

试验次数：每个方向试验三次。