PFI汽油机喷油器喷孔板焊接疲劳强度研究

莫福广，梁军，王洪勃，林嘉，梁源飞

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

0 引言

随着国家法规对汽车尾气中有害物质排放限值的严控，对发动机的燃烧、排放要求也越来越高。缸内直喷(GDI)发动机由于喷油压力高，燃油雾化好，燃烧效率高，能有效降低未燃碳氢和CO排放[1]，正逐渐成为轻型汽油发动机的主流[2-3]。但GDI汽油机的NOx及颗粒排放比PFI汽油机及带颗粒捕集器的柴油机大幅增加[4-5]，需要增加额外的控制措施。同时，GDI喷射系统相比PFI喷射系统价格也更昂贵，导致整机成本上升。各个主机厂为了在满足排放法规、动力输出的同时，兼顾成本，仍将大量、长期使用PFI汽油机。

喷孔板是通过激光焊接在喷油器末端超薄不锈钢钢板，厚度一般在100～200 μm之间，主要应用在PFI汽油机上，见图1。喷孔板的几何尺寸决定着喷油器油束喷射状态，对发动机的排放性能起关键性作用[6-7]。在PFI汽油机运行过程中，喷孔板不断地承受着380 kPa的高压燃油均布载荷的作用，见图2椭圆A区域，这对喷孔板的焊接及材料本身强度要求增加。在某款发动机试验过程中，就发现因喷孔板强度不足，导致喷孔板疲劳断裂，喷油器功能丧失。

图1 喷孔板的位置

图2 喷孔板受力情况

近年，国内外学者主要的研究重点为GDI汽油机喷油器结构对喷油器性能的影响，如SEQUINO L、JIANG C Z、姚春德等都对喷嘴某些几何参数对喷雾特性的影响进行了研究[8-10]，郭世龙等研究了针阀偶件间隙、柱塞偶件间隙、针阀升程、衔铁升程等对喷油器喷油一致性的影响[11]。在喷油器加工工艺方面，崔厚学等研究了喷油器焊接工序[12]。

在超薄无锈钢焊接方面，余世航研究了0.7mm的SS302不锈钢工艺参数优化[13]，宫唤春研究了SS302不锈钢处于持续大功率光纤激光焊接时的焊缝宽度变化情况[14]，而对SS444不锈钢的研究主要集中在其耐腐蚀性能[15-16]。行业内对≤0.2mm的SS302、SS444超薄不锈钢的激光焊接应力及强度的研究很少。

本文首先使用有限元软件ANSYS对0.152mm厚度、孔板直径φ7.18mm、焊缝直径φ3.1mm的SS302、SS444两种非线性超薄不锈钢材料喷孔板焊接处范式等效应力(von mises stress)分布进行静态模拟分析，评估不同材料在不同焊接工艺参数下焊缝处等效应力情况。然后设计专门的HALT(highly accelerated life test)测试，制成样件(图3)，使用ReliaSoft公司的ALTA、Weibull++软件拟合样件测试结果的疲劳曲线及Weibull分布，研究了不同材料喷孔板的疲劳寿命。

图3 喷孔板几何尺寸

1 焊接过程分析

1.1 焊接过程CAE分析

使用ANSYS软件对SSS302和SSS444两种非线性材料喷孔板的焊接过程进行CAE分析。分析喷孔板和阀座从不同温度冷却到室温22℃时，3种不同焊接工艺方案(表1)下喷孔板焊缝处的等效应力状态见图4-图6。

表1 焊接工艺方案

方案A：喷孔板温度为700℃，阀座温度为22℃。

在模拟条件下，SS302的焊缝处应力为318.26MPa，SS444的焊缝处应力为385.83MPa，都产生了屈服现象，如图4所示。(此SS302不锈钢屈服强度为241MPa，SS444不锈钢屈服强度为360MPa。)

图4 方案A应力分布图

方案B：喷孔板温度为400℃，阀座温度为210℃。

SS302喷孔板在焊缝处应力为249.29MPa，产生屈服；但SS444喷孔板焊缝应力在46.701MPa，未发生屈服现象，如图5所示。

图5 方案B应力分布图

方案C：喷孔板温度为500℃，阀座温度为350℃。

SS302喷孔板在焊缝处应力为248.8MPa，产生屈服； SS444喷孔板焊缝应力为68.08MPa未发生屈服现象，如图6所示。

图6 方案C应力分布图

上述分析表明，3种焊接方案SS302材料喷孔板均在焊缝处发生了屈服现象；而SS444材料喷孔板在方案A时出现屈服，而方案B、方案C未发生屈服现象。上述3种焊接方案焊缝处最大等效应力CAE分析结果见表2，方案B 的SS444喷孔板的焊缝处应力最小，故选择用于实际生产。

表2 焊缝处最大等效应力CAE分析结果

1.2 焊接尺寸

按照方案B制成样件，测量喷孔板焊接在阀座上的焊接尺寸，见图7。结果均在要求范围内，未见明显差别，见图8。

图7 焊接尺寸示意图

图8 焊接尺寸结果

2 HALT验证

2.1 疲劳曲线

基于材料力学性能，对CAE分析方案B制成的样件进行高加速寿命试验，得出疲劳寿命与疲劳应力的关系(图9)；随着疲劳应力的降低，疲劳寿命逐渐增加，当疲劳应力小于某个临界值时，疲劳寿命将无限增加。图9中横坐标为疲劳断裂的循环次数N，纵坐标为疲劳应力σ。

图9 几种常见材料的疲劳曲线

2.2 HALT设计

试验台设计：HALT试验台由高压燃油供给系统、高压喷油器、试验样件工装、探测流量计等组成，如图10所示。

图10 疲劳循环试验台

试验参数设计：

a)测试条件：内部压力疲劳试验在室温进行，测试媒介为DOT4刹车液，均带频率为15Hz恒定的正弦负载，压力比一定。

b)测试方法：SS302喷孔板试验样件分别进行3 MPa、3.5 MPa、4 MPa压力下的HALT，SS444喷孔板试验样件分别进行7 MPa、7.5 MPa、8 MPa压力下的HALT。

试验过程：

1)将喷孔板焊接在接杆上制成试验样件，试验样件安装在疲劳循环试验台上；

2)通过高压喷油器开启/关闭系统，控制作用于喷孔板的压力，通过流量计来探测喷孔板是否发生疲劳断裂，通过循环累加器显示测试循环次数；

3)如果流量计的流量显著增加，则判定为喷孔板发生了疲劳断裂，停止循环累加器计算。

3 HALT数据分析

3.1 HALT数据分析

使用ReliaSoft公司的Weibull++和ALTA软件处理实验数据，拟合图形如图11。其中：

图11 不同材料的HALT结果

a)横坐标Stress为通过测试压力拟合转换的应力，纵坐标Life为试验循环次数；

b)直线1为SS302材料样件3个不同测试压力的平均失效时间线(mean time to failure)，即平均失效寿命线；

c)直线2为SS444材料样件3个不同测试压力的平均失效寿命线；

d)虚线为SS444材料样件3个不同测试压力的峰值失效时间线(mode time to failure)，即峰值失效寿命线。

试验结果表明：

1)在相同测试压力下，SS444材料样件疲劳寿命比SS302材料样件从1×103提升到1×107，提升1×104倍(按中位数计算)；

2)SS444有更进一步从1×107提升到2×108的最小提升空间；

3)随着应力的增加，两种材料喷孔板的循环寿命下降速度变化不大；

4)HALT导致喷孔板的失效属于高周疲劳失效。

3.2 喷孔板材料对喷油器性能的影响

对SS444和SS302喷孔板材料的喷油器总成进行性能试验，结果表明：两种喷孔板材料试验样件的喷射雾锥角度、双雾锥夹角、SMD、流量等性能参数均在要求范围内，都满足喷油器性能要求，如图12所示。

图12 性能测试结果

4 结语

经过CAE仿真及分析制成样件的HALT结果，得出以下结论：

1)在相同焊接参数条件下，SS444比SS302具有更好的焊接性；

2)在相同测试压力下，SS444材料样件比SS302材料样件疲劳寿命有显著提高，与ANSYS仿真结果有较好的一致性；

3)SS444材料样件疲劳寿命有更进一步提升的空间。