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        后扭轉(zhuǎn)梁總成開裂分析

        2019-11-13 05:58:36張驍杰賁顯力李衛(wèi)華王沖袁超王斌
        汽車零部件 2019年10期
        關(guān)鍵詞:馬氏體環(huán)境溫度斷口

        張驍杰,賁顯力,李衛(wèi)華,王沖,袁超,王斌

        (長城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

        0 引言

        后扭轉(zhuǎn)梁總成是車輛后懸架系統(tǒng)中應(yīng)用的一種半獨(dú)立懸架,工作時(shí)承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷,其耐久性能非常重要。隨著對(duì)輕量化需求的日益重視,后扭轉(zhuǎn)梁的結(jié)構(gòu)、工藝和材料的應(yīng)用越來越呈多元化[1-3]。某SUV車型使用管狀結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)梁本體,并采用熱成形鋼熱處理工藝,在進(jìn)行第二輛整車耐久試驗(yàn)過程中扭轉(zhuǎn)梁本體與左螺旋簧支座焊接接頭近扭轉(zhuǎn)梁本體處開裂,開裂位置見圖1。

        圖1 后扭轉(zhuǎn)梁總成開裂位置

        扭轉(zhuǎn)梁本體用材為熱成形鋼22MnB5,壁厚t=3 mm,零件成形后經(jīng)淬火+中溫回火熱處理。螺旋簧支座用材為QStE500TM,壁厚t=3.5 mm。后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接工藝為手工MAG焊,保護(hù)氣體為20%CO2+80%Ar,焊絲為ER50-6,焊絲直徑為1.2 mm。

        1 試驗(yàn)與分析

        為分析此后扭轉(zhuǎn)梁總成開裂原因,進(jìn)行以下工作。

        1.1 斷口分析

        對(duì)扭轉(zhuǎn)梁本體和左螺旋簧支座進(jìn)行斷口分析,在保護(hù)斷口表面的前提下,人為將扭轉(zhuǎn)梁本體和左螺旋簧支座在裂紋處分開,經(jīng)乙醇溶液清洗和檸檬酸除銹處理后觀察斷口形貌,結(jié)果如圖2所示。

        圖2 斷口分析結(jié)果

        (1)扭轉(zhuǎn)梁本體與左螺旋簧支座焊接部位顏色較深,腐蝕程度比周圍更嚴(yán)重,為裂紋源區(qū),如圖2(a)所示,并伴有發(fā)散狀條紋,如圖2(b)所示。

        (2)裂紋源區(qū)兩側(cè)的擴(kuò)展區(qū)表面可以觀察到明顯的疲勞輝紋,如圖2(c)所示,擴(kuò)展區(qū)放大后可以觀察到細(xì)小的疲勞條帶,如圖2(d)所示,后扭轉(zhuǎn)梁總成開裂屬于疲勞開裂。

        1.2 焊接接頭分析

        1.2.1 失效總成焊接接頭分析

        分析與開裂焊接接頭左右對(duì)稱的位置,即分析扭轉(zhuǎn)梁本體與右螺旋簧支座焊接接頭金相組織及顯微硬度。焊接接頭近扭轉(zhuǎn)梁本體側(cè)過熱區(qū)組織為馬氏體,正火區(qū)組織為鐵素體+珠光體,兩相鄰區(qū)域硬度差值為HV200,力學(xué)性能相差很大,硬度分析結(jié)果如圖3所示。另外,在扭轉(zhuǎn)梁本體與右螺旋簧支座焊根處發(fā)現(xiàn)未融合缺陷,表征焊接質(zhì)量不佳,如圖4所示。未融合缺陷減小了焊道有效工作截面積、降低了焊接接頭強(qiáng)度,是不允許存在的焊接缺陷[4]。由焊接缺陷引起的后扭轉(zhuǎn)梁總成失效不在少數(shù)[5-6],必須要重視后扭轉(zhuǎn)梁總成的焊接質(zhì)量。

        圖3 失效件焊接接頭硬度分布

        圖4 失效件焊接未融合缺陷示意

        1.2.2 未失效總成焊接接頭分析

        在上一輛通過耐久試驗(yàn)的后扭轉(zhuǎn)梁總成上取樣分析焊接接頭組織和硬度,取樣位置參照開裂后扭轉(zhuǎn)梁總成取樣位置。其焊接接頭近扭轉(zhuǎn)梁本體側(cè)過熱區(qū)組織為馬氏體+珠光體+少量鐵素體,正火區(qū)組織為鐵素體+珠光體,硬度分布較為平緩,如圖5所示。

        圖5 通過耐久試驗(yàn)后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接接頭硬度分布

        1.3 零件母材分析

        在失效后扭轉(zhuǎn)梁總成上分別截取扭轉(zhuǎn)梁本體和左螺旋簧支座試樣檢測元素含量,結(jié)果如表1所示,元素含量全部符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表1 成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        分析零件金相組織,扭轉(zhuǎn)梁本體為回火屈氏體組織,螺旋簧支座為鐵素體+珠光體組織,如圖6所示,材料組織無異常。

        圖6 失效后扭轉(zhuǎn)梁總成金相組織

        1.4 原因分析

        失效扭轉(zhuǎn)梁總成原材料符合標(biāo)準(zhǔn)要求,與上一輛通過耐久試驗(yàn)的后扭轉(zhuǎn)梁總成相比,失效扭轉(zhuǎn)梁總成焊接接頭近扭轉(zhuǎn)梁本體側(cè)過熱區(qū)組織為馬氏體,過熱區(qū)和正火區(qū)力學(xué)性能差異較大,即在高強(qiáng)度的耐久試驗(yàn)中兩區(qū)域變形能力差異較大,造成應(yīng)力集中。

        為分析開裂后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接接頭過熱區(qū)馬氏體組織產(chǎn)生原因,回溯其焊接條件,總成焊接當(dāng)日環(huán)境溫度為-6~3 ℃,無焊前預(yù)熱、焊后控制冷速等措施。通過耐久試驗(yàn)的后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接當(dāng)日環(huán)境溫度為6~22 ℃。由相同的焊接人員使用相同的焊接設(shè)備和焊接參數(shù)在低溫環(huán)境艙進(jìn)行后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接,模擬失效件焊接時(shí)環(huán)境溫度,設(shè)定環(huán)境溫度t=0 ℃,測量焊接接頭T8/3數(shù)據(jù),計(jì)算出扭轉(zhuǎn)梁本體與螺旋簧支座焊接后焊接接頭冷卻速度約為45 ℃/s。扭轉(zhuǎn)梁本體用材為熱成形鋼,淬透性強(qiáng),其馬氏體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速度為20 ℃/s,遠(yuǎn)低于失效后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接接頭冷卻速度。

        綜上,失效后扭轉(zhuǎn)梁總成焊接時(shí)環(huán)境溫度過低,且沒有焊前預(yù)熱或焊后緩冷措施,造成焊接接頭冷卻速度過大,焊接接頭過熱區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織。過熱區(qū)和正火區(qū)性能差異造成兩區(qū)域材料變形能力的極大差異,進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中,結(jié)合焊接質(zhì)量不佳,則更容易萌生裂紋。

        2 結(jié)論

        (1)開裂為疲勞開裂,扭轉(zhuǎn)梁本體與左螺旋簧支座焊接接頭為裂紋源。

        (2)失效后扭轉(zhuǎn)梁總成的焊縫存在未融合焊接缺陷,焊接質(zhì)量不佳。扭轉(zhuǎn)梁本體與螺旋簧支座焊接接頭近扭轉(zhuǎn)梁本體側(cè)過熱區(qū)和正火區(qū)變形能力差異大易產(chǎn)生應(yīng)力集中。兩相結(jié)合,在耐久試驗(yàn)中易萌生裂紋,進(jìn)而造成零件開裂。

        (3)為避免后期再次出現(xiàn)此類問題,首先需要改善焊接質(zhì)量,保證無焊接缺陷;另外,建議在環(huán)境溫度過低時(shí)增加焊前預(yù)熱、焊后緩冷工序[7-8]或使用淬硬傾向小的鋼材。

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