宋寅，方強(qiáng)，汪茂根，黃高榮

(江鈴汽車(chē)股份有限公司 ，江西南昌 330001)

0 引言

某車(chē)型在道路試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)橋殼后殼蓋疲勞開(kāi)裂導(dǎo)致漏油的問(wèn)題。通過(guò)路譜采集，在臺(tái)架上模擬復(fù)現(xiàn)了同樣的失效模式，從而找到了失效的根本原因。從殼蓋材料、焊接工藝等方面提出了改進(jìn)措施，解決了漏油問(wèn)題，為橋殼后殼蓋的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考。

1 故障描述

整車(chē)道路試驗(yàn)過(guò)程中，在橋殼后殼蓋上部位置出現(xiàn)兩起潤(rùn)滑油滲漏故障，失效初始僅出現(xiàn)小面積油痕，隨著里程的累積，油痕面積逐步擴(kuò)大，最后成滴狀。清洗掉油跡后，均發(fā)現(xiàn)后殼蓋上有一道裂紋[1](圖1)，長(zhǎng)度約76 mm，滲油是由于橋殼后殼蓋出現(xiàn)開(kāi)裂導(dǎo)致，失效里程在3 000～40 000 km之間。

圖1 后殼蓋開(kāi)裂

2 失效件分析

測(cè)量故障件板厚為2.7～2.8 mm，符合材料拉伸范圍要求(理論最小允許厚度1.98 mm)。材料成分見(jiàn)表1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 材料成分檢測(cè) %

宏觀觀察故障件，裂紋距離焊縫位置超過(guò)10 mm，屬于母材區(qū)域，既不是焊縫區(qū)，也不是熱影響區(qū)。故障件表面有球狀顆粒(圖2)，局部裂紋有沿球狀顆粒擴(kuò)展的趨勢(shì)。球狀顆粒是焊接時(shí)焊渣飛濺到后殼蓋表面，會(huì)在金屬表面產(chǎn)生類(lèi)似焊接的金相組織，并有一定深度的熱影響區(qū)，降低后殼蓋的強(qiáng)度。

圖2 球狀顆粒附著殼蓋表面

沿?cái)嗫谠嚇訖M截面切取磨制金相試樣，經(jīng)3%硝酸酒精溶液腐蝕、清洗、干燥后，宏觀照片如圖3所示，焊縫、薄板的位置特征清晰可見(jiàn)。置于萊卡DMI5000M金相顯微鏡下觀察，斷口處金相組織為鐵素體+珠光體組織，裂紋兩側(cè)未見(jiàn)偏析、雜質(zhì)、脫碳等現(xiàn)象。同時(shí)在金相試樣上進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，經(jīng)沃博特洛氏硬度計(jì)檢測(cè)，故障件的洛氏硬度為52HRB，故障件金相組織和硬度均正常。

圖3 裂紋附近金相組織

將斷口試樣經(jīng)超聲波清洗干燥后，置于TESCAN掃描電子顯微鏡下觀察，起裂區(qū)在內(nèi)側(cè)，為多點(diǎn)起裂，如圖4所示。

圖4 斷口14倍SEM照片

在起裂區(qū)未見(jiàn)明顯的冶金缺陷，其形貌為準(zhǔn)解理+撕裂，如圖5所示。

圖5 起裂區(qū)800倍SEM照片

擴(kuò)展區(qū)形貌為準(zhǔn)解理+貝殼紋，如圖6所示，為典型的疲勞斷口特征。

圖6 擴(kuò)展區(qū)1 500倍SEM照片

從對(duì)故障件的分析結(jié)果可以看出，后殼蓋屬于疲勞斷裂，但故障件本身除焊渣飛濺到表面之外，其他方面未見(jiàn)明顯的質(zhì)量缺陷，這就需要從后殼蓋的設(shè)計(jì)及使用環(huán)境去判斷引起本次失效的原因[2]。

3 失效原因分析

3.1 殼蓋材料機(jī)械性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)[3]，如圖7所示，試樣厚度3 mm，寬度30 mm，材料下屈服強(qiáng)度為175 MPa，抗拉強(qiáng)度290 MPa，符合原材料供應(yīng)商技術(shù)協(xié)議中定義的要求。

圖7 材料拉伸試樣

3.2 CAE分析

根據(jù)現(xiàn)在發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T533—1999 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》中驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)的加載方法，建立CAE分析模型(圖8)，得到橋殼后殼蓋開(kāi)裂區(qū)域應(yīng)力為38 MPa(圖9)，殼蓋材料屈服強(qiáng)度為175 MPa。整車(chē)道路試驗(yàn)是按標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷加載的，沒(méi)有發(fā)生超載情況，同時(shí)橋殼垂直彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)已通過(guò)驗(yàn)證[4]，且沒(méi)有出現(xiàn)后殼蓋失效故障。因此從CAE分析及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果判斷，后殼蓋不可能在只承受垂向力作用下發(fā)生疲勞斷裂。

圖8 CAE分析

圖9 后殼蓋應(yīng)力圖

3.3 路譜采集及臺(tái)架對(duì)標(biāo)

基于故障件、原材料機(jī)械性能及常用工況CAE分析結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，有必要對(duì)樣件的使用環(huán)境進(jìn)行路譜采集，以便進(jìn)一步查找失效原因。應(yīng)變片貼在后殼蓋失效位置(圖10)，90°為整車(chē)X方向，0°為Y方向，45°為Z方向，在試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試開(kāi)裂位置處的應(yīng)力應(yīng)變。實(shí)測(cè)結(jié)果表明90°方向(即整車(chē)X向)應(yīng)力應(yīng)變最大，最大值達(dá)到244 MPa，95%道路工況開(kāi)裂位置應(yīng)力值為103 MPa(圖11)。

圖10 開(kāi)裂位置貼應(yīng)變片

圖11 道路測(cè)試應(yīng)力值

根據(jù)路譜采集結(jié)果，欲在臺(tái)架上模擬道路試驗(yàn)受力來(lái)復(fù)制整車(chē)上的故障模式。將裝配主減速器殼體的橋殼總成樣件，按主減速器殼體朝上的狀態(tài)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上(圖12)，同時(shí)在開(kāi)裂位置貼應(yīng)變片以監(jiān)控臺(tái)架試驗(yàn)工況后殼蓋受力與道路試驗(yàn)基本一致。共測(cè)試3臺(tái)樣件，均出現(xiàn)橋殼后殼蓋開(kāi)裂，開(kāi)裂位置與道路試驗(yàn)一致。對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)開(kāi)裂件進(jìn)行檢測(cè)，金相組織、材料成分等均正常。

圖12 臺(tái)架試驗(yàn)裝置

3.4 焊接對(duì)材料性能的影響

文中提到故障件表面有附著焊接時(shí)，飛濺到后殼蓋表面的焊渣。在供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)抽取后殼蓋表面附著焊渣的樣件進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，判斷焊縫熱影響區(qū)范圍以及焊渣的影響[5]。將樣件磨制成金相試樣(圖13)，分別進(jìn)行硬度檢測(cè)：

(1)焊縫熱影響區(qū)分析：沿圖13箭頭1方向進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，每隔0.5 mm取一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，硬度曲線如圖14所示。 在焊縫區(qū)域任取一個(gè)點(diǎn)為測(cè)試起點(diǎn)(坐標(biāo)位置0點(diǎn))，距離起點(diǎn)1 mm位置處為焊縫區(qū)域，該區(qū)域硬度最大為188 HB。從位置1 mm點(diǎn)開(kāi)始，硬度快速下降。距起點(diǎn)位置1～2 mm區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊懽畲蟮膮^(qū)域，最低硬度為116 HB；距起點(diǎn)位置2～6 mm區(qū)域硬度逐步上升，位置6 mm點(diǎn)硬度152 HB，接近母材硬度(≥150 HB)，焊縫熱影響區(qū)域在1～6 mm范圍。本次故障件開(kāi)裂區(qū)域距離焊縫10 mm，因此焊縫熱影響區(qū)對(duì)本次失效基本關(guān)聯(lián)。

圖13 抽檢試樣

圖14 焊縫熱影響區(qū)硬度梯度

(2)焊渣的影響：沿圖13箭頭2方向進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，每隔0.2 mm取一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，硬度曲線如圖15所示。在焊渣區(qū)域任取1點(diǎn)為測(cè)試起點(diǎn)(坐標(biāo)位置0點(diǎn))，距離起點(diǎn)0.2 mm位置處為焊渣區(qū)域，該區(qū)域硬度最大321 HB。從位置0.2 mm點(diǎn)開(kāi)始，硬度快速下降。距起點(diǎn)位置0.2～0.4 mm區(qū)域?yàn)楹冈鼰嵊绊懽畲蟮膮^(qū)域，最低硬度為137 HB；距起點(diǎn)位置0.4～0.6 mm區(qū)域硬度逐步上升，位置0.6 mm點(diǎn)硬度152 HB，接近母材硬度(≥150 HB)，焊渣熱影響區(qū)域在0.2～0.6 mm范圍。從故障件分析來(lái)看裂紋有沿焊渣擴(kuò)展趨勢(shì)，焊渣對(duì)本次故障可能會(huì)有一定的影響，但不是關(guān)鍵影響因素。

圖15 焊渣熱影響區(qū)硬度梯度

通過(guò)以上分析，導(dǎo)致失效的主要原因是道路試驗(yàn)工況整車(chē)X方向作用力大，后殼蓋承載能力不足，需要對(duì)殼蓋的材料進(jìn)行重新選型。

4 解決措施及驗(yàn)證

根據(jù)路譜采集的結(jié)果，后殼蓋材料選擇熱軋板SAPH440，屈服強(qiáng)度不小于305 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于440 MPa。按照?qǐng)D12方式進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，完成80萬(wàn)次循環(huán)后，檢查后殼蓋是否開(kāi)裂。原狀態(tài)試樣在完成80萬(wàn)次臺(tái)架循環(huán)，后殼蓋出現(xiàn)開(kāi)裂；新材料試樣，完成80萬(wàn)次循環(huán)，后殼蓋未開(kāi)裂，繼續(xù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)至185次循環(huán)，試樣無(wú)裂紋，試驗(yàn)停止。臺(tái)架試驗(yàn)壽命至少提升1.3倍以上，新?tīng)顟B(tài)樣件也順利通過(guò)整車(chē)道路試驗(yàn)考核。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，后殼蓋失效是在整車(chē)X向作用力下，后殼蓋強(qiáng)度不足引起的。在實(shí)際工作中，后殼蓋通常與橋殼殼體一起組成總成件，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T533—1999 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》中驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，往往忽略了來(lái)自整車(chē)X方向作用力的臺(tái)架驗(yàn)證。本文闡述的后殼蓋開(kāi)裂是典型的失效案例，通過(guò)道路試驗(yàn)路譜采集和臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析，可建立適用企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)用的臺(tái)架驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，為今后零部件開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)，在設(shè)計(jì)初期就考慮到類(lèi)似風(fēng)險(xiǎn)并規(guī)避，提高開(kāi)發(fā)效率。