王志苗，張小盟

DC01型點焊管路支架斷裂失效分析

王志苗1，張小盟2

Wang Zhimiao1，Zhang Xiaomeng2

（1．長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2．中包包裝研究院有限公司，天津300457）

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、元素光譜分析儀對整車耐久試驗中斷裂的1.5 mm厚DC01點焊管路支架進(jìn)行失效分析，結(jié)果顯示，支架斷裂具有典型的解理開裂特征，斷裂主要由于外力異常擠壓導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋源，裂紋源起始于熔核與母材交界的熱影響區(qū)，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)切線方向向兩側(cè)母材擴(kuò)展，由于熔核直徑小，加劇了支架斷裂的擴(kuò)展速度。

DC01管路支架；點焊；失效斷裂

0　引言

電阻點焊因具有成本低、易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化、焊接質(zhì)量易控制等優(yōu)點，使其成為汽車鋼板連接的主要形式。伴隨汽車輕量化發(fā)展趨勢，車體鋼板逐漸傾向采用強(qiáng)塑性高強(qiáng)鋼板，例如DP（Dual-Phase，雙相）鋼、TRIP（Transformation Induced Plasticity，相變誘發(fā)塑性）鋼[1]，對于一些小型非承載部件的支架選材仍會采用低強(qiáng)度鋼板。本文所研究的空調(diào)管路支架為低強(qiáng)度鋼板DC01不銹鋼材料，其由兩個折彎板件通過電阻點焊而成，在整車綜合耐久試驗中支架出現(xiàn)斷裂，為此通過系統(tǒng)試驗進(jìn)行失效分析。

1　分析檢測

1.1　試驗儀器

分析試驗采用蔡司Axio Observer Z1m金相顯微鏡、FEI Quanta 450掃描電子顯微鏡、SPECTRO MAXx LMF16元素光譜分析儀。

1.2　化學(xué)分析及樣品外觀

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》要求，采用元素光譜分析儀對DC01空調(diào)管路支架材料成分及基體維氏硬度進(jìn)行測試，材料化學(xué)成分測試數(shù)據(jù)見表1，基體維氏硬度為99.6 HV，各項指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求。

表1　DC01支架的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

失效支架外觀如圖1所示，支架開裂起始于位置2，位置1為安裝孔，此位置受到異常擠壓磕碰，位置1、2均出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化銹蝕。

圖1　斷裂支架外觀

1.3　金相分析

在圖1位置2處疲勞開裂位置（裂紋源）取材，制取金相試樣，如圖2所示，測量得到失效件板厚約1.49 mm，壓痕深度約0.12 mm，熔核直徑約4.06 mm，熔核直徑不符合≥5.3 mm技術(shù)要求[2]。觀察晶粒度，在斷裂位置附近及基體母材中未發(fā)現(xiàn)明顯非金屬夾雜，評定為D系0.5級，晶粒度I 8級，如圖3所示，滿足材質(zhì)設(shè)計要求。

圖2　熔核尺寸

圖3　基體晶粒度I 8級

圖4　熔核區(qū)顯微組織

圖5　熱影響區(qū)顯微組織

試樣的母材組織為鐵素體+彌散分布的點狀碳化物，如圖3所示；熔核區(qū)為低碳針狀貝氏體，如圖4所示；點焊后的熱影響區(qū)過熱區(qū)組織粗大如圖5所示，屬于過渡區(qū)，為大塊鐵素體+針狀貝氏體組織，且組織分布不均勻，兩相組織性能差異較大，在拉伸過程中應(yīng)力不能均勻釋放，由于貝氏體生成過程中體積膨脹得不到吸收緩解，導(dǎo)致應(yīng)力積聚，促使裂紋萌生加速[3]，容易發(fā)生脆性斷裂。

1.4　斷口掃描分析

對圖1中位置1處異常擠壓位置進(jìn)行斷口分析，如圖6所示，可以看出此處存在明顯擠壓磕碰痕跡，圖中劃痕溝槽明顯，這是焊點處異常受力后失穩(wěn)斷裂的直接原因。

圖6　異常斷口分析

對圖1中位置2處疲勞開裂位置進(jìn)行分析，如圖7（a）所示，斷裂源區(qū)表面具有典型的裂紋源特征，存在一些撕裂后的白色凸起（箭頭所示），為表面撕裂粘連痕跡；斷口上有細(xì)小的晶面，是裂紋頂端發(fā)生解理斷裂時形成的解理平面，具有典型的沿晶斷裂的特點，存在河流狀花樣，解理平面的形成方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。

如圖7（b）所示，靠近裂紋源的擴(kuò)展區(qū)域存在一些光亮度比較大的平滑切面（箭頭所示），這是因為在整個裂紋擴(kuò)展過程中，此區(qū)域的擴(kuò)展速率最低，疲勞循環(huán)次數(shù)最多，斷面不斷摩擦擠壓，形成光亮凸起的撕裂棱，撕裂棱由微區(qū)塑性變形生成，其相當(dāng)于塑性材料拉伸時的縮頸。

由圖7可以看出，支架斷裂屬于失穩(wěn)斷裂，其形式為脆性斷裂，幾乎看不到韌窩。

圖7　斷口掃描分析

通過以上分析，可以確認(rèn)：DC01型空調(diào)管路支架開裂為沿晶脆性斷裂，其斷裂原因分為內(nèi)因和外因，非設(shè)計因素的外力異常擠壓磕碰（例如維修、安裝等過程中偶然觸碰）及熔核直徑小是支架開裂的重要外因；內(nèi)因主要是熱影響區(qū)組織不均勻，存在大量針狀貝氏體組織，同時夾雜相變不完全轉(zhuǎn)化的鐵素體及彌散碳化物，導(dǎo)致兩相組織性能差異大，位錯運動時極易導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生較多殘余應(yīng)力，受到外力影響極易萌生裂紋[4]。

2　改進(jìn)措施

針對上述支架斷裂原因，提出以下改進(jìn)建議：

（1）提高點焊工藝質(zhì)量，增加熔核區(qū)直徑，使其滿足≥5.3 mm要求，并且在焊后進(jìn)行適當(dāng)回火，消除過熱區(qū)的殘余應(yīng)力；

（2）盡量減少對支架的外力異常磕碰，提高維修檢查頻率，尤其注意增加維修過程中對支架的保護(hù)措施。

依據(jù)改進(jìn)建議，進(jìn)行了工藝調(diào)整，更改了點焊焊接電流及電壓，使支架熔核直徑增至5.4 mm，焊接后進(jìn)行低溫回火。將經(jīng)過工藝改進(jìn)后的一批支架裝車試驗60天，通過抽檢發(fā)現(xiàn)未出現(xiàn)斷裂問題，工藝改進(jìn)方案可行有效。

3　結(jié)束語

本文采用標(biāo)準(zhǔn)的失效分析方法對DC01焊接支架斷裂問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，對支架生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，從后續(xù)效果可知問題得到解決，這為支架的生產(chǎn)和維修提供一定指導(dǎo)，也為后續(xù)此類零件的失效問題解決提供一定的理論和方法借鑒。

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2022-11-18

1002-4581（2023）02-0027-03

U463.85+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.007