傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭斷裂分析

張鑫明，馮繼軍，盧柳林，孫曉芬，劉 勝，郭文芳

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

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傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭斷裂分析

張鑫明，馮繼軍，盧柳林，孫曉芬，劉 勝，郭文芳

(東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 工藝研究所，武漢 430056)

汽車傳動軸在軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭處斷裂，通過化學(xué)成分分析，焊接接頭斷口及金相組織觀察、硬度分析，確定了焊接接頭斷裂的模式及產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭為疲勞斷裂，疲勞起源于V型焊縫底部萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熔合線附近的應(yīng)力集中部位；萬向節(jié)叉一側(cè)焊接熱影響區(qū)的脆性馬氏體對疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有較大的促進(jìn)作用；針對焊接接頭失效的原因改進(jìn)了焊接工藝，嚴(yán)控軸管成分，取得了較好的效果。

傳動軸管；萬向節(jié)叉；焊接接頭；疲勞；馬氏體

0 引言

傳動軸在汽車行駛過程中，除傳遞扭矩外，還承受較大的彎矩，為了滿足使用要求，傳動軸應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)韌性，其一般結(jié)構(gòu)示意如圖1[1]所示?？ㄜ噦鲃虞S管通常采用低合金高強(qiáng)度鋼，萬向節(jié)叉多采用40Cr。40Cr具有良好的淬透性，調(diào)質(zhì)處理后具有較好的強(qiáng)韌性、較低的缺口敏感性和較高的疲勞強(qiáng)度[2]。但40Cr碳當(dāng)量超過0.60%，淬硬傾向高，焊接工藝性較差，焊接時易出現(xiàn)冷、熱裂紋和過熱脆化等不良現(xiàn)象[3]，在與其他異種鋼材焊接時，較易在熔合線附近的熱影響區(qū)形成馬氏體組織，使熱影響區(qū)脆化，對冷裂紋敏感[4-5]。為了盡量避免焊接熱影響區(qū)的馬氏體組織帶來的危害，在焊前對母材進(jìn)行預(yù)熱，焊接完畢對接頭進(jìn)行緩冷處理很有必要[6-8]。CO2氣體保護(hù)焊生產(chǎn)效率高、成本低、焊后變形小，操作簡單，在卡車傳動軸焊接中應(yīng)用廣泛[9-11]。本研究對卡車傳動軸斷裂焊接接頭進(jìn)行分析，找出焊接接頭斷裂的原因，提出合理的改進(jìn)措施并進(jìn)行改進(jìn)，為其他鋼鐵焊接接頭的失效分析提供參考。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 斷裂焊接接頭斷口、金相組織及硬度分析

斷裂的傳動軸外觀如圖2所示，軸管材料為DF700，萬向節(jié)叉材料為40Cr。軸管與萬向節(jié)叉采用V型坡口、CO2氣體保護(hù)焊接。

將斷口取下，雖然斷口已嚴(yán)重氧化生銹(圖3a)，在整個斷口仍可找到比較平坦的區(qū)域(疲勞源區(qū))，不過不能判斷疲勞是起源于焊接接頭外表面還是內(nèi)表面，需要結(jié)合微觀分析進(jìn)一步判斷。取斷口疲勞區(qū)做截面金相，鑲樣、磨拋、腐蝕后如圖3b所示，圖中箭頭所示軸管部位金相組織見圖4a，箭頭所示萬向節(jié)叉部位金相組織見圖4b，焊接接頭各區(qū)域已在圖中標(biāo)出。由斷裂焊接接頭截面金相形貌及V型焊縫底部形貌推斷疲勞斷裂起源于V型焊縫底部焊接接頭熔合線附近的應(yīng)力集中部位，分別在圖4中用橢圓圈出，而疲勞斷裂從焊縫外表面起源的可能性較小。

圖1 傳動軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 斷裂傳動軸外觀

圖3 斷裂傳動軸局部

軸管一側(cè)焊接接頭熔合線附近金相組織如圖5a所示，焊縫組織為低碳貝氏體+鐵素體。對于軸管這樣的熱軋低碳低合金鋼，其焊接熱影響區(qū)通常由過熱區(qū)、重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)構(gòu)成，緊鄰熔合線的熱影響過熱區(qū)組織為低碳貝氏體+鐵素體，軸管組織為鐵素體+碳化物(圖5b)。萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熔合線附近金相組織如圖6a所示，焊縫組織為低碳貝氏體+鐵素體。對于萬向節(jié)叉這樣的易淬火鋼，其焊接熱影響區(qū)通常由淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)和回火區(qū)構(gòu)成，緊鄰熔合線的熱影響區(qū)組織為中碳馬氏體+羽毛狀貝氏體，萬向節(jié)叉組織為回火索氏體(圖6b)。

圖4 斷裂焊接接頭截面金相組織

圖5 軸管一側(cè)焊接接頭金相組織

圖6 萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭金相組織

軸管一側(cè)及萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭硬度曲線如圖7所示，硬度測量從距熔合線約1 mm且垂直熔合線的焊縫進(jìn)行，硬度點對應(yīng)各區(qū)域已在圖中標(biāo)明?？梢姡狠S管一側(cè)焊接接頭中焊縫與熱影響區(qū)硬度接近，在HV0.5234～255 之間，軸管平均硬度為HV0.5283；在萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭中，焊縫與萬向節(jié)叉硬度相差不大，焊縫平均硬度為HV0.5242 ，萬向節(jié)叉平均硬度為HV0.5263，而靠近熔合線的熱影響區(qū)出現(xiàn)較大的硬度值，最高達(dá)到HV0.5536 。結(jié)合萬向節(jié)叉熔合線附近的金相組織(圖6a)可知，萬向節(jié)叉(40Cr)在焊后冷卻較快，靠近熔合線的熱影響區(qū)形成馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域硬度較高。

1.2 未開裂焊接接頭金相組織分析

為準(zhǔn)確判斷傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭裂紋起源位置，以及萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熱影響區(qū)脆性馬氏體組織是否普遍存在，在使用過且未斷裂的傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭中截取多個試樣，做焊接接頭截面金相。磨拋、腐蝕后，在其中1個金相樣品中發(fā)現(xiàn)疲勞產(chǎn)生的微裂紋(圖8a)，箭頭標(biāo)出了裂紋萌生的位置，此位置對應(yīng)圖8b、圖8c中箭頭所示的位置，可見裂紋起源于V型焊縫底部萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熔合線附近，并向焊縫外表面擴(kuò)展，熱影響淬火區(qū)組織為中碳馬氏體+羽毛狀貝氏體，針狀馬氏體含量較高，裂紋起源處為應(yīng)力集中部位。這表明前面對斷裂傳動軸開裂起源位置的推斷是合理的，而萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熱影響區(qū)的脆性馬氏體是普遍存在的。

1.3 軸管及萬向節(jié)叉成分分析

母材的化學(xué)成分對焊接接頭的性能有較大影響，需要判斷是否存在異常。斷裂傳動軸管和萬向節(jié)叉成分分別如表1、表2所示，可見軸管成分中P含量偏高，通過抽檢其他斷裂傳動軸管發(fā)現(xiàn)軸管P含量偏高只是個例。萬向節(jié)叉成分未見異常，C含量偏上限。

圖7 焊接接頭硬度曲線

ElementCSiMnSPAlNb+V+TiMoDF700≤0.10≤0.15≤2.10≤0.010≤0.025≥0.015≤0.22≤0.5Testingvalue0.080.121.750.0040.0800.0750.17

表2 萬向節(jié)叉化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

圖8 未斷裂焊接接頭

2 分析與討論

對傳動軸管與萬向節(jié)叉斷裂焊接接頭進(jìn)行斷口、金相組織觀察及硬度測試，同時與未斷裂焊接接頭進(jìn)行對比，可知焊接接頭為疲勞斷裂，疲勞起源于V型焊縫底部萬向節(jié)叉一側(cè)熔合線附近的應(yīng)力集中部位，顯然這與接頭的焊接工藝設(shè)計密切相關(guān)。在卡車啟停、變速及震動過程傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭會不斷受到交變載荷作用，這對焊接接頭的疲勞強(qiáng)度具有較高的要求，而軸管與萬向節(jié)叉采用V型坡口搭接在形成的焊縫底部不可避免會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式[12]為：

式中w表示各元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)測得的軸管化學(xué)成分，軸管焊接碳當(dāng)量wCE約為0.40%，焊接性能良好，焊后軸管一側(cè)焊接接頭金相組織和硬度變化正常。軸管成分中P含量偏高，室溫下P在Fe中的溶解度極低，可與Fe形成FeP，通常分布于晶界，減弱晶粒之間的結(jié)合力，由于FeP本身既硬又脆，會增加焊縫金屬的冷脆性，使沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，因此軸管中P含量需要嚴(yán)格控制。抽檢其他斷裂的傳動軸管未見P含量偏高的情況，這說明軸管中P含量偏高只是焊接接頭斷裂的一個次要因素。

根據(jù)測得的萬向節(jié)叉成分，萬向節(jié)叉焊接碳當(dāng)量wCE約為0.74%，當(dāng)wCE>0.60%時鋼材的淬硬性高，焊接冷裂傾向大，焊接性較差。萬向節(jié)叉焊接后緊鄰熔合線的熱影響區(qū)形成粗大的中碳馬氏體+羽毛狀貝氏體組織，使該區(qū)硬度較高，而塑形和韌性變差，脆性增加，同時也具有較高的裂紋敏感性。軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭V型坡口底部在焊后出現(xiàn)缺口和應(yīng)力集中部位(圖8c)箭頭所示，使疲勞裂紋容易萌生，而萬向節(jié)叉焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)的脆性馬氏體對軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭裂紋的萌生和擴(kuò)展也有促進(jìn)作用。

3 改進(jìn)建議

針對傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭斷裂的原因，提出如下改進(jìn)建議：

1)對傳動軸管與萬向節(jié)叉接頭焊前預(yù)熱、焊后緩冷，適當(dāng)提高焊接熱輸入，降低焊接區(qū)的冷卻速度，以減少或消除萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熔合線附近熱影響區(qū)的脆性馬氏體。

2)對傳動軸管與萬向節(jié)叉的V型搭接接頭設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，使軸管與萬向節(jié)叉在坡口底部接觸緊密，降低V型焊縫底部的應(yīng)力集中。

3)傳動軸管成分中P含量需要嚴(yán)格控制。

傳動軸管與萬向節(jié)叉接頭在焊接工藝上通過提高焊接熱輸入和焊后緩冷，萬向節(jié)叉一側(cè)熔合線附近熱影響區(qū)組織中針狀馬氏體減少(圖9a)，萬向節(jié)叉焊接熱影響區(qū)最高硬度為HV0.5 365 (圖9b)，熱影響區(qū)最高硬度比改進(jìn)前明顯下降，這說明該區(qū)域塑性和韌性提高，裂紋敏感性降低。軸管成分也進(jìn)行批量抽檢，嚴(yán)格控制。改進(jìn)后的傳動軸在使用過程中軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭開裂比例明顯下降。

圖9 改進(jìn)后的焊接接頭

4 結(jié)論

1)傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭斷裂為疲勞斷裂，疲勞起源于V型焊縫底部萬向節(jié)叉一側(cè)熔合線附近。

2)傳動軸管與萬向節(jié)叉V型焊縫底部萬向節(jié)叉一側(cè)焊接接頭熔合線附近的應(yīng)力集中，以及熱影響區(qū)的脆性馬氏體，共同導(dǎo)致了焊接接頭的斷裂。

3)傳動軸管一側(cè)焊接接頭金相組織和硬度正常，但應(yīng)嚴(yán)格控制軸管的P含量。

4)針對傳動軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭斷裂的原因提出了改進(jìn)焊接工藝、優(yōu)化焊接接頭設(shè)計和控制軸管磷含量的建議。通過改進(jìn)軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭工藝，控制軸管成分，軸管與萬向節(jié)叉焊接接頭開裂比例明顯降低。

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Fracture Analysis of Welding Joint of Transmission Shaft Tube and Universal Joint Fork

ZHANG Xin-ming，F(xiàn)ENG Ji-jun，LU Liu-lin，SUN Xiao-fen，LIU Sheng，GUO Wen-fang

(MaterialsandTechnologyResearchInstitute,TechnicalCenterofDongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

The transmission shaft of a truck fractured at the welding joint of transmission shaft tube and universal joint fork. To find out the fracture mode and causes, the chemical compositions of the transmission shaft tube and the universal joint fork were tested, the fracture surface and microstructure of the welding joint were observed, and the hardness of the welding joint was also tested. The results indicate that the fracture mode of the welding joint of transmission shaft tube and universal joint fork is fatigue fracture. The fatigue crack initiated from the stress concentration zone near the welding fusion line of universal joint fork which is located at the bottom of the V-type weld. The martensite existing at the heat affected zone of universal joint fork accelerated the initiation and propagation of the crack. Based on the fracture cause, the welding technology has been improved and the chemical composition of the transmission shaft tubes has been strictly controls. As a result, the type of failure has been effectively prevented.

transmission shaft tube; universal joint fork; welding joint; fatigue; martensite

2016年2月26日

2016年4月20日

張鑫明(1986年-)，男，碩士，工程師，主要從事汽車金屬材料金相與失效分析等方面的工作。

TG115.21

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.006

1673-6214(2016)03-0156-06