后扭轉(zhuǎn)梁總成開裂分析

張驍杰，賁顯力，李衛(wèi)華，王沖，袁超，王斌

(長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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。