橋殼后殼蓋失效分析

宋寅，方強(qiáng)，汪茂根，黃高榮

(江鈴汽車股份有限公司 ，江西南昌 330001)

0 引言

某車型在道路試驗過程中，出現(xiàn)橋殼后殼蓋疲勞開裂導(dǎo)致漏油的問題。通過路譜采集，在臺架上模擬復(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，解決了漏油問題，為橋殼后殼蓋的設(shè)計開發(fā)提供了參考。

1 故障描述

整車道路試驗過程中，在橋殼后殼蓋上部位置出現(xiàn)兩起潤滑油滲漏故障，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)，長度約76 mm，滲油是由于橋殼后殼蓋出現(xiàn)開裂導(dǎo)致，失效里程在3 000～40 000 km之間。

圖1 后殼蓋開裂

2 失效件分析

測量故障件板厚為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)。材料成分見表1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 材料成分檢測 %

宏觀觀察故障件，裂紋距離焊縫位置超過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。球狀顆粒是焊接時焊渣飛濺到后殼蓋表面，會在金屬表面產(chǎn)生類似焊接的金相組織，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

沿斷口試樣橫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。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)未見偏析、雜質(zhì)、脫碳等現(xiàn)象。同時在金相試樣上進(jìn)行洛氏硬度測試，經(jīng)沃博特洛氏硬度計檢測，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)，為多點起裂，如圖4所示。

圖4 斷口14倍SEM照片

在起裂區(qū)未見明顯的冶金缺陷，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，其他方面未見明顯的質(zhì)量缺陷，這就需要從后殼蓋的設(shè)計及使用環(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[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 汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》中驅(qū)動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗的加載方法，建立CAE分析模型(圖8)，得到橋殼后殼蓋開裂區(qū)域應(yīng)力為38 MPa(圖9)，殼蓋材料屈服強(qiáng)度為175 MPa。整車道路試驗是按標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷加載的，沒有發(fā)生超載情況，同時橋殼垂直彎曲疲勞臺架試驗已通過驗證[4]，且沒有出現(xiàn)后殼蓋失效故障。因此從CAE分析及臺架試驗結(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 路譜采集及臺架對標(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X方向，0°為Y方向，45°為Z方向，在試驗場地測試開裂位置處的應(yīng)力應(yīng)變。實測結(jié)果表明90°方向(即整車X向)應(yīng)力應(yīng)變最大，最大值達(dá)到244 MPa，95%道路工況開裂位置應(yīng)力值為103 MPa(圖11)。

圖10 開裂位置貼應(yīng)變片

圖11 道路測試應(yīng)力值

根據(jù)路譜采集結(jié)果，欲在臺架上模擬道路試驗受力來復(fù)制整車上的故障模式。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)安裝在試驗臺架上(圖12)，同時在開裂位置貼應(yīng)變片以監(jiān)控臺架試驗工況后殼蓋受力與道路試驗基本一致。共測試3臺樣件，均出現(xiàn)橋殼后殼蓋開裂，開裂位置與道路試驗一致。對臺架試驗開裂件進(jìn)行檢測，金相組織、材料成分等均正常。

圖12 臺架試驗裝置

3.4 焊接對材料性能的影響

文中提到故障件表面有附著焊接時，飛濺到后殼蓋表面的焊渣。在供應(yīng)商現(xiàn)場抽取后殼蓋表面附著焊渣的樣件進(jìn)行硬度梯度檢測，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：

(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，每隔0.5 mm取一個檢測點，硬度曲線如圖14所示。 在焊縫區(qū)域任取一個點為測試起點(坐標(biāo)位置0點)，距離起點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點開始，硬度快速下降。距起點位置1～2 mm區(qū)域為焊接熱影響最大的區(qū)域，最低硬度為116 HB；距起點位置2～6 mm區(qū)域硬度逐步上升，位置6 mm點硬度152 HB，接近母材硬度(≥150 HB)，焊縫熱影響區(qū)域在1～6 mm范圍。本次故障件開裂區(qū)域距離焊縫10 mm，因此焊縫熱影響區(qū)對本次失效基本關(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，每隔0.2 mm取一個檢測點，硬度曲線如圖15所示。在焊渣區(qū)域任取1點為測試起點(坐標(biāo)位置0點)，距離起點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點開始，硬度快速下降。距起點位置0.2～0.4 mm區(qū)域為焊渣熱影響最大的區(qū)域，最低硬度為137 HB；距起點位置0.4～0.6 mm區(qū)域硬度逐步上升，位置0.6 mm點硬度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。從故障件分析來看裂紋有沿焊渣擴(kuò)展趨勢，焊渣對本次故障可能會有一定的影響，但不是關(guān)鍵影響因素。

圖15 焊渣熱影響區(qū)硬度梯度

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

4 解決措施及驗證

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。按照圖12方式進(jìn)行臺架驗證，完成80萬次循環(huán)后，檢查后殼蓋是否開裂。原狀態(tài)試樣在完成80萬次臺架循環(huán)，后殼蓋出現(xiàn)開裂；新材料試樣，完成80萬次循環(huán)，后殼蓋未開裂，繼續(xù)進(jìn)行臺架試驗至185次循環(huán)，試樣無裂紋，試驗停止。臺架試驗壽命至少提升1.3倍以上，新狀態(tài)樣件也順利通過整車道路試驗考核。

5 結(jié)束語

綜上所述，后殼蓋失效是在整車X向作用力下，后殼蓋強(qiáng)度不足引起的。在實際工作中，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 汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》中驅(qū)動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗進(jìn)行驗證，往往忽略了來自整車X方向作用力的臺架驗證。本文闡述的后殼蓋開裂是典型的失效案例，通過道路試驗路譜采集和臺架試驗對標(biāo)分析，可建立適用企業(yè)設(shè)計研發(fā)用的臺架驗證標(biāo)準(zhǔn)，為今后零部件開發(fā)提供理論依據(jù)，在設(shè)計初期就考慮到類似風(fēng)險并規(guī)避，提高開發(fā)效率。