電動后橋殼斷裂原因

梁 良,諸葛六英

(1.柳州市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測研究中心，柳州 545005；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545005)

隨著電動汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，各傳統(tǒng)汽車零部件企業(yè)也越來越關(guān)注新能源領(lǐng)域，并積極布局相關(guān)零部件配套產(chǎn)業(yè)。電動汽車驅(qū)動后橋殼作為汽車的重要零部件，一方面要采用輕量化的設(shè)計(jì)以適應(yīng)汽車電動化的需求，另一方面需要確保汽車在多種工況下經(jīng)受住嚴(yán)峻的強(qiáng)度考驗(yàn)。電動汽車驅(qū)動后橋殼設(shè)計(jì)的合理性以及工作時的可靠性直接關(guān)系到汽車的行駛安全[1]。某汽車零部件公司生產(chǎn)的電動后橋殼在路試行駛約2 300 km后發(fā)生斷裂[見圖1a)]。在4次實(shí)驗(yàn)室臺架疲勞試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至30萬次～40萬次時，后橋殼均發(fā)生斷裂，且斷裂位置均為包殼與套管的環(huán)焊縫處 [見圖1b)]。

圖1 斷裂后橋殼的宏觀形貌

該電動后橋采用三段插管式設(shè)計(jì)，套管與包殼間通過環(huán)焊連接。為了防止焊接過程中鐵水漏入橋殼內(nèi)部，套管與包殼之間通過襯套連接。因?yàn)榘鼩づc套管的內(nèi)徑不一致，兩者間存在內(nèi)錯邊，所以襯套采用臺階變徑設(shè)計(jì)。襯套外徑大于包殼和套管的內(nèi)徑，襯套上有長度為6 mm的開口，要求在壓裝后該開口長度小于3 mm。筆者對斷裂電動后橋殼進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)，分析了后橋殼斷裂的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議，以避免該類事故再次發(fā)生。

1 有限元仿真分析

采用有限元仿真分析的方法，對包殼與套管的環(huán)焊縫處進(jìn)行疲勞分析，當(dāng)加載力為滿載工況的2.5倍時，焊縫開裂位置的疲勞循環(huán)次數(shù)大于百萬次，發(fā)生疲勞斷裂的位置為彈簧座焊縫(見圖2)。因此，在正常情況下，后橋殼不會在環(huán)焊縫處發(fā)生斷裂。

圖2 在2.5倍滿載工況下包殼與套管環(huán)焊縫處的疲勞壽命云圖

表1為不同熔深下包殼與套管環(huán)焊縫處的應(yīng)力分析結(jié)果，可見當(dāng)焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的90%板厚時，2.5倍滿載工況下焊縫處最大應(yīng)力為208 MPa，焊縫疲勞后備系數(shù)為1.18；當(dāng)焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的100%板厚,且與襯套完全焊成一體時，2.5倍滿載工況下焊縫處最大應(yīng)力為100 MPa，焊縫疲勞后備系數(shù)為2.46?？梢钥闯?，當(dāng)焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求的90%板厚時，理論上能滿足極限工況的要求。當(dāng)焊縫處有焊接缺陷或焊縫熔深不達(dá)標(biāo)的情況時，會在焊縫處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，因此，在2.5倍滿載工況下，后橋殼仍存在早期疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

表1 不同熔深下包殼與套管環(huán)焊縫處的應(yīng)力分析結(jié)果

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀觀察

后橋殼斷口的宏觀形貌如圖3所示，可見斷裂位于包殼與套管環(huán)焊縫處，且靠包殼一側(cè)，斷裂部位外表面未見明顯的損傷或缺陷；斷面靠包殼內(nèi)側(cè)有數(shù)個光滑、光亮區(qū)域，初步判斷為疲勞擴(kuò)展區(qū)，面積約占斷口截面的1/7；其余斷面呈粗糙纖維狀，為瞬間斷裂區(qū)；斷口沿著裂紋源向外擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

圖3 后橋殼斷口的宏觀形貌

2.2 掃描電鏡(SEM)分析

將后橋殼斷口經(jīng)超聲清洗后，使用SEM進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口有多個裂紋源，均位于斷口界面內(nèi)側(cè)；起裂源區(qū)為解理形貌，并且有少量擠壓變形小平臺，呈典型疲勞斷裂特征，解理形貌呈大應(yīng)力條件下的穿晶斷裂特征；疲勞區(qū)為解理與韌窩形貌交替出現(xiàn)，且解理區(qū)大于韌窩區(qū)；最后斷裂區(qū)域?yàn)轫g窩+撕裂形貌。說明后橋殼在斷裂時，焊縫部位受到了較大的應(yīng)力，發(fā)生了低周疲勞斷裂。

圖4 后橋殼斷口的SEM形貌

2.3 化學(xué)成分分析

對斷裂后橋殼的套管和包殼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。可見套管和包殼的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》和Q/BQB 310—2019 《汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶》的要求。

表2 斷裂后橋殼套管和包殼的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.4 金相檢驗(yàn)

在后橋殼斷口垂直于焊縫處取樣，經(jīng)研磨、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液腐蝕，然后用光學(xué)顯微鏡觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋多始于未焊透的包殼斷面與焊縫形成的尖角處，沿焊縫融合線向內(nèi)擴(kuò)展，并衍生出次級裂紋；套管基體及包殼基體的顯微組織為均勻鐵素體+珠光體，呈帶狀分布；焊縫組織為柱狀晶組織，熱影響區(qū)為珠光體+鐵素體+粒狀貝氏體混合組織，部分焊縫區(qū)魏氏組織達(dá)到4級，熱影響區(qū)魏氏組織達(dá)到3級，不符合技術(shù)要求(焊縫區(qū)魏氏組織不大于3級，熱影響區(qū)魏氏組織不大于2級)[4]。

圖5 后橋殼斷口的微觀形貌

2.5 焊縫熔深測試

由有限元仿真分析結(jié)果可知，焊縫熔深對包殼與套管處環(huán)焊縫的疲勞后備系數(shù)有直接影響。產(chǎn)品技術(shù)要求：焊縫熔深達(dá)到90%板厚(不小于2.7 mm)，焊縫寬度為12～15 mm，焊縫偏移量小于1 mm。

表3為斷裂后橋殼焊縫熔深的測試結(jié)果，可見焊縫寬度的合格率達(dá)到了93.75%，焊縫偏移量的合格率為81.25%，套管側(cè)焊縫熔深的合格率為90.63%，但包殼側(cè)焊縫熔深的合格率僅為56.25%。焊縫偏移量合格率偏低的主要原因?yàn)?，部分套管與包殼的拼裝間隙大于技術(shù)要求，導(dǎo)致部分環(huán)焊縫存在焊偏的情況。包殼側(cè)焊縫熔深的合格率低的原因?yàn)?，套管與包殼間的軸向間隙較大，且襯套開口過大，為了避免鐵水和焊渣進(jìn)入后橋殼，選擇了拉焊焊接，導(dǎo)致部分區(qū)域的包殼端面無法被焊透，并形成了尖角。

表3 斷裂后橋殼焊縫熔深的測試結(jié)果

3 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知，套管和包殼的化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由有限元仿真分析可知，易發(fā)生疲勞斷裂的危險(xiǎn)位置為彈簧座焊縫，而開裂焊縫處不易發(fā)生斷裂，但該區(qū)域的焊縫熔深將對后橋殼可承受的應(yīng)力大小有重要影響，該區(qū)域在極限工況下依然存在早期疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

由斷口分析及焊縫熔深測試結(jié)果可知，后橋殼斷裂與包殼和套管處環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量有直接關(guān)系，疲勞裂紋起源于環(huán)焊時形成的尖角。受襯套結(jié)構(gòu)、拼裝間隙以及焊接工藝等因素的影響，包殼和套管間存在軸向間隙，且襯套開口過大，為了避免鐵水和焊渣進(jìn)入后橋殼，選擇了拉焊焊接，該方法無法完全焊透包殼端面，導(dǎo)致包殼端面與焊縫熔池間形成尖角，并在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終使后橋殼發(fā)生斷裂。此外，焊縫質(zhì)量控制不穩(wěn)定、焊縫熱影響區(qū)魏氏組織超標(biāo)、焊縫熔深合格率低且一致性差等問題也是造成后橋殼斷裂的原因[5]。

未被焊透的包殼端面尖角處形成了較大應(yīng)力集中，疲勞裂紋在尖角處形成，沿著焊縫融合線向內(nèi)擴(kuò)展，主裂紋衍生出次級裂紋，并向焊縫內(nèi)部方向發(fā)展[6]。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，焊縫區(qū)域可承受的應(yīng)力不斷減小，當(dāng)承載極限小于所受到的應(yīng)力時，后橋殼在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

后橋殼的包殼和套管間環(huán)焊縫處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，焊縫質(zhì)量控制不穩(wěn)定、焊縫熱影響區(qū)魏氏組織超標(biāo)、焊縫熔深合格率低且一致性差，最終導(dǎo)致后橋殼發(fā)生斷裂。

4.2 建議

(1) 更改包殼與套管間的錯邊結(jié)構(gòu)，將兩者間的內(nèi)錯邊設(shè)計(jì)改為外錯邊，并取消襯套臺階。將焊縫熔深提高至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的100%板厚，并確保襯套不被焊穿。

(2) 壓裝后，確保襯套開口長度小于2 mm。將套管與包殼間的拼裝間隙由2～3 mm調(diào)整至1.5～2.5 mm。將襯套開口方向調(diào)整至上殼側(cè)，并與接口法蘭面縱焊縫夾角呈45°。

(3) 優(yōu)化焊接工藝，將焊接電流由200～205 A調(diào)整至210～230 A，焊接速率由20 s/圈調(diào)整至22 s/圈，起弧點(diǎn)由下殼側(cè)調(diào)整至上殼側(cè)，與后蓋面縱焊縫夾角呈30°。