汽車排氣催化器支架斷裂分析

摘要：針對排氣催化器在發(fā)動機臺架試驗中發(fā)生的支架失效問題開展研究，通過材質(zhì)分析、斷口宏觀/微觀形貌觀察及焊縫金相分析，確定零件的失效模式和原因。結(jié)果表明：排氣催化器支架焊縫焊根未焊透，導(dǎo)致焊縫連接強度降低，引起焊縫開裂。建議改進(jìn)排氣催化器支架焊接工藝，避免產(chǎn)生焊根未焊透缺陷。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；排氣系統(tǒng)；催化器；焊鏠；焊接質(zhì)量

0 前言

催化器總成是發(fā)動機排氣系統(tǒng)的重要組成部分，其作用為凈化發(fā)動機排出的尾氣，降低尾氣對大氣的污染。它采用鉑、銠、鈀3 種貴金屬作為催化劑對排氣中的CO、碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）進(jìn)行氧化還原處理，生成CO2、N2和水，從而達(dá)到凈化尾氣的效果。為了減少汽車尾氣對環(huán)境的危害，目前催化器已廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中。

催化器總成的設(shè)計不僅需要滿足功能使用，還要滿足結(jié)構(gòu)承載的要求。在使用過程中承力結(jié)構(gòu)件失效會導(dǎo)致發(fā)動機異常振動，并使催化器無法正常工作。李永生［1］提出催化器振動耐久失效的主要失效模式為高周疲勞失效，并且振動耐久失效與支架焊接質(zhì)量和強度設(shè)計強相關(guān)，這為本文找出失效原因提供了思路和方向。本文通過一系列材料檢測方法調(diào)查催化器臺架試驗失效模式，確定失效原因。

1 問題描述

本文研究的催化器安裝在動力總成上（發(fā)動機和變速箱），而發(fā)動機在工作過程中的振動是催化器受到的最主要的激勵之一。催化器一端由1 個支架與發(fā)動機相連，另一端由2 個支架與變速箱相連，如圖1 所示。

開發(fā)過程中，催化器需要搭載在發(fā)動機和變速箱上進(jìn)行排氣熱沖擊臺架試驗。發(fā)動機在低負(fù)載和滿負(fù)載交替工況（轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min 和6 000 r/min）下，高溫尾氣通過催化器排出，以考核動力系統(tǒng)及排氣后處理系統(tǒng)的功能及各連接支架的強度。整個排氣熱沖擊臺架試驗持續(xù)時長為180 h，在臺架試驗進(jìn)行至53 h 時發(fā)現(xiàn)催化器上發(fā)動機支架焊縫附近有裂紋，裂紋位于發(fā)動機支架與催化器筒體焊縫上，如圖2 所示。

2 試驗與檢測

2. 1 化學(xué)成分

發(fā)動機支架材質(zhì)為SUH 409L，厚度為3.0 mm。使用發(fā)射光譜儀檢查支架化學(xué)成分，試驗方法參考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）》，檢測結(jié)果見表1。由表1 可知，該支架材質(zhì)成分均符合JIS G 4312—2019《 耐熱鋼板及鋼帶》中對SUH409L 成分的要求。

2. 2 微觀形貌

在掃描電鏡下將發(fā)動機支架焊縫裂紋斷口放大觀察，如圖3 所示。由圖3 可以看出：斷面上可見疲勞輝紋，裂紋源位于焊縫起弧區(qū)域，裂紋為疲勞開裂。

2. 3 焊接質(zhì)量

目視檢查焊縫表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機支架焊縫起弧位置有補焊的痕跡，如圖4 所示。

將焊縫取金相樣，檢查其焊縫質(zhì)量，焊縫金相照片如圖5 所示。對焊縫的熔深、熔厚、熔寬進(jìn)行測量，并與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較，以判斷焊縫是否符合要求，見表2。由圖5 及表2 可以看出：發(fā)動機支架焊縫的熔深、熔厚、熔寬均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但在該焊縫上發(fā)現(xiàn)焊根未焊透［2-4］的缺陷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，承受動載荷的B 類焊縫不允許出現(xiàn)該缺陷。

2. 4 硬度檢測

發(fā)動機支架裂紋起源于焊縫起弧位置，并在焊縫上擴(kuò)展，且起弧位置有補焊的痕跡。檢測發(fā)動機支架焊縫各區(qū)域的維氏硬度，試驗參照GB/T4340.1—2009《 金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》進(jìn)行，結(jié)果見表3。比對補焊焊縫與未補焊焊縫的硬度發(fā)現(xiàn)，補焊位置焊縫硬度為208 HV。相比于未補焊焊縫硬度（155 HV），補焊焊縫硬度較高，說明補焊返工使得該處焊縫變脆。在斷口觀察中，發(fā)動機支架斷口為疲勞開裂，支架起弧位置的補焊并非發(fā)動機支架焊縫開裂的最主要原因。

3 結(jié)語

由材質(zhì)分析可知：催化器各部位用材符合設(shè)計定義。通過斷口分析可知：發(fā)動機支架焊縫開裂為疲勞開裂，疲勞源位于焊縫起弧處。焊接質(zhì)量檢查可見：發(fā)動機支架焊縫的熔深、熔厚、熔寬均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在焊縫上發(fā)現(xiàn)有未焊透的缺陷，該缺陷會降低焊接連接強度。目視檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機支架焊縫起弧位置有補焊的痕跡。檢測支架焊縫補焊位置和未補焊位置的維氏硬度，補焊位置的硬度高于未補焊位置的硬度，補焊后的焊縫偏脆性。在掃描電鏡下，發(fā)動機支架斷口呈現(xiàn)疲勞開裂特征，說明補焊并不是發(fā)動機支架裂紋開裂的主要因素。

從以上分析可知，催化器總成發(fā)動機支架的開裂原因是：支架焊縫處裂紋是由于存在未焊透的焊接缺陷，焊縫疲勞強度降低，從而導(dǎo)致疲勞開裂。零部件供應(yīng)商可通過增大焊接電流、降低焊接速度、注意焊條角度、防止弧偏吹現(xiàn)象等來消除焊根未焊透的缺陷。雖然試驗證明焊縫起弧處的補焊并非支架開裂的主要因素，但補焊會對焊縫的強度和韌性造成影響，零部件供應(yīng)商應(yīng)禁止補焊。

參 考 文 獻(xiàn)

［ 1 ］ 李永生. 催化凈化裝置振動耐久失效分析及仿真對標(biāo)[J]. 小型內(nèi)燃機，2022，51（2）：70-75.

［ 2 ］ 張彥文，許竹桃，張友登，等. 電動汽車下擺臂疲勞斷裂分析[J]. 電焊機， 2015， 45（5）：50-54.

［ 3 ］ 黃維生. 淺談如何識別未焊透與未熔合[J]. 中小型企業(yè)管理與科技，2009（7）：236.

［ 4 ］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明：GB 6417.1—2005[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.