汽車下擺臂斷裂失效分析

韋賢毅,萬永紅,藍先,黃敏鶇,張歡

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.柳州市柳東新區(qū)管理委員會，廣西柳州 545007)

0 引言

下擺臂是汽車懸架系統(tǒng)中重要的承力構件，下擺臂連接減震器和輪轂支架，承受復雜的交變應力作用[1]。下擺臂構件由上片和下板通過二保焊連接，上片和下板通常采用熱軋酸洗鋼板沖壓成型[2-3]。擺臂的質量好壞直接影響到車輪的定位、汽車行駛的平穩(wěn)和安全可靠性[4]。某試驗車下擺臂構件在路試中發(fā)生斷裂失效，本文作者通過化學成分分析、顯微組織觀察等手段，研究了焊接接頭裂紋萌生及擴展的原因，對下擺臂構件產品質量及可靠性的提升起到一定的指導作用[5-6]。

1 試驗部分

1.1 檢測方法

某試驗車在路試中發(fā)生底盤懸架斷裂，經檢查為與輪轂支架連接處的下擺臂發(fā)生斷裂。用電火花線切割機對斷裂件進行切割取樣，對金相試樣進行研磨拋光浸蝕后，使用日立光學顯微鏡對焊接接頭開裂裂紋及斷口剖面顯微組織進行觀察。使用日立掃描電子顯微鏡進行斷口形貌觀察。采用光譜儀對材質進行成分分析。

1.2 宏觀形貌觀察

下擺臂斷裂試樣形貌如圖1所示，從圖1(a)中發(fā)現，下擺臂上片和下片搭接的焊縫處有開裂跡象，上邊緣處裂紋在焊縫中擴展，下邊緣處裂紋在焊縫靠近下片側擴展。如圖1(b)所示，下擺臂上片兩個夾頭連接處均發(fā)生斷裂，從宏觀觀察判斷，一個夾頭連接處靠近焊縫處斷口已銹蝕較嚴重，初步判斷裂紋在焊縫附近萌生，再擴展導致整個夾頭斷裂。另一個夾頭斷口則為較大應力作用下撕裂斷裂。

圖1 下擺臂斷裂零件宏觀形貌

1.3 材質檢測

QStE380TM鋼屬于冷成型熱軋酸洗結構鋼，是常用的碳錳汽車結構鋼，常用于副車架、下擺臂等汽車底盤零件[7]。采用電火花直讀光譜儀測定零件材料的化學成分，如表1所示。QStE380TM鋼成分符合Q/BQB310—2018要求。焊絲的化學成分如表2所示，ER50-6焊絲的化學成分優(yōu)于QStE380TM鋼，是常用的500 MPa級碳鋼及低合金鋼焊接焊絲，可以滿足焊接性能需求。

表1 QStE380TM鋼的化學成分 %

表2 ER50-6焊絲的化學成分 %

1.4 顯微組織分析

用電火花線切割機從樣品斷口處截取金相試樣，經研磨拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕后觀察金相形貌。圖2(a)為試樣的夾雜物金相形貌，按照GB 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢測法》進行評定。鋼中夾雜物主要為環(huán)狀氧化物夾雜，等級2.5級。材料的基體組織形貌，主要為鐵素體+珠光體組織，基體組織晶粒較為細小。圖2(b)夾頭連接處剖面組織形貌,此處組織也受到焊接高溫的影響，材料晶粒發(fā)生長大，斷口剖面邊緣較為光滑，未發(fā)現斷口擴展與材料組織有直接關系。圖2(c)為焊縫邊緣處開裂的顯微形貌，裂紋沿焊接熔合線擴展，裂紋擴展路徑平直。圖2(d)為焊縫中裂紋擴展的微觀形貌，焊縫組織為粗大的先共析鐵素體，焊接接頭的組織應力較大。

圖2 焊接接頭顯微組織形貌

1.5 斷口形貌

圖3為日立掃描電子顯微鏡觀察的斷口形貌，圖3(a)為斷口裂紋源處形貌，由于銹蝕時間較久，斷口上已生成較多的氧化產物，裂紋源區(qū)形貌已無法辨別。圖3(b)為疲勞裂紋擴展區(qū)斷口形貌，斷口上可以看到比較粗大的疲勞輝紋形貌，說明在應力的作用下，裂紋擴展的速率較快。圖3(c)為裂紋擴展到準失穩(wěn)狀態(tài)的形貌，此時斷口形貌為準解理形貌。圖3(d)為裂紋失穩(wěn)擴展狀態(tài)下瞬斷區(qū)斷口形貌，可以看到斷口形貌有較多的韌窩。下擺臂焊縫處開裂后，沒有下擺臂下板的結構加強作用下，下擺臂上片夾頭處承受較大的應力，發(fā)生疲勞裂紋擴展。從斷口形貌判斷，鋼材的綜合力學性能較好。

圖3 下擺臂斷口形貌

2 分析與討論

采用光譜儀進行成分分析，材料的化學成分符合國家標準要求。焊接焊絲材料性能滿足QStE380TM焊接強度需求。通過圖3掃描電鏡觀察，下擺臂上片夾頭處在較大應力作用下，發(fā)生疲勞裂紋擴展，隨著裂紋擴展的加快，疲勞裂紋尺寸變大。在接近準失穩(wěn)狀態(tài)下，斷口呈現準解理形貌。在瞬斷區(qū)構件快速斷裂，斷口主要呈現細小的韌窩形貌。說明QStE380TM鋼的材料韌性較好。通過圖1的宏觀形貌分析，焊縫處發(fā)生較嚴重的開裂跡象。采用金相顯微鏡進行顯微相貌分析，裂紋沿著焊縫及下擺臂下片邊緣擴展，說明焊縫邊緣存在未熔合跡象。焊縫組織為粗大的先共析鐵素體組織，焊縫中心存在根部裂紋，裂紋較為粗大，裂紋擴展路徑未發(fā)現與焊縫組織形貌有直接關系。下擺臂焊接采用二保焊工藝焊接，由于焊接工藝不當，下擺臂構件在路試過程中，焊接接頭發(fā)生開裂，導致構件的整體強度下降，下擺臂上片夾頭處承受過大應力，從而發(fā)生疲勞開裂，導致構件最終斷裂失效。

從上分析可知，下擺臂發(fā)生斷裂主要是由于焊接工藝不當，導致在焊縫根部存在未熔合缺陷和焊接冷卻過程中或者冷卻后產生冷裂紋[8]。焊接區(qū)有生銹或者氧化膜等異物，焊接電流過小、焊速快等因素都會造成焊縫局部受熱不足，導致產生未熔合缺陷。QStE380TM鋼按強度等級分類屬于高強度鋼，而焊接接頭的氫含量及分布、鋼種的淬硬傾向以及焊接接頭所承受的拘束應力狀態(tài)是高強鋼形成冷裂紋的主要三大因素[9]。焊縫中若存在大量的氫原子，在冷卻過程中氫原子發(fā)生富集，會產生強大的內壓導致微裂紋的萌生和擴展[10]。循環(huán)過程中，熱影響區(qū)形成淬硬組織，淬硬會形成更多的晶格缺陷[11]。在應力和熱力不平衡條件下，空位和位錯會發(fā)生聚集，在濃度達到一定程度時就會成為裂紋源。

針對下擺臂零件路試開裂的問題進行了焊接工藝的改進。保證焊接材料及焊接環(huán)境的干燥，將焊件坡口處的鐵銹、油污等清理干凈。將二氧化碳保護焊改為機器人氬氣保護焊，以提高焊接質量。在下擺臂焊接后及時進行去應力退火和去氫處理，從而降低產生冷裂紋的風險。

3 結論

通過對下擺臂斷裂失效分析，得出了以下結論：

(1)下擺臂焊縫處存在未熔合區(qū)，焊縫中存在冷裂紋，導致零件的強度不足，造成早期失效。

(2)通過焊接工藝的改進，在下擺臂焊接后及時進行去應力退火和去氫處理，降低產生冷裂紋的風險，解決焊接開裂的問題。