側(cè)面碰撞車(chē)門(mén)防撞桿的失效與焊縫布置優(yōu)化

薛喜才

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 乘用車(chē)公司，上海 201800）

0 引言

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展較為迅速，汽車(chē)的安全性逐漸進(jìn)入公眾的視野，特別是“2019年底帕薩特在中保研25%偏置碰撞中出現(xiàn)A柱斷裂事故”事件，更是引起人們以及國(guó)內(nèi)眾多車(chē)企對(duì)車(chē)輛安全性能的重視[1-4]。汽車(chē)側(cè)面又是整車(chē)安全系統(tǒng)中最為薄弱的部位，一旦發(fā)生事故，極易威脅駕駛員以及乘客的安全。因此，如何提高側(cè)面的安全性和可靠性是各大汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，而車(chē)門(mén)防撞桿是汽車(chē)側(cè)面安全的重要組成部分，提高防撞桿的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)剛度更是科研人員研究的重點(diǎn)方向[5-6]。

目前市場(chǎng)上防撞桿的形式大致可分為3種，即沖壓板件W-section型、Box型，Tube管狀防撞桿[7]。特別是焊管防撞桿由于成型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，應(yīng)用較為廣泛。防撞桿的材料大都采用高強(qiáng)度、甚至超高強(qiáng)度鋼板[8]，如DP600，通過(guò)熱沖壓成型（馬氏體鋼）或冷成型+淬火回火工藝獲得回火馬氏體組織鋼，使汽車(chē)獲得較高的碰撞安全系數(shù)和輕量化效果[9]。但是防撞桿采用高強(qiáng)度鋼材的同時(shí)，除了會(huì)造成制造成本增加外，還可能會(huì)引起其他諸如焊接等方面的問(wèn)題。

車(chē)型防撞桿采用高強(qiáng)度焊管，在側(cè)面碰撞后發(fā)生開(kāi)裂。通過(guò)外觀觀察、金相組織分析、斷口分析以及三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等分析，找到失效的根本原因并優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)布置。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

由于國(guó)內(nèi)的汽車(chē)工業(yè)起步較晚，新車(chē)的碰撞標(biāo)準(zhǔn)大都參考?xì)W美以及日韓等汽車(chē)工業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，如 2006年制定的 C-NCAP (China New Car Assessment Program)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上隨機(jī)購(gòu)買(mǎi)車(chē)型進(jìn)行更嚴(yán)格、更安全的碰撞試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果按星級(jí)評(píng)定并客觀反饋給消費(fèi)者[10-11]。因此，很多汽車(chē)企業(yè)按照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新車(chē)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

依據(jù)C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)車(chē)輛固定，移動(dòng)臺(tái)車(chē)前加裝6格蜂窩鋁塊，移動(dòng)變形壁障中心線與試驗(yàn)車(chē)輛R點(diǎn)對(duì)齊，移動(dòng)變形壁障縱向與試驗(yàn)車(chē)輛前排座椅R點(diǎn)靠后250 mm點(diǎn)相垂直，碰撞速度約50 km/h，試驗(yàn)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 側(cè)面碰撞示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of side impact

側(cè)面壁障碰撞完成后，需要檢查零件的變形情況來(lái)分析工況是否滿足試驗(yàn)要求，如車(chē)門(mén)內(nèi)外板變形是否正常，車(chē)門(mén)防撞桿是否開(kāi)裂，車(chē)門(mén)加強(qiáng)板是否彎折以及是否存在更為嚴(yán)重的斷裂、失效等風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)側(cè)面壁障碰撞工況上述相關(guān)車(chē)身結(jié)構(gòu)信息處理完成后，在通過(guò)車(chē)內(nèi)假人的傷害曲線評(píng)估其受到的傷害程度。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 外觀檢查

某車(chē)型防撞桿側(cè)面經(jīng)碰撞后檢查發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)裂（圖2），這在C-NCAP試驗(yàn)以及企業(yè)碰撞技術(shù)規(guī)范中屬于嚴(yán)格不允許出現(xiàn)的現(xiàn)象。該前門(mén)防撞桿為焊管一字形布局，管長(zhǎng) 635 mm，直徑為 28 mm，壁厚為2.2 mm。防撞桿上3處安裝支架，支架與防撞桿通過(guò)二氧化碳保護(hù)焊接在一起；兩端支架與車(chē)門(mén)內(nèi)板焊接，中間支架與車(chē)門(mén)內(nèi)板膠結(jié)。

圖2 失效的車(chē)門(mén)防撞桿Fig.2 Failed bumper bar of car door

從防撞桿外觀上看，防撞桿彎曲變形，開(kāi)裂處開(kāi)口方向與碰撞時(shí)受力方向一致，說(shuō)明防撞桿是受到側(cè)面碰撞后變形、開(kāi)裂。此外，防撞桿開(kāi)裂位置位于焊管中間，碰撞過(guò)程中屬于變形較大區(qū)域，且開(kāi)裂位置靠近中間支架焊縫，為焊接熱影響區(qū)，局部結(jié)構(gòu)上由于焊縫明顯凸起而在熱影響區(qū)存在應(yīng)力集中。

2.2 材料成分及硬度測(cè)試

焊管材料化學(xué)成分見(jiàn)表1，可知化學(xué)成分符合技術(shù)要求。焊管硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，通過(guò)與同批次零件進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)失效件硬度異常。

表1 零件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of the part (mass fraction /%)

表2 零件硬度測(cè)試Table 2 Hardness testing result of the parts

2.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

為了驗(yàn)證防撞桿機(jī)械性能是否滿足技術(shù)要求，依據(jù)企業(yè)技術(shù)要求，隨機(jī)抽取2件同批次焊管進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：室溫，加載速度為5 mm/s，焊管焊縫與壓頭加載方向的角度為90°，為了減少兩側(cè)支撐頭摩擦力的影響，支撐頭應(yīng)為轉(zhuǎn)動(dòng)式。試驗(yàn)示意圖以及載荷與位移曲線見(jiàn)圖3，可見(jiàn)曲線未出現(xiàn)異常波動(dòng)。

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Fig.3 Three-point bending test

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)加載點(diǎn)位移分別為50、100、150 mm時(shí)，吸能值均滿足要求，推測(cè)防撞桿力學(xué)性能滿足技術(shù)要求的。

表3 防撞桿吸能值Table 3 Energy absorption of bumper barsN?m

2.4 斷口觀察

根據(jù)碰撞塊撞擊方向，很容易判斷防撞桿裂紋源區(qū)域位置與碰撞方向呈180°。裂紋源區(qū)附近外觀形貌見(jiàn)圖4。焊管裂紋源靠近支架焊縫，且裂紋源附近材料縮頸現(xiàn)象明顯。對(duì)裂紋源進(jìn)行掃面電鏡觀察，可見(jiàn)韌窩形貌，說(shuō)明焊管屬于受到撞擊發(fā)生韌性過(guò)載開(kāi)裂（圖5）。

圖4 開(kāi)裂處附近外觀Fig.4 Appearance of cracking region

圖5 裂紋源微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack source

2.5 金相分析

沿著裂紋源縱向取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。焊管熔深正常，支架100%熔透，無(wú)明顯的焊接缺陷（圖6a）。焊縫有多道焊的痕跡，這是由于支架焊接前需要定位、預(yù)焊。

焊管熱處理方式為中頻淬火+低溫回火，微觀組織應(yīng)該為回火馬氏體。通過(guò)對(duì)焊管遠(yuǎn)離斷口區(qū)域進(jìn)行測(cè)試分析，焊管基體材料微觀組織為回火馬氏體（圖6b），基體材料組織正常，說(shuō)明焊管進(jìn)行了正常的熱處理工藝。觀察開(kāi)裂處金相組織（圖6c），微觀組織為拉伸變形的鐵素體+珠光體、與基體明顯不同，組織已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變；開(kāi)裂處硬度約為HV0.5190，遠(yuǎn)低于焊管基體硬度（約HV 500）。由于焊管開(kāi)裂處緊靠支架焊縫，很容易受到焊接輸入熱量的影響，進(jìn)而導(dǎo)致附近材料組織轉(zhuǎn)變，材料強(qiáng)度降低。

圖6 零件金相組織Fig.6 Microstructure of the part

3 分析與討論

車(chē)門(mén)防撞桿側(cè)面壁障碰撞時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，通過(guò)對(duì)同批次焊管進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可知，焊管機(jī)械性能滿足技術(shù)要求。失效焊管材料化學(xué)成分滿足要求，硬度正常，這說(shuō)明防撞桿的開(kāi)裂失效與焊管材料性能無(wú)關(guān)。斷口分析顯示，防撞桿受到碰撞變形、開(kāi)裂方向與其受力方向相一致；在防撞桿開(kāi)口最大區(qū)域即裂紋源附近可見(jiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象；裂紋源微觀上呈韌窩形貌，這說(shuō)明焊管屬于受到撞擊發(fā)生韌性過(guò)載開(kāi)裂。金相分析顯示，焊管基材為回火馬氏體，組織無(wú)異常，但開(kāi)裂部位材料組織為變形的鐵素體+珠光體，與基材明顯不同。硬度測(cè)試顯示，開(kāi)裂區(qū)域硬度約HV 190，基材材料硬度約HV 500，開(kāi)裂區(qū)域材料強(qiáng)度明顯弱于基體。通過(guò)以上分析表明，焊管是由于局部強(qiáng)度遭到弱化，導(dǎo)致碰撞時(shí)發(fā)生開(kāi)裂。

觀察焊縫開(kāi)裂位置可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂部位緊靠支架焊縫，支架焊接過(guò)程中勢(shì)必會(huì)受到輸入熱的影響。而焊管為高強(qiáng)度管材，其熱處理為淬火+低溫回火，材料為非穩(wěn)態(tài)組織[12]，在受到熱量的影響時(shí)，很容易發(fā)生材料轉(zhuǎn)變、回復(fù)，進(jìn)而強(qiáng)度降低。

此外，焊管與支架通過(guò)2條焊縫連接（圖7a）。單條焊縫長(zhǎng)度為 28 mm，焊管為?28 mm，這說(shuō)明焊管周向約1/3區(qū)域都會(huì)受到焊接熱的影響，材料遭到弱化，而焊管碰撞時(shí)受力方向與焊縫呈180°，碰撞時(shí)焊管發(fā)生彎曲變形，焊縫區(qū)域?yàn)楸∪觞c(diǎn)，自然成為裂紋源，率先發(fā)生開(kāi)裂。

圖7 防撞桿與支架焊縫示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of weld seam between bumper bar and support

因此，為了減輕焊縫輸入熱對(duì)防撞桿材料性能的影響，需要對(duì)焊縫布置進(jìn)行優(yōu)化或更改連接方式。優(yōu)化方案有2種，如圖7b、圖7c所示。此兩種方案均可減輕焊接輸入熱的影響，但基于可操控性以及便捷的角度考慮，優(yōu)化方案二更貼近實(shí)際生產(chǎn)上需求。目前，通過(guò)更改焊縫布置，該結(jié)構(gòu)防撞桿已經(jīng)通過(guò)側(cè)面壁障碰撞試驗(yàn)，并順利實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

4 結(jié)論與建議

1）防撞桿材料為高強(qiáng)度焊管，經(jīng)過(guò)淬火+低溫回火后組織敏感性較高；同時(shí)，防撞桿受到焊接熱的影響，導(dǎo)致焊縫附近區(qū)域焊管材料遭到弱化，成為薄弱點(diǎn)，在受到側(cè)面撞擊、變形時(shí)發(fā)生韌性過(guò)載開(kāi)裂。

2）通過(guò)優(yōu)化焊管與支架的焊縫布置，周向焊接更改為縱向焊接，減輕焊接熱的影響，零件已經(jīng)順利通過(guò)試驗(yàn)。