某車型后扭轉梁開裂問題分析

鄒有坤

(眾泰汽車工程研究院，浙江杭州 310000)

0 引言

對某車型扭轉梁穩定桿開裂進行整改驗證，1月14日1號樣件試驗進行25.5萬次，扭轉梁本體與左縱臂上焊道開裂，1月16日2號樣件試驗進行10萬次，扭梁本體與右縱臂上焊道開裂。臺架耐久試驗再次失效，有項目工程調試-設計驗證階段延期風險。

1 失效問題分析

某在研車型設計驗證階段，后扭轉梁總成臺架試驗進行至25.5萬次，扭轉梁本體與縱臂搭接處左上側出現長度約80 mm裂紋[如圖1(a)所示]；最后進行第二件后扭轉梁總成臺架試驗，試驗進行至10萬次時，扭轉梁本體與縱臂搭接處右上側焊道再次出現長度約15 mm裂紋[如圖1(b)所示]。

圖1 后扭轉梁臺架試驗失效

因研發周期緊，需迅速判斷樣件失效模式并制定相應整改對策。通過失效樣件斷口宏微觀形貌觀察、金相組織、硬度、化學成分分析試驗及CAE分析等方面進行分析[1-2]。

1.1 宏觀斷口分析

采用高像素數碼相機和QUANTA 450掃描電鏡對樣件的斷口進行宏觀和微觀分析，扭轉梁本體材料為QSTE420。

如圖2所示：1號樣件開裂部分斷口分成源區附近區域1和擴展區域2兩部分，失效件斷裂起始于焊縫外表面邊緣，沿焊道由表面向內部擴展；起裂位置宏觀發現有崩落掉塊現象，能譜掃描源區表面檢出O、Ca、K、Ti等焊渣成分。如圖3所示：2號樣件開裂部分斷口分區域A和區域B兩部分，失效件斷裂起始于焊縫外表面邊緣，垂直于焊道由表面向內部擴展；能譜掃描源區表面檢出O、Si、Ti、M等焊渣成分。

圖2 1號樣件斷口照片源區圖示

圖3 2號樣件斷口照片源區圖示

1.2 微觀斷口分析

將斷口經超聲波清洗后放入掃描電鏡，在電鏡下對兩個失效件開裂端面進行微觀形貌觀察。如圖4所示：1號斷面區域1和區域2高倍形貌特征為疲勞開裂特征。

圖4 1號樣件開裂面各區域微觀形貌

如圖5所示：2號樣件源區附近檢出多處氣孔、焊渣及裂紋缺陷，開裂面區域A和區域B微觀形貌亦呈典型疲勞特征。

圖5 2號樣件開裂面各區域微觀形貌

1.3 金相分析

從兩例失效件斷裂源區截取試樣，制成金相試樣在顯微鏡下觀察。如圖6所示：1號樣件源區附近檢出沿晶開裂裂紋特征，高倍下源區顯微組織為過熱魏氏組織+上貝氏體+珠光體+少量鐵素體組織，熱影響細晶區和母材組織為鐵素體+少量珠光體。如圖7所示：2號樣件源區附近檢出明顯虛焊、沿晶開裂裂紋、焊渣、氣孔等缺陷，高倍下源區顯微組織為過熱魏氏組織+上貝氏體+珠光體+少量鐵素體組織，熱影響細晶區和母材組織為鐵素體+少量珠光體。

圖6 1號樣件金相組織照片

圖7 2號樣件金相組織照片

1.4 硬度檢測

對兩個失效樣件焊接斷裂位置不同區域分別進行硬度檢測，檢測結果如表1所示。

表1 硬度檢驗結果

焊接位置硬度分布不均勻，源區(焊縫位置)硬度檢測結果較熱影響細晶區和母材略高。

2 分析和討論

由斷口分析得知：兩例失效樣件均發生了疲勞開裂，1號失效件斷裂源區檢出明顯焊渣缺陷，裂紋從焊渣缺陷處萌生；焊接位置應力大，在交變載荷條件下，裂紋最終沿焊道發生疲勞開裂；2號失效件斷裂源區檢出多處氣孔、虛焊、焊渣等缺陷，并且存在垂直于融合線的焊接應力裂紋；裂紋在焊接缺陷處萌生，焊接位置應力大，在交變載荷條件下，裂紋最終垂直于焊道發生疲勞開裂；焊接位置組織和硬度不均勻，導致樣件在焊接處內部應力分布不均勻，加速了裂紋擴展速度。

3 改進優化

綜合考慮顧客特殊要求：滿載后軸荷為8 800 N，車輪滾動半徑為301 mm，后螺旋簧剛度為32.6 N/mm，輪胎剛度為201 N/mm；在原有零部件材料(后扭轉梁本體、后縱臂、四腳形支架材料為QSTE420TM，屈服極限為420 MPa，抗拉極限為620 MPa；穩定桿支架材料為QSTE550TM，屈服極限為550 MPa，抗拉極限為760 MPa；螺旋簧支座、減震器支架材料為SAPH440，屈服極限為305 MPa，抗拉極限為440 MPa；后輪轂支架材料為35鋼，屈服極限為315 MPa，抗拉極限為530 MPa)不變的前提下，對失效位置進行焊道延長10 mm處理，完成分析數模，借助于ABAQUS軟件完成分析對比[3]，具體結果如表2所示。

表2 分析結果統計MPa

從表中可以看出：在原有失效位置應力變化明顯，由原來的301.3和406 MPa，變化為224.2和350.4 MPa，優化方案有效。

4 小結

通過對扭轉梁臺架失效原因進行真因尋找，在有效解決該系列零部件因焊道起弧和收弧原因所導致的失效問題同時，對同類產品類似失效模式的改進有一定的借鑒意義。