后扭轉梁總成開裂分析

張驍杰，賁顯力，李衛華，王沖，袁超，王斌

(長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

0 引言

后扭轉梁總成是車輛后懸架系統中應用的一種半獨立懸架，工作時承受彎曲和扭轉載荷，其耐久性能非常重要。隨著對輕量化需求的日益重視，后扭轉梁的結構、工藝和材料的應用越來越呈多元化[1-3]。某SUV車型使用管狀結構扭轉梁本體，并采用熱成形鋼熱處理工藝，在進行第二輛整車耐久試驗過程中扭轉梁本體與左螺旋簧支座焊接接頭近扭轉梁本體處開裂，開裂位置見圖1。

圖1 后扭轉梁總成開裂位置

扭轉梁本體用材為熱成形鋼22MnB5，壁厚t=3 mm，零件成形后經淬火+中溫回火熱處理。螺旋簧支座用材為QStE500TM，壁厚t=3.5 mm。后扭轉梁總成焊接工藝為手工MAG焊，保護氣體為20%CO2+80%Ar，焊絲為ER50-6，焊絲直徑為1.2 mm。

1 試驗與分析

為分析此后扭轉梁總成開裂原因，進行以下工作。

1.1 斷口分析

對扭轉梁本體和左螺旋簧支座進行斷口分析，在保護斷口表面的前提下，人為將扭轉梁本體和左螺旋簧支座在裂紋處分開，經乙醇溶液清洗和檸檬酸除銹處理后觀察斷口形貌，結果如圖2所示。

圖2 斷口分析結果

(1)扭轉梁本體與左螺旋簧支座焊接部位顏色較深，腐蝕程度比周圍更嚴重，為裂紋源區，如圖2(a)所示，并伴有發散狀條紋，如圖2(b)所示。

(2)裂紋源區兩側的擴展區表面可以觀察到明顯的疲勞輝紋，如圖2(c)所示，擴展區放大后可以觀察到細小的疲勞條帶，如圖2(d)所示，后扭轉梁總成開裂屬于疲勞開裂。

1.2 焊接接頭分析

1.2.1 失效總成焊接接頭分析

分析與開裂焊接接頭左右對稱的位置，即分析扭轉梁本體與右螺旋簧支座焊接接頭金相組織及顯微硬度。焊接接頭近扭轉梁本體側過熱區組織為馬氏體，正火區組織為鐵素體+珠光體，兩相鄰區域硬度差值為HV200，力學性能相差很大，硬度分析結果如圖3所示。另外，在扭轉梁本體與右螺旋簧支座焊根處發現未融合缺陷，表征焊接質量不佳，如圖4所示。未融合缺陷減小了焊道有效工作截面積、降低了焊接接頭強度，是不允許存在的焊接缺陷[4]。由焊接缺陷引起的后扭轉梁總成失效不在少數[5-6]，必須要重視后扭轉梁總成的焊接質量。

圖3 失效件焊接接頭硬度分布

圖4 失效件焊接未融合缺陷示意

1.2.2 未失效總成焊接接頭分析

在上一輛通過耐久試驗的后扭轉梁總成上取樣分析焊接接頭組織和硬度，取樣位置參照開裂后扭轉梁總成取樣位置。其焊接接頭近扭轉梁本體側過熱區組織為馬氏體+珠光體+少量鐵素體，正火區組織為鐵素體+珠光體，硬度分布較為平緩，如圖5所示。

圖5 通過耐久試驗后扭轉梁總成焊接接頭硬度分布

1.3 零件母材分析

在失效后扭轉梁總成上分別截取扭轉梁本體和左螺旋簧支座試樣檢測元素含量，結果如表1所示，元素含量全部符合材料標準要求。

表1 成分檢測結果(質量分數) %

分析零件金相組織，扭轉梁本體為回火屈氏體組織，螺旋簧支座為鐵素體+珠光體組織，如圖6所示，材料組織無異常。

圖6 失效后扭轉梁總成金相組織

1.4 原因分析

失效扭轉梁總成原材料符合標準要求，與上一輛通過耐久試驗的后扭轉梁總成相比，失效扭轉梁總成焊接接頭近扭轉梁本體側過熱區組織為馬氏體，過熱區和正火區力學性能差異較大，即在高強度的耐久試驗中兩區域變形能力差異較大，造成應力集中。

為分析開裂后扭轉梁總成焊接接頭過熱區馬氏體組織產生原因，回溯其焊接條件，總成焊接當日環境溫度為-6～3 ℃，無焊前預熱、焊后控制冷速等措施。通過耐久試驗的后扭轉梁總成焊接當日環境溫度為6～22 ℃。由相同的焊接人員使用相同的焊接設備和焊接參數在低溫環境艙進行后扭轉梁總成焊接，模擬失效件焊接時環境溫度，設定環境溫度t=0 ℃，測量焊接接頭T8/3數據，計算出扭轉梁本體與螺旋簧支座焊接后焊接接頭冷卻速度約為45 ℃/s。扭轉梁本體用材為熱成形鋼，淬透性強，其馬氏體臨界轉變冷卻速度為20 ℃/s，遠低于失效后扭轉梁總成焊接接頭冷卻速度。

綜上，失效后扭轉梁總成焊接時環境溫度過低，且沒有焊前預熱或焊后緩冷措施，造成焊接接頭冷卻速度過大，焊接接頭過熱區產生馬氏體組織。過熱區和正火區性能差異造成兩區域材料變形能力的極大差異，進而產生應力集中，結合焊接質量不佳，則更容易萌生裂紋。

2 結論

(1)開裂為疲勞開裂，扭轉梁本體與左螺旋簧支座焊接接頭為裂紋源。

(2)失效后扭轉梁總成的焊縫存在未融合焊接缺陷，焊接質量不佳。扭轉梁本體與螺旋簧支座焊接接頭近扭轉梁本體側過熱區和正火區變形能力差異大易產生應力集中。兩相結合，在耐久試驗中易萌生裂紋，進而造成零件開裂。

(3)為避免后期再次出現此類問題，首先需要改善焊接質量，保證無焊接缺陷；另外，建議在環境溫度過低時增加焊前預熱、焊后緩冷工序[7-8]或使用淬硬傾向小的鋼材。