某商用車前減振器總成焊縫開裂失效分析優(yōu)化

李中洋，李德淯，林明，何煜

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

前減振器總成作為連接車身與車輪的彈性阻尼元件，將力和運(yùn)動(dòng)從車輪傳遞到車身，保證車身姿態(tài)，確保駕駛安全性，同時(shí)可以快速衰減路面激勵(lì)在車身和車輪上引起的振動(dòng)，對(duì)車輛操控穩(wěn)定性和舒適性起著重要作用。當(dāng)減振器的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不能滿足車輛使用要求時(shí)，將發(fā)生結(jié)構(gòu)彎曲、開裂、漏油、阻尼喪失等失效問(wèn)題，影響駕乘感受及乘客安全。泮戰(zhàn)俠[1]等通過(guò)增大螺栓孔間距、提高支架背板平整度的措施解決減振器支架的疲勞斷裂問(wèn)題。徐論意[2]等通過(guò)更改減振器支架與車架的連接方式、更換支架材料解決減振器支架開裂問(wèn)題。

本文針對(duì)某商用車右前減振器焊縫開裂漏油問(wèn)題，通過(guò)強(qiáng)度分析、材料分析、焊縫分析、斷口形貌及金相組織分析[3-4]確定失效機(jī)理，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、整車可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，滿足減振器總成的耐久可靠性要求。

1 問(wèn)題描述

某商用車按照整車可靠性試驗(yàn)規(guī)范路試時(shí)，右前減振器總成出現(xiàn)開裂漏油故障，零件失效里程21 000 km。如圖1所示右前減振器貯油缸焊縫開裂漏油。

圖1 右前減振器貯油缸焊縫開裂漏油

2 原因分析

2.1 強(qiáng)度分析

減振器開裂路試車與量產(chǎn)車同為前麥弗遜獨(dú)立懸架、前軸軸荷接近，減振器結(jié)構(gòu)、貯油缸材料及壁厚與量產(chǎn)車一致。如圖2所示，分別在單側(cè)過(guò)深坑、向前緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向三個(gè)典型工況下對(duì)前減振器總成進(jìn)行強(qiáng)度分析，開裂車和量產(chǎn)車前減振器均在單側(cè)過(guò)深坑工況下出現(xiàn)最大應(yīng)力，且遠(yuǎn)離開裂位置，量產(chǎn)車的減振器貯油缸與支架的焊縫位置在路試及售后市場(chǎng)未出現(xiàn)開裂漏油問(wèn)題。

圖2 各工況下的減振器強(qiáng)度分析

2.2 焊縫分析

前減振器總成開裂漏油處是貯油缸與支架焊接位置，焊接工藝參數(shù)對(duì)該位置的耐久可靠性影響大，需對(duì)開裂位置進(jìn)行熔深檢查。貯油缸壁厚2.5 mm，支架壁厚4 mm，檢測(cè)焊縫裂紋源處的焊接熔深為 0.75 mm，大于焊接熔深要求的0.25 mm，滿足焊接熔深要求。

2.3 材料成分分析

在開裂的減振器貯油缸上取樣進(jìn)行材料頻譜分析金屬元素成分，從表1數(shù)據(jù)上看，貯油缸材料化學(xué)成分滿足材料要求。

表1 貯油缸材料性能參數(shù)

2.4 斷口形貌分析

如圖3、圖4所示，檢查裂紋源，裂紋在減振器支架與貯油缸焊縫處多點(diǎn)萌生，呈放射狀擴(kuò)展，裂紋源斷口呈撕裂形狀；未發(fā)現(xiàn)原始裂紋、氣孔、疏松等原始焊接缺陷或材料缺陷。如圖5、圖6，擴(kuò)展區(qū)斷口有典型的疲勞輝紋和放射狀河流花樣，屬于疲勞開裂，河流花樣斷口表面開裂處材料具有脆性特征。

圖3 裂紋源形貌（16×）

圖4 裂紋源形貌（1 000×）

圖5 擴(kuò)展區(qū)形貌（1 000×）

圖6 擴(kuò)展區(qū)形貌（2 000×）

2.5 硬度分析

表2為焊縫開裂處內(nèi)表層和遠(yuǎn)離焊縫處的貯油缸5個(gè)不同部位的硬度檢測(cè)結(jié)果：貯油缸開裂處內(nèi)表層硬度和遠(yuǎn)離焊縫處硬度接近。

表2 貯油缸不同位置的材料硬度

2.6 金相組織分析

如圖7所示，前減振器開裂漏油處位于減振器支架與貯油缸的焊縫處，貯油缸開裂處內(nèi)表層呈深藍(lán)色。

圖7 前減振器總成斷口宏觀形貌

如圖8為裂紋源處金相組織500倍放大圖，裂紋源處截面組織為鐵素體、低碳馬氏體和魏氏體組織，晶粒度級(jí)別 5級(jí)，屬于典型的過(guò)熱組織，說(shuō)明貯油缸與支架焊接過(guò)程中此位置受持續(xù)高溫影響。如圖9為開裂處內(nèi)表層組織500倍放大圖，裂紋源對(duì)應(yīng)的開裂處內(nèi)表層組織為鐵素體、低碳馬氏體和魏氏體組織，從表2知，硬度雖然變化不大，但脆性和內(nèi)應(yīng)力增大，有利于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，金相組織與斷口特征比較吻合。如圖10為遠(yuǎn)離裂紋源處的貯油缸基體材料組織500倍放大圖，未受焊接熱影響，其金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒度級(jí)別9級(jí)。

圖8 裂紋源處金相組織

圖9 開裂處內(nèi)表層組織

圖10 遠(yuǎn)離裂紋源處組織

減振器開裂路試車與量產(chǎn)車同為前麥弗遜獨(dú)立懸架、前軸軸荷接近，減振器結(jié)構(gòu)、貯油缸材料及壁厚與量產(chǎn)車一致，且量產(chǎn)車的減振器支架與貯油缸的焊縫位置在路試及售后市場(chǎng)未出現(xiàn)開裂漏油問(wèn)題。對(duì)開裂位置進(jìn)行材料成分、焊縫、硬度、斷口形貌及金相組織分析，判斷減振器焊縫位置受長(zhǎng)時(shí)間高溫影響導(dǎo)致截面組織出現(xiàn)過(guò)熱、晶粒組織增大、材料變?nèi)酰诓煌较虻妮d荷作用下產(chǎn)生疲勞開裂。

3 改進(jìn)方案

減振器支架與貯油缸的焊接工藝參數(shù)為：焊接電流（265±30）A，焊接電壓（26±4）V。針對(duì)焊接過(guò)程中出現(xiàn)的高溫影響導(dǎo)致的疲勞開裂問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化焊接電流、焊接電壓等工藝參數(shù)改善。如表 3及圖 11所示，分別對(duì)比了 8種工藝參數(shù)下的焊接熔深、減振器支架拉脫強(qiáng)度、焊縫寬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。各工藝參數(shù)下的焊接熔深均滿足大于0.25 mm的焊接要求、減振器支架拉脫強(qiáng)度接近，但工藝1、2、3下的焊縫細(xì)小，焊縫不飽滿、而工藝4、5、6、7、8下的焊縫寬粗飽滿。結(jié)合故障件與量產(chǎn)件的焊接工藝參數(shù)及焊縫寬度，并縮小焊接電流、電壓公差，確定優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：焊接電流（255±20）A，焊接電壓（26±3）V。

圖11 焊縫外觀質(zhì)量測(cè)量位置

表3 不同工藝參數(shù)下的焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 可靠性驗(yàn)證

焊接電流、焊接電壓工藝參數(shù)調(diào)整后的前減振器總成在臺(tái)架試驗(yàn)、整車可靠性試驗(yàn)中未出現(xiàn)開裂漏油故障，工藝參數(shù)滿足零件質(zhì)量要求，試件合格。

5 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料分析、過(guò)程控制、試驗(yàn)驗(yàn)證等角度展開分析，確定焊接電流、電壓過(guò)大使焊接區(qū)域受長(zhǎng)時(shí)間高溫影響產(chǎn)生的疲勞開裂是前減振器總成開裂漏油的根本原因，并優(yōu)化選取合理的焊接電流、電壓工藝參數(shù)，為減振器總成的焊接工藝控制提供可借鑒的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。