DC01型點焊管路支架斷裂失效分析

王志苗，張小盟

DC01型點焊管路支架斷裂失效分析

王志苗1，張小盟2

Wang Zhimiao1，Zhang Xiaomeng2

（1．長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2．中包包裝研究院有限公司，天津300457）

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、元素光譜分析儀對整車耐久試驗中斷裂的1.5 mm厚DC01點焊管路支架進行失效分析，結果顯示，支架斷裂具有典型的解理開裂特征，斷裂主要由于外力異常擠壓導致產生裂紋源，裂紋源起始于熔核與母材交界的熱影響區，并沿熱影響區切線方向向兩側母材擴展，由于熔核直徑小，加劇了支架斷裂的擴展速度。

DC01管路支架；點焊；失效斷裂

0　引言

電阻點焊因具有成本低、易于實現機械化和自動化、焊接質量易控制等優點，使其成為汽車鋼板連接的主要形式。伴隨汽車輕量化發展趨勢，車體鋼板逐漸傾向采用強塑性高強鋼板，例如DP（Dual-Phase，雙相）鋼、TRIP（Transformation Induced Plasticity，相變誘發塑性）鋼[1]，對于一些小型非承載部件的支架選材仍會采用低強度鋼板。本文所研究的空調管路支架為低強度鋼板DC01不銹鋼材料，其由兩個折彎板件通過電阻點焊而成，在整車綜合耐久試驗中支架出現斷裂，為此通過系統試驗進行失效分析。

1　分析檢測

1.1　試驗儀器

分析試驗采用蔡司Axio Observer Z1m金相顯微鏡、FEI Quanta 450掃描電子顯微鏡、SPECTRO MAXx LMF16元素光譜分析儀。

1.2　化學分析及樣品外觀

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》要求，采用元素光譜分析儀對DC01空調管路支架材料成分及基體維氏硬度進行測試，材料化學成分測試數據見表1，基體維氏硬度為99.6 HV，各項指標均滿足標準設計要求。

表1　DC01支架的化學成分（質量分數） %

失效支架外觀如圖1所示，支架開裂起始于位置2，位置1為安裝孔，此位置受到異常擠壓磕碰，位置1、2均出現嚴重的氧化銹蝕。

圖1　斷裂支架外觀

1.3　金相分析

在圖1位置2處疲勞開裂位置（裂紋源）取材，制取金相試樣，如圖2所示，測量得到失效件板厚約1.49 mm，壓痕深度約0.12 mm，熔核直徑約4.06 mm，熔核直徑不符合≥5.3 mm技術要求[2]。觀察晶粒度，在斷裂位置附近及基體母材中未發現明顯非金屬夾雜，評定為D系0.5級，晶粒度I 8級，如圖3所示，滿足材質設計要求。

圖2　熔核尺寸

圖3　基體晶粒度I 8級

圖4　熔核區顯微組織

圖5　熱影響區顯微組織

試樣的母材組織為鐵素體+彌散分布的點狀碳化物，如圖3所示；熔核區為低碳針狀貝氏體，如圖4所示；點焊后的熱影響區過熱區組織粗大如圖5所示，屬于過渡區，為大塊鐵素體+針狀貝氏體組織，且組織分布不均勻，兩相組織性能差異較大，在拉伸過程中應力不能均勻釋放，由于貝氏體生成過程中體積膨脹得不到吸收緩解，導致應力積聚，促使裂紋萌生加速[3]，容易發生脆性斷裂。

1.4　斷口掃描分析

對圖1中位置1處異常擠壓位置進行斷口分析，如圖6所示，可以看出此處存在明顯擠壓磕碰痕跡，圖中劃痕溝槽明顯，這是焊點處異常受力后失穩斷裂的直接原因。

圖6　異常斷口分析

對圖1中位置2處疲勞開裂位置進行分析，如圖7（a）所示，斷裂源區表面具有典型的裂紋源特征，存在一些撕裂后的白色凸起（箭頭所示），為表面撕裂粘連痕跡；斷口上有細小的晶面，是裂紋頂端發生解理斷裂時形成的解理平面，具有典型的沿晶斷裂的特點，存在河流狀花樣，解理平面的形成方向與裂紋擴展方向一致。

如圖7（b）所示，靠近裂紋源的擴展區域存在一些光亮度比較大的平滑切面（箭頭所示），這是因為在整個裂紋擴展過程中，此區域的擴展速率最低，疲勞循環次數最多，斷面不斷摩擦擠壓，形成光亮凸起的撕裂棱，撕裂棱由微區塑性變形生成，其相當于塑性材料拉伸時的縮頸。

由圖7可以看出，支架斷裂屬于失穩斷裂，其形式為脆性斷裂，幾乎看不到韌窩。

圖7　斷口掃描分析

通過以上分析，可以確認：DC01型空調管路支架開裂為沿晶脆性斷裂，其斷裂原因分為內因和外因，非設計因素的外力異常擠壓磕碰（例如維修、安裝等過程中偶然觸碰）及熔核直徑小是支架開裂的重要外因；內因主要是熱影響區組織不均勻，存在大量針狀貝氏體組織，同時夾雜相變不完全轉化的鐵素體及彌散碳化物，導致兩相組織性能差異大，位錯運動時極易導致應力集中，產生較多殘余應力，受到外力影響極易萌生裂紋[4]。

2　改進措施

針對上述支架斷裂原因，提出以下改進建議：

（1）提高點焊工藝質量，增加熔核區直徑，使其滿足≥5.3 mm要求，并且在焊后進行適當回火，消除過熱區的殘余應力；

（2）盡量減少對支架的外力異常磕碰，提高維修檢查頻率，尤其注意增加維修過程中對支架的保護措施。

依據改進建議，進行了工藝調整，更改了點焊焊接電流及電壓，使支架熔核直徑增至5.4 mm，焊接后進行低溫回火。將經過工藝改進后的一批支架裝車試驗60天，通過抽檢發現未出現斷裂問題，工藝改進方案可行有效。

3　結束語

本文采用標準的失效分析方法對DC01焊接支架斷裂問題進行系統分析，對支架生產工藝進行改進，從后續效果可知問題得到解決，這為支架的生產和維修提供一定指導，也為后續此類零件的失效問題解決提供一定的理論和方法借鑒。

[1]葉平，沈劍平，王光耀. 汽車輕量化用高強度鋼現狀及其發展趨勢[J]. 機械工程材料，2006，30（3）：4-7.

[2]徐艷麗，梅文博，高爽，等. 冷軋低碳鋼DC01與不銹鋼06Cr19Ni10電阻點焊工藝研究[J]. 焊接技術，2017，46（8）：61-64.

[3]王志苗. 雙相鋼電阻點焊接頭力學性能的研究[J]. 熱加工工藝，2014，43（1）：197-198，204.

[4]黃治軍，曾冰林，陳宇. DC01與WHT700T異種汽車用鋼高速電阻縫焊研究[J]. 武漢工程職業技術學院學報，2014，26（3）：31-33.

2022-11-18

1002-4581（2023）02-0027-03

U463.85+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.007