后副車架總成故障分析與解決

王存亮

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

在當(dāng)前能源和環(huán)保的壓力下，新能源汽車無疑將成為汽車的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車最為令人焦慮的就是充電和續(xù)航的問題，在現(xiàn)階段隨著充電設(shè)施的建設(shè)，電動(dòng)車?yán)m(xù)航成為人們首要關(guān)心的問題。為了減少能耗和增加續(xù)航，在開發(fā)中會(huì)采用大量的輕量化設(shè)計(jì)來降低車身質(zhì)量，如采用結(jié)構(gòu)輕量化、高強(qiáng)度材料、鋁合金材料、新工藝技術(shù)等，因此對(duì)設(shè)計(jì)和制造水平的要求也越來越高。

小型電動(dòng)車后懸架采用雙叉臂式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，后副車架運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)概念，采用框式焊接結(jié)構(gòu)，大量使用高強(qiáng)度薄壁鋼管和板材來降低重量。在項(xiàng)目開發(fā)過程中，該車型后副車架在試驗(yàn)和制造過程中遇到一系列的問題。以此款后副車架為例，對(duì)后副車架在開發(fā)過程中遇到的問題逐一解決。

1 故障原因分析

1.1 下擺臂后點(diǎn)支架開裂

在后副車架縱向力臺(tái)架試驗(yàn)過程中，首先出現(xiàn)了下擺臂后點(diǎn)支架焊縫開裂故障，在解決措施實(shí)施后進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，又出現(xiàn)了下擺臂后點(diǎn)支架母材開裂故障，通過分析改進(jìn)，最終焊縫和母材開裂問題均得到有效解決，故障分析及解決過程如下：

1.1.1 下擺臂后點(diǎn)支架焊縫開裂

后副車架縱向力耐久臺(tái)架試驗(yàn)要求為18 萬次循環(huán)前不出現(xiàn)裂紋，20 萬次循環(huán)前裂紋不超過20 mm。在進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)中心反饋在進(jìn)行到6.28 萬次時(shí)發(fā)生后副車架發(fā)生開裂。經(jīng)過確認(rèn)，故障為下擺臂支架與縱梁搭接焊縫開裂，裂紋位于焊縫中心長約10 mm，故障如下圖1 所示。

圖1 下擺臂支架焊縫開裂

對(duì)故障進(jìn)行原因分析：

（1）首先對(duì)故障件進(jìn)行分析。檢查故障件焊縫外觀未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，焊縫長度及寬度符合技術(shù)要求，故障件各尺寸經(jīng)檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)不合。通過剖切焊縫，對(duì)焊縫的熔深、焊腳長度、焊縫厚度及搭接間隙進(jìn)行測(cè)量。最終測(cè)得焊縫熔深和焊腳長度合格，而搭接間隙和焊縫厚度不符合要求，搭接間隙為2 mm（要求搭接間隙≤1.2 mm），焊縫厚度為0.9 mm（要求焊縫厚度≥1.26 mm）。

（2）對(duì)制造過程進(jìn)行調(diào)查分析。通過檢查焊接工裝，定位及夾緊機(jī)構(gòu)功能均正常。然后對(duì)下擺臂支架進(jìn)行尺寸檢測(cè)，所檢測(cè)的零件也均符合檢具要求。將支架和縱臂在工裝上裝夾后，測(cè)量搭接間隙為2 mm，與故障件狀態(tài)吻合。

綜上分析，故障的原因?yàn)椋褐Ъ艽罱舆叧叽绮粷M足焊縫搭接要求，與縱梁搭接間隙過大，使焊縫厚度偏小，造成焊縫強(qiáng)度不足，在試驗(yàn)過程中發(fā)生開裂。

1.1.2 下擺臂后點(diǎn)支架本體開裂

在解決下擺臂支架焊縫開裂問題臺(tái)架驗(yàn)證階段，下擺臂支架本體出現(xiàn)一條沿焊縫方向的裂紋。本次故障模式為在支架內(nèi)外側(cè)焊縫交接處的熱影響區(qū)萌生裂紋，裂紋在深度方向向支架本體擴(kuò)展，如圖2 所示。

圖2 下擺臂支架母材裂紋

通過檢查故障件焊縫外觀和尺寸，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的項(xiàng)目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。然后對(duì)支架尺寸、材料的材質(zhì)和金相進(jìn)行檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)異常。最后進(jìn)行CAE 受力分析，臺(tái)架工況下零件應(yīng)力是低于材料屈服強(qiáng)度，零件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。焊縫開裂處于支架內(nèi)外焊縫對(duì)接熱影響區(qū)，其它單側(cè)焊接位置未發(fā)生開裂。開裂處經(jīng)過兩次焊接輸入的熱量比單側(cè)焊接熱量要大。焊接熱量過大，組織晶粒長大，材料抗疲勞性能降低[2-3]。

經(jīng)過上述分析，本次故障與焊接熱量過大有關(guān)。為了驗(yàn)證原因分析的正確性，制定了4 組參數(shù)來降低焊接熱量（表1）。

表1 焊接參數(shù)驗(yàn)證表

通過對(duì)表1 的4 組參數(shù)樣件的對(duì)比，方案四焊接線能量最低，焊接速度快，且焊縫熔深、焊腳和焊厚尺寸也都符合技術(shù)要求。為此，采用方案四進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。將該方案四樣件搭載臺(tái)架，試驗(yàn)順利完成。進(jìn)一步加大樣本量臺(tái)架試驗(yàn)也都順利完成，問題未再發(fā)生。

通過上述分析和驗(yàn)證，本次問題的原因?yàn)椋汉附訁?shù)不適宜，焊接熱量過大，導(dǎo)致材料抗疲勞性能降低，發(fā)生開裂。

1.2 下擺臂前點(diǎn)支架開裂

前橫梁采用U 型上板和單片下板拼焊結(jié)構(gòu)，兩側(cè)U 型端頭為下擺臂前點(diǎn)安裝支架。在臺(tái)架試驗(yàn)過程中U 型口處橫梁本體出現(xiàn)開裂情況，開裂位置在上下板拼接焊縫端頭位置，如圖3 所示。

圖3 下擺臂前點(diǎn)支架開裂

原因分析如下：

（1）對(duì)故障件進(jìn)行分析。檢測(cè)故障件焊縫外觀、尺寸，發(fā)現(xiàn)橫梁端頭焊縫長度不合要求，圖紙要求焊縫長為25 mm，實(shí)際故障件焊縫長為21 mm。測(cè)量未焊接到的位置間隙為2 mm，間隙不合（工藝要求間隙≤1.2 mm）。然后通過剖切焊縫，測(cè)量熔深、焊腳及焊厚尺寸，所測(cè)得尺寸均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)制造過程進(jìn)行分析。檢測(cè)上下板尺寸，均符合檢具。對(duì)焊接工裝和零件搭接狀態(tài)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)橫梁U 型口工裝限位塊寬度比橫梁開口尺寸大1.6 mm，會(huì)導(dǎo)致裝夾時(shí)橫梁開口被撐開，造成橫梁開口處搭接間隙不合格，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與故障模式吻合。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)在調(diào)試過程中為了解決U 型支架開口尺寸焊接后縮小變形將限位塊尺寸做了調(diào)整，但下板未重新匹配導(dǎo)致搭接后間隙變大。對(duì)機(jī)器人焊道軌跡進(jìn)行確認(rèn)，焊槍軌跡未完全運(yùn)行到端頭就停止了，與工藝部確認(rèn)，由于U 型口限位塊調(diào)整后搭接端頭間隙變大，為防止發(fā)生焊接缺陷，將焊縫長度進(jìn)行了縮短。

綜上分析，問題的原因?yàn)椋赫{(diào)整焊接變形后，下板切邊尺寸未重新匹配，造成搭接間隙變大；為了防止端頭間隙大產(chǎn)生焊接缺陷，工藝將焊接軌跡進(jìn)行了縮短。

1.3 后輪外傾角不合

后副車架模塊部裝線前束外傾角檢測(cè)工位反饋部裝模塊總成外傾角度超差問題。該副車架部裝模塊的前束角可以通過調(diào)節(jié)橫拉桿進(jìn)行調(diào)整，外傾角無法調(diào)整。

接到反饋后，課題組立即對(duì)問題進(jìn)行分析：

（1）首先選取模塊總成不合格件與合格件，對(duì)影響外傾的各個(gè)部件逐一進(jìn)行互換。通過互換驗(yàn)證，外傾不合故障模式隨后副車架互換發(fā)生轉(zhuǎn)移。

（2）對(duì)不合格模塊總成的后副車架進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)后副車架下擺臂支架孔位置度不符合檢具要求，下擺臂孔位置度不合格。由于擺臂孔在焊接時(shí)是由工裝進(jìn)行定位，需要對(duì)定位工裝進(jìn)行檢查。

（3）對(duì)焊接工裝進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)下擺臂支架兩側(cè)定位銷存在松動(dòng)且磨損嚴(yán)重，支架裝夾后存在晃動(dòng)，無法準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致焊接后支架孔位出現(xiàn)不合。

通過上述調(diào)查分析，問題的原因?yàn)椋汉蟾避嚰芟聰[臂支架定位銷松動(dòng)和磨損，導(dǎo)致支架孔位發(fā)生不合。

1.4 上擺臂后點(diǎn)支架開裂

后副車架模塊部裝線上擺臂安裝工位員工反饋：在打緊上臂與后副車架連接螺栓時(shí)，擺臂支架與縱梁焊接處發(fā)生開裂現(xiàn)象，擰緊設(shè)備檢測(cè)到擰緊扭矩異常啟動(dòng)報(bào)警。于是對(duì)故障進(jìn)行原因分析：

（1）檢查故障件外觀，上臂支架與縱臂焊接的焊縫端頭存在焊偏。用檢具檢測(cè)故障件，發(fā)現(xiàn)上擺臂支架兩側(cè)面與中間檢測(cè)塊距離差異較大，上擺臂支架位置不合格，且上擺臂支架開口呈喇叭口。對(duì)故障件進(jìn)行剖切，焊縫位置偏，支架側(cè)熔深不合。

（2）對(duì)制造過程進(jìn)行分析。檢查支架定位工裝，無松動(dòng)。對(duì)支架進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)開口呈喇叭口且整體位置偏。檢查焊接軌跡，焊縫從縱臂上起弧后在運(yùn)行到搭接位置時(shí)偏向縱臂側(cè)。對(duì)焊接出來的零件檢測(cè)，支架整體位置存在向前偏。

綜上，出現(xiàn)問題的原因?yàn)椋汉缚p起弧軌跡偏、上擺臂支架定位工裝位置不合、支架開口兩側(cè)平行度不合呈喇叭狀，造成端頭焊縫偏承載能力減小，發(fā)生開裂。

1.5 前橫梁與下縱梁搭接處燒穿

下縱梁與橫梁前后板拼焊時(shí)，橫梁前板與縱梁搭接位置容易發(fā)生燒穿。通過對(duì)燒穿故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)故障主要發(fā)生在搭接處的同一位置。

經(jīng)對(duì)問題的調(diào)查收集，對(duì)原因做分析：

（1）對(duì)故障件分析，開裂位置位于縱梁扁平面與圓柱面過渡處，該處縱梁與橫梁搭接間隙2.5 mm，不滿足焊接要求。搭接間隙大，而橫梁板材較薄，造成在焊接過程中熔化的材料不足以填補(bǔ)間隙，從而發(fā)生板材被燒穿的故障。由于縱梁在橫梁內(nèi)側(cè)的位置有一個(gè)沖壓的平面，若該處橫梁補(bǔ)料則會(huì)造成縱梁無法穿過橫梁，零件無法裝夾，所以需要將縱梁沖壓平面與圓柱面過渡位置進(jìn)行漲形來減小間隙。

（2）對(duì)縱梁工藝過程進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沖壓模具的下模在型面過渡處采用斜面設(shè)計(jì)，使的零件在搭接時(shí)該出間隙較大。

經(jīng)過分析，本次問題原因?yàn)椋嚎v梁過渡面采用斜面設(shè)計(jì)，造成縱梁過渡面過低，與橫梁搭接后間隙過大。

1.6 電機(jī)控制器支架平面度不符合要求

在后副車架模塊部裝過程中，現(xiàn)場(chǎng)反饋在裝配電機(jī)控制器時(shí)，打緊固定螺栓后電機(jī)控制器固定支座發(fā)生開裂。檢查發(fā)現(xiàn)是控制器固定支座面與后副車架上安裝支架面不貼合，螺栓打緊時(shí)，固定支座受壓緊力變形開裂。針對(duì)配合面不貼合問題展開分析：

（1）首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝面貼合的模塊總成和不貼合的模塊總成進(jìn)行互換驗(yàn)證，安裝面不貼合故障跟隨后副車架。

（2）將不貼合的后副車架上檢具檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)后副車架控制器支架平面度不合。確定為后副車架控制器支架尺寸不合導(dǎo)致問題發(fā)生。

（3）對(duì)后副車架制造過程進(jìn)行調(diào)查，在焊接控制器支架時(shí)，支架在工裝平面上通過兩個(gè)定位銷來定位，無夾緊機(jī)構(gòu)，控制器支架無法有效固定，導(dǎo)致焊接后平面超差。

綜上，問題的根本原因是：控制器支架焊接工裝缺少夾緊機(jī)構(gòu)。

2 故障分析方法及舉措

2.1 故障分析方法

通過對(duì)后副車架問題的分析，得到焊接件焊接故障分析方法。

（1）首先在熟悉弧焊焊接原理的基礎(chǔ)上，了解搭接間隙、焊接參數(shù)、焊接軌跡等對(duì)焊縫尺寸及熔深、焊接熱影響區(qū)的影響。這是弧焊焊接故障分析的基礎(chǔ)。

（2）熟悉零件尺寸和性能標(biāo)準(zhǔn)、焊接缺陷類型及判定標(biāo)準(zhǔn)、搭接間隙標(biāo)準(zhǔn)、焊縫尺寸和熔深標(biāo)準(zhǔn)可以在分析時(shí)快速確認(rèn)問題所在，為后續(xù)問題分析提供方向。

（3）排查外觀故障。對(duì)焊接故障件外觀和尺寸、焊縫外觀尺寸和缺陷進(jìn)行排查。若是多個(gè)焊合件裝配在一起不確定故障件時(shí)，首先可以通過互換、對(duì)比、控制變量等方法快速鎖定故障件，然后對(duì)故障件再進(jìn)行零件外觀和尺寸、焊縫外觀尺寸和缺陷的檢查。

（4）剖切內(nèi)部檢測(cè)。若外觀排查未發(fā)現(xiàn)故障，則需繼續(xù)對(duì)發(fā)生故障位置進(jìn)行剖切，對(duì)故障處內(nèi)部焊縫的焊腳、焊高、熔深、搭接間隙、材料金相、材料理化等進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

（5）制造過程分析。發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后需要對(duì)制造過程進(jìn)行根本原因調(diào)查，過程分析可以運(yùn)用各種工具如5M1E、7 鉆、5Why 等進(jìn)行分析，直到查到問題的根本原因。

2.2 解決措施

根據(jù)問題的原因分析結(jié)果，制定對(duì)應(yīng)的問題解決措施。

（1）下擺臂后點(diǎn)支架焊縫開裂解決措施：

一是，將支架與縱臂進(jìn)行匹配，鎖定搭接邊線尺寸，并封樣；

二是，利用封樣件，逆向?qū)χЪ芮羞吥＞哌M(jìn)行修模調(diào)整[1]，使搭接間隙滿足要求。

（2）下擺臂后點(diǎn)支架本體開裂解決措施：更改焊接工藝參數(shù)，將焊接電流180 A、電壓20 V、焊接速度60 cm/min 更改為焊接電流180 A、電壓16 V、焊接速度70 cm/min。

（3）下擺臂前點(diǎn)支架開裂解決措施：

一是，重新匹配橫梁下板與上板，鎖定下板端頭切邊線，并封樣；

二是，利用封樣件逆向?qū)ο掳迩羞吥＿M(jìn)行修模，使下板搭接間隙滿足要求；

三是，工藝重新調(diào)整焊接軌跡，將端頭焊縫長度延長，使其符合技術(shù)要求。

（4）后輪外傾角不合解決措施：

一是，更換新的定位銷并將其固定牢固，使支架定位可靠；

二是，增加定位銷檢測(cè)頻次，檢測(cè)定位銷狀態(tài)，防止后續(xù)再出現(xiàn)類似問題。

（5）上擺臂后點(diǎn)支架開裂解決措施：

一是，對(duì)支架定位工裝位置進(jìn)行調(diào)整，使上擺臂支架兩側(cè)面與中間檢測(cè)塊距離一致；

二是，對(duì)焊接程序進(jìn)行修改，調(diào)整焊縫軌跡使端頭無焊偏；

三是，對(duì)上擺臂支架成型模具進(jìn)行修模，調(diào)整上擺臂支架兩側(cè)面的平行度。

（6）前橫梁與下縱梁搭接處燒穿解決措施：將下模斜面修改為凸起的圓弧型面，使縱梁過渡處凸起減小搭接間隙。

（7）電機(jī)控制器支架平面度不合解決措施：在定位工裝處增加壓緊機(jī)構(gòu)，使控制器支架壓緊無松動(dòng)后，再與后橫梁進(jìn)行搭接。

3 結(jié)語

在后副車架開發(fā)過程中，通過解決出現(xiàn)的一系列問題，為焊接質(zhì)量保證和問題解決總結(jié)出如下結(jié)論：

（1）焊接搭接間隙對(duì)焊縫質(zhì)量至關(guān)重要，是焊接質(zhì)量保障的前提，必須要嚴(yán)格控制零件的搭接間隙，以保證間隙滿足工藝要求。

（2）零件搭接尺寸是影響搭接間隙的重要因素，可以通過匹配方式鎖定搭接尺寸，逆向確定模具狀態(tài)及零件尺寸控制范圍；

（3）焊接工裝是影響搭接間隙和零件焊接尺寸的重要因素，需要通過焊接調(diào)整來確定其最終狀態(tài)；

（4）焊接參數(shù)對(duì)焊縫的熱影響區(qū)影響很大，在滿足焊縫熔深及尺寸的情況下，可通過選擇焊接線能量低的焊接參數(shù)，來降低對(duì)熱影響區(qū)的影響。

（5）在問題解決過程中首先要確認(rèn)失效的根本原因，才能采取對(duì)應(yīng)有效解決措施。