汽車車身螺栓套斷裂失效分析與改進

中圖分類號：U463.89 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250109

Abstract：Based on theanalysis of the fracture surfaceand energy spectrum of the fractured bolt sleeve in the roadtest，itisdeterminedthat thefracture failuremodeisdelayedcracking.Furthermore，from theaspectsof metallgraphyandhardnessitisfound thatimproper weldingprocess ledtotheformationofmediumcarbon martensiteintheboltsleeve，and high hardness is themainreason fordelayed cracking.Theproblemof highhardness oftheboltsleeveissolved byimproving the welding technologyofthebolt sleeve.Theimprovedbolt sleeveis subjected to metalographicand hardness testing again.Themartensitecontentand hardnessof the improvedbolt sleevearereduced toareasonable range.The problem of delayed cracking of the bolt sleeve is efectivelycontrolled.

Keywords：Boltsleeve，Welding，Delayedcracking，Martensite

1前言

汽車螺栓套是懸架與車身的關鍵連接點，需滿足連接的剛度、強度、焊接性能等特殊性能。它直接關系到車輛的穩定性和乘員的舒適性，為保證連接強度，螺栓套一般與車身采用焊接方式連接。如果螺栓套出現斷裂失效與車身之間失去連接作用，輕則引起車輛異響，客戶抱怨，對車輛的品牌形象造成不良影響，重則引起車身穩定性變差，在車輛急轉彎過程中傾斜角度變大，易引起交通事故。

為保證螺栓套和車身之間的焊接性能，同時考慮螺栓套配合高強度螺栓（10.9級），因此螺栓套一般選用中碳鋼或中碳合金鋼。由于中碳鋼焊接性能較差，如果焊接工藝參數不合理，常出現冷裂紋缺欠[。當前，相關文獻多認為高強鋼焊接冷裂紋（延遲裂紋）產生機理與局部的氫聚集有關，而對其他原因的分析較少。本研究主要從工程技術角度出發，通過對某35CrMo材料的失效螺栓套進行斷口宏微觀分析，并對其金相組織、硬度、化學成分進行檢測，從而確定螺栓套斷裂失效模式和性質，對其失效機理進行深入分析，以期通過優化焊接工藝，解決螺栓套開裂問題。

2 故障背景

如圖1所示，某型號車型在整車路試可靠性試驗進行到3000圈左右（設計壽命要求5000圈）時車身發生嚴重異響抖動，現場檢查確認，車身與車架連接處用螺栓套在焊機處發生開裂，螺栓套開裂部位銹蝕較為嚴重。

圖1螺栓套外觀及斷裂位置

3試驗過程與結果

3.1螺栓套斷裂特征和宏觀斷口分析

整車路試可靠性車輛螺栓套開裂發生在車身連接焊接處，斷裂處表面沒有明顯異常和缺陷，車身經涂裝后螺栓套表面呈灰色，如圖2所示。

圖2開裂失效螺栓套形貌

螺栓套斷口附近無明顯宏觀塑性變形，斷口斷裂方向垂直于拉伸載荷方向，斷面有嚴重氧化生銹痕跡。斷面形態分為兩部分（標記為A區和B區）。A區所占面積最大，約占整個斷口的 80% ，局部可見明顯與表面涂裝色彩相似的油漆物質，如圖3。而B區所占面積最小，約占整個斷口的 20% 并未觀察到類似涂裝色彩的物質，且斷面有明顯的金屬反復擠壓形成的金屬光亮色，斷面損傷較嚴重，已失去進一步微觀形貌分析的意義。由此推斷，裂紋首先產生于A區，B區斷口是在后續車輛路試過程中在外力反復作用下形成的。

斷口經超聲波清洗后，在Stemi508體式顯微鏡下將圖3的A區中疑似油漆色彩物質放大觀察，疑似油漆層呈流淌狀分布，并伴有顆粒狀物質，疑似焊接飛濺，如圖4所示。雖然斷口氧化損傷較嚴重，但在部分區域仍然能夠觀察到暗灰色顆粒狀的粗糙斷裂面，并有明顯發亮的小刻面，為典型脆性斷裂特征，如圖5所示。

圖3斷裂失效螺栓套斷口宏觀形貌

圖4斷裂失效螺栓套斷面油漆宏觀形貌

圖5斷裂失效螺栓套宏觀脆性斷口形貌

3.2 微觀斷口和能譜分析

利用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，整個斷裂面均呈典型的沿晶冰糖狀花樣，晶粒明顯，晶面光滑，未見明顯雞爪花樣，如圖6所示。

圖6宏觀脆性區斷口微觀形貌

對斷口疑似油漆層物質區域進行能譜分

析，其成分以C為主，以Si、Ti、Ai為輔，如圖7所示，其成分符合汽車涂裝油漆成分結構[3]。上述結果表明，螺栓套在車身涂裝之前已開裂。

3.3理化檢驗

3.3.1 元素含量檢驗

失效螺栓套的元素含量檢驗結果及技術要求見表1，檢驗結果符合技術要求。

圖7斷口油漆層能譜分析結果

3.3.2 金相檢驗

垂直于斷口方向截取金相試樣，經鑲樣、磨拋、腐蝕后，其宏觀形貌如圖8所示。圖8中焊縫區金相組織呈柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內為索氏體和針狀鐵素體，呈魏氏組織，如圖9所示；焊接熱影響區，即焊縫寬度方向所有螺紋金相組織均為中等針狀馬氏體，如圖10所示；螺栓套母材金相組織為回火索氏體，如圖11所示；斷口表面可見明顯油漆覆蓋層，如圖12所示。

圖11螺栓套母材金相組織 500×

圖8斷口宏觀結構形貌

圖12斷口處金相組織 200×

3.3.3 硬度分析

螺栓套焊接接頭硬度曲線如圖13所示，硬度測量垂直熔合線的焊縫進行，硬度點對應各區域已在圖13中標明。可見，焊接熱影響區硬度在570～600HV 范圍內，結合熱影響區金相組織可知，螺栓套（ 35CrMo 在焊后冷卻較快，熱影響區形成馬氏體組織，導致該區域硬度偏高。

圖9焊縫區金相組織 100×

圖10熱影響區金相組織 500×

圖13螺栓套焊接接頭硬度曲線

4失效原因分析與討論

螺栓套通過焊接方式連接到車身上，車身整體涂裝處理 + 烘烤，如果在涂裝前開裂，則起源區域會覆蓋與涂裝油漆層相同顏色的覆蓋層。圖4所示為螺栓套斷面照片，斷裂面有明顯與表面涂裝色彩相同的覆蓋層，且伴有大量顆粒狀焊接飛濺。能譜檢測結果表明其表面覆蓋層符合汽車涂裝油漆成分結構。由此可判斷，螺栓套在涂裝前已發生開裂。

斷口檢測結果顯示，裂紋源起源于螺栓套焊接熱影響區，斷面正常以沿晶為主。

車身焊接產線反饋該螺栓套在焊接后涂裝前檢查時經常出現開裂，結合上述脆性沿晶的斷口特征可判斷該路試斷裂性質應為延遲開裂。

延遲開裂是指在一定組織狀態下及張應力作用下，金屬零件裂紋萌生、穩定擴展、失穩擴展的失效全過程，亦稱靜疲勞[4]。

工程技術上延遲開裂主要分為高強鋼延遲開裂和應力腐蝕兩大類。其中應力腐蝕是指金屬零件在一定的應力和一定的腐蝕介質作用下導致的破斷失效5，應力腐蝕屬于局部腐蝕，在開裂的斷口表面會檢測到腐蝕介質的存在，如氯元素。而失效件的斷裂面未見相關腐蝕物質，因此可以判斷：螺栓套開裂非應力腐蝕，而是高強鋼延遲開裂。

高強鋼延遲開裂涵蓋的范圍很廣，包括各種高強度螺栓、彈性元件、滲碳感應淬火件、調質件等，其中還包括一些常見的零件工藝缺陷，如淬火裂紋、磨削裂紋及焊接冷裂紋等[]。根據金相組織分析結果認為螺栓套延遲開裂主要與焊接冷裂紋有關。

高強鋼延遲開裂主要與以下3個因素有關：氫的存在和作用；足夠的拉應力，包括零部件內在的組織應力和外在的工作應力；馬氏體及其“不充分”的回火組織。其中：具有馬氏體組織的材料擁有較高的強度，是延遲開裂的必要條件；應力和氫是延遲開裂的充分條件。

依據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式9為：

式中：CE為碳當量， ω 為各元素在鋼中的質量分數。

根據螺栓套化學成分，螺栓套焊接碳當量約為 0.72% ，當碳當量 gt;0.60% 時鋼材的脆硬性高，焊接性差，焊接冷裂傾向增大[]。螺栓套焊接后在熱影響區形成中碳馬氏體，使該區域硬度較高，根據螺栓套硬度測試結果顯示，熱影響區硬度高達600HV ，遠遠超出螺栓套正常硬度范圍。依據GB/T1172一1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，其抗拉強度超過 1888MPa ，強度越高，延遲開裂敏感性越強，出現延遲開裂的概率越高。

關于應力場問題，如圖14所示，主要考慮淬火組織區域（熱影響區）受到未淬火區域（母材）的約束，各部分膨脹收縮差異較大。即淬火區域與未淬火的區域之間構成了拉應力場，在過渡區的淬火組織一側開裂。因此，該裂紋實際上也屬于淬火裂紋的一種。

圖14螺栓套焊接接頭應力場示意

氫因素可能來源于3個方面[11]：原材料制造過程、零件表面涂裝前酸洗過程、焊接過程。由于原材料來自正規的供貨渠道、涂裝酸洗工藝正常、表面油漆層完好，無腐蝕發生，且焊接現場為恒溫恒濕場所，焊接前焊絲經烘烤處理，因此引入大量的氫導致延遲開裂的因素不成立。

基于延遲斷裂各影響因素的排查結果，本次車身用螺栓套延遲開裂主要與熱影響區馬氏體組織有關，馬氏體組織的形成與其焊接工藝參數有關。

5 改進建議

針對螺栓套斷裂失效模式及原因，提出改進建議：對螺栓套進行焊前預熱、焊后緩冷，提高熱輸入量和焊接速度，控制熱影響區的脆性馬氏體含量。

通過以上優化改進，螺栓套焊接熱影響區組織細小馬氏體 + 屈氏體 + 塊狀鐵素體如圖15所示，熱影響區最高硬度為 335HV ，較改進前明顯降低，如圖16所示，說明該區域塑性和韌性提高，延遲裂紋敏感性降低。工藝改進后的螺栓套未發現延遲開裂現象。

圖15改進后熱影響區金相組織 200×

圖16改進后螺栓套焊接接頭硬度曲線

由于 35CrMo 材料為中碳合金結構鋼，焊接性較差，這是材料特性決定的，因此行業內往往采取焊前預熱、降低冷卻速度的方式來控制。通過以上驗證也充分證實了該方案的可行性。但由于汽車產業采用大規模生產方式，如果通過焊前預熱的方式降低馬氏體的含量，雖然能夠在一定程度上降低螺栓套延遲開裂的風險，但其生產周期和成本必然會上升，且對焊接工藝要求較高。因此，建議將螺栓套材料更換為焊接性較好，又能縮短生產周期和降低成本的低碳合金鋼10B21材料。

焊接性的最主要影響因素是化學元素碳，由于10B21材料含碳量僅為 0.18%～0.23% ，碳當量約為 0.3%～0.4% ，遠小于 35CrMo 材料的碳當量0 0.72% ，因此焊接性好，廣泛應用于制造高強度緊固件和焊接結構件[12]

6結束語

a.螺栓套在焊接后、涂裝前已經發生開裂，開裂失效模式為延遲性開裂，其原因主要與不當的焊接工藝使螺栓套熱影響區組織轉變為中碳馬氏體，導致硬度偏高有關，增加了延遲開裂的敏感性。

b.針對螺栓套延遲開裂的原因提出了優化焊接工藝的建議。通過優化焊接參數和工藝流程、控制熱影響區馬氏體的含量，降低硬度、螺栓套延遲開裂問題得到了有效控制。

c.從生產周期和成本方面考慮，建議將35CrMo 材料更換為10B21材料。

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