摘 要:某公司生產(chǎn)的電動后橋殼在臺架試驗及路試過程中多次出現(xiàn)斷裂,且斷裂均發(fā)生于包 殼與套管的環(huán)焊縫處。采用宏觀觀察、掃描電鏡分析、化學成分分析、金相檢驗、焊縫熔深測試、有 限元仿真分析等方法,對該電動后橋殼斷裂的原因進行分析。結(jié)果表明:后橋殼包殼與套管的內(nèi)徑 不一致,拼裝后襯套臺階與包殼間存在間隙,導致包殼無法被完全焊透,在端面形成了尖角,尖角處 產(chǎn)生的應力集中是導致后橋殼斷裂的主要原因。建議優(yōu)化設(shè)計方案,將包殼與套管間內(nèi)錯邊的設(shè) 計更改為外錯邊,取消襯套臺階并減小襯套開口,消除斷面尖角,防止應力集中。

關(guān)鍵詞:電動后橋殼;斷裂;應力集中;疲勞裂紋;焊接質(zhì)量

中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0075-04

隨著電動汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,各傳統(tǒng)汽車零 部件企業(yè)也越來越關(guān)注新能源領(lǐng)域,并積極布局相 關(guān)零部件配套產(chǎn)業(yè)。電動汽車驅(qū)動后橋殼作為汽車 的重要零部件,一方面要采用輕量化的設(shè)計以適應 汽車電動化的需求,另一方面需要確保汽車在多種 工況下經(jīng)受住嚴峻的強度考驗。電動汽車驅(qū)動后橋 殼設(shè)計的合理性以及工作時的可靠性直接關(guān)系到汽 車的行駛安全[1]。某汽車零部件公司生產(chǎn)的電動后 橋殼在路試行駛約 2300km 后發(fā)生斷裂[見圖 1a)]。在4次實驗室臺架疲勞試驗中,當試驗進行 至30萬次~40萬次時,后橋殼均發(fā)生斷裂,且斷裂 位置均為包殼與套管的環(huán)焊縫處 [見圖1b)]。

該電動后橋采用三段插管式設(shè)計,套管與包殼 間通過環(huán)焊連接。為了防止焊接過程中鐵水漏入橋 殼內(nèi)部,套管與包殼之間通過襯套連接。因為包殼 與套管的內(nèi)徑不一致,兩者間存在內(nèi)錯邊,所以襯套采用臺階變徑設(shè)計。襯套外徑大于包殼和套管的內(nèi) 徑,襯套上有長度為6mm的開口,要求在壓裝后該 開口長度小于3mm。筆者對斷裂電動后橋殼進行 一系列理化檢驗,分析了后橋殼斷裂的原因,并提出 了相應的改進建議,以避免該類事故再次發(fā)生。

1 有限元仿真分析

采用有限元仿真分析的方法,對包殼與套管 的環(huán)焊縫處進行疲勞分析,當加載力為滿載工況 的2.5倍時,焊縫開裂位置的疲勞循環(huán)次數(shù)大于 百萬次,發(fā)生疲勞斷裂的位置為彈簧座焊縫(見圖 2)。因此,在正常情況下,后橋殼不會在環(huán)焊縫處 發(fā)生斷裂。

表1為不同熔深下包殼與套管環(huán)焊縫處的應力 分析結(jié)果,可見當焊縫熔深達到設(shè)計標準要求的 90%板厚時,2.5倍滿載工況下焊縫處最大應力為 208MPa,焊縫疲勞后備系數(shù)為1.18;當焊縫熔深達到設(shè)計標準要求的100%板厚,且與襯套完全焊成 一體時,2.5 倍 滿 載 工 況 下 焊 縫 處 最 大 應 力 為 100MPa,焊縫疲勞后備系數(shù)為2.46?？梢钥闯?當 焊縫熔深達到設(shè)計要求的90%板厚時,理論上能滿 足極限工況的要求。當焊縫處有焊接缺陷或焊縫熔 深不達標的情況時,會在焊縫處出現(xiàn)較大的應力集 中,因此,在2.5倍滿載工況下,后橋殼仍存在早期 疲勞斷裂的風險[2-3]。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

后橋殼斷口的宏觀形貌如圖3所示,可見斷裂 位于包殼與套管環(huán)焊縫處,且靠包殼一側(cè),斷裂部位 外表面未見明顯的損傷或缺陷;斷面靠包殼內(nèi)側(cè)有 數(shù)個光滑、光亮區(qū)域,初步判斷為疲勞擴展區(qū),面積 約占斷口截面的1/7;其余斷面呈粗糙纖維狀,為瞬 間斷裂區(qū);斷口沿著裂紋源向外擴展,最終發(fā)生 斷裂。

2.2 掃描電鏡(SEM)分析

將后橋殼斷口經(jīng)超聲清洗后,使用SEM 進行 觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:斷口有多個裂 紋源,均位于斷口界面內(nèi)側(cè);起裂源區(qū)為解理形貌, 并且有少量擠壓變形小平臺,呈典型疲勞斷裂特征, 解理形貌呈大應力條件下的穿晶斷裂特征;疲勞區(qū) 為解理與韌窩形貌交替出現(xiàn),且解理區(qū)大于韌窩區(qū); 最后斷裂區(qū)域為韌窩+撕裂形貌。說明后橋殼在斷 裂時,焊縫部位受到了較大的應力,發(fā)生了低周疲勞 斷裂。

2.3 化學成分分析

對斷裂后橋殼的套管和包殼進行化學成分分 析,結(jié)果如表2所示。可見套管和包殼的化學成分 符合 GB/T699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》和 Q/ BQB310—2019《汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶》 的要求。

2.4 金相檢驗

在后橋殼斷口垂直于焊縫處取樣,經(jīng)研磨、拋光 后,用4%(體積分數(shù))的硝酸乙醇溶液腐蝕,然后用 光學顯微鏡觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:裂紋多始于未焊透的包殼斷面與焊縫形成的尖角處, 沿焊縫融合線向內(nèi)擴展,并衍生出次級裂紋;套管基 體及包殼基體的顯微組織為均勻鐵素體+珠光體, 呈帶狀分布;焊縫組織為柱狀晶組織,熱影響區(qū)為珠 光體+鐵素體+粒狀貝氏體混合組織,部分焊縫區(qū) 魏氏組織達到4級,熱影響區(qū)魏氏組織達到3級,不 符合技術(shù)要求(焊縫區(qū)魏氏組織不大于3級,熱影響 區(qū)魏氏組織不大于2級)[4]。

2.5 焊縫熔深測試

由有限元仿真分析結(jié)果可知,焊縫熔深對包殼與 套管處環(huán)焊縫的疲勞后備系數(shù)有直接影響。產(chǎn)品技 術(shù)要求:焊縫熔深達到90%板厚(不小于2.7mm),焊 縫寬度為12~15mm,焊縫偏移量小于1mm。

表3為斷裂后橋殼焊縫熔深的測試結(jié)果,可見焊 縫寬度的合格率達到了93.75%,焊縫偏移量的合格 率為81.25%,套管側(cè)焊縫熔深的合格率為90.63%, 但包殼側(cè)焊縫熔深的合格率僅為56.25%。焊縫偏移 量合格率偏低的主要原因為,部分套管與包殼的拼裝 間隙大于技術(shù)要求,導致部分環(huán)焊縫存在焊偏的情 況。包殼側(cè)焊縫熔深的合格率低的原因為,套管與包 殼間的軸向間隙較大,且襯套開口過大,為了避免鐵 水和焊渣進入后橋殼,選擇了拉焊焊接,導致部分區(qū) 域的包殼端面無法被焊透,并形成了尖角。

3 綜合分析

由上述分析結(jié)果可知,套管和包殼的化學成分 滿足相關(guān)標準要求。由有限元仿真分析可知,易發(fā) 生疲勞斷裂的危險位置為彈簧座焊縫,而開裂焊縫 處不易發(fā)生斷裂,但該區(qū)域的焊縫熔深將對后橋殼 可承受的應力大小有重要影響,該區(qū)域在極限工況 下依然存在早期疲勞斷裂的風險。

由斷口分析及焊縫熔深測試結(jié)果可知,后橋殼 斷裂與包殼和套管處環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量有直接關(guān) 系,疲勞裂紋起源于環(huán)焊時形成的尖角。受襯套結(jié) 構(gòu)、拼裝間隙以及焊接工藝等因素的影響,包殼和套 管間存在軸向間隙,且襯套開口過大,為了避免鐵水 和焊渣進入后橋殼,選擇了拉焊焊接,該方法無法完 全焊透包殼端面,導致包殼端面與焊縫熔池間形成 尖角,并在尖角處產(chǎn)生應力集中,最終使后橋殼發(fā)生 斷裂。此外,焊縫質(zhì)量控制不穩(wěn)定、焊縫熱影響區(qū)魏氏組織超標、焊縫熔深合格率低且一致性差等問題 也是造成后橋殼斷裂的原因[5]。

未被焊透的包殼端面尖角處形成了較大應力集 中,疲勞裂紋在尖角處形成,沿著焊縫融合線向內(nèi)擴 展,主裂紋衍生出次級裂紋,并向焊縫內(nèi)部方向發(fā) 展[6]。隨著裂紋的不斷擴展,焊縫區(qū)域可承受的應 力不斷減小,當承載極限小于所受到的應力時,后橋 殼在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

后橋殼的包殼和套管間環(huán)焊縫處產(chǎn)生了應力集 中,焊縫質(zhì)量控制不穩(wěn)定、焊縫熱影響區(qū)魏氏組織超 標、焊縫熔深合格率低且一致性差,最終導致后橋殼 發(fā)生斷裂。

4.2 建議

(1)更改包殼與套管間的錯邊結(jié)構(gòu),將兩者間 的內(nèi)錯邊設(shè)計改為外錯邊,并取消襯套臺階。將焊 縫熔深提高至設(shè)計標準要求的100%板厚,并確保 襯套不被焊穿。

(2)壓裝后,確保襯套開口長度小于2mm。將 套管與包殼間的拼裝間隙由2~3mm調(diào)整至1.5~ 2.5mm。將襯套開口方向調(diào)整至上殼側(cè),并與接口 法蘭面縱焊縫夾角呈45°。

(3)優(yōu)化焊接工藝,將焊接電流由200~205A 調(diào)整至210~230A,焊接速率由20s/圈調(diào)整至 22s/圈,起弧點由下殼側(cè)調(diào)整至上殼側(cè),與后蓋面 縱焊縫夾角呈30°。

參考文獻:

[1] 徐明琦,王學雙,李易航,等.商用車車橋疲勞斷裂失 效原因分析[J].汽車工藝與材料,2020(12):29-31.

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[5] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防 工業(yè)出版社,2004.

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:75-78)>