汽車付加軸斷裂的失效分析

摘要：付加軸在汽車運行過程中發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在付加軸與彈簧支架的焊接部位。焊縫結(jié)合區(qū)的金相組織為淬火馬氏體，局部焊接區(qū)域內(nèi)存在未熔合和夾渣缺陷，這些是導(dǎo)致付加軸斷裂的根本原因。

關(guān)鍵詞：付加軸；斷裂；淬火馬氏體；未熔合；夾渣

中圖分類號：U456.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0063-04

Racture Failure Analysis of Automobile Additional Shaft

WANG Kang-xi1，LI Xiao2

（1.Shiyan Kang Xi city industry and Trade Company，Shiyan 442004，China；

2.Dongfeng Motor Corporation，Shiyan 442002，China）

Abstract: The automobile additional shaft was breakdown in the running process.The fracture occurred in the welding location between the spring bracket and additional shaft.The reason caused the fracture was that there were quenched martensite，solid inclusion and incomplete fusion defects in the welding location.

Key words: additional shaft；crack；the quenched martensite；incomplete fusion；slag

2010年12月至2011年2月的三個月內(nèi)，某型號汽車在山東地區(qū)行駛時發(fā)生了六起付加軸斷裂事件。付加軸的斷裂部位主要發(fā)生在靠近彈簧支架的端面，那里是付加軸與彈簧支架的焊縫焊接處。發(fā)生付加軸斷裂事件的六輛汽車中，汽車行駛的累計里程短則有4 500 km，長則3萬多公里。

付加軸的材質(zhì)是40 Cr，它是由鋼管（規(guī)格是?椎102mm×16mm）經(jīng)加熱彎曲成型后，再進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)，要求表面硬度HB241-285。然后把彈簧支架套在付加軸上，經(jīng)焊接后固定在付加軸上。彈簧支架的材質(zhì)為ZG35鋼（原圖紙材質(zhì)牌號標(biāo)為ZG35，現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定牌號已改為ZG270-500）焊接方式采用的是CO2氣體保護(hù)焊，焊絲的牌號是ER50-6，直徑1.2 mm。

1 宏觀檢查

付加軸斷裂的斷口面接近于彈簧支架的端面，深入端面約3～8 mm，見圖1。在付加軸的整個斷口面上沒有看到疲勞斷裂常見的細(xì)瓷狀擴展區(qū)，也沒見到貝殼狀的疲勞條紋，只在斷口面的上部見到放射的線狀條紋。如圖1所示整個斷口面不平坦，除部分區(qū)域有油跡和曾經(jīng)浸過水的銹跡外，斷口面呈現(xiàn)出金屬光澤。付加軸的斷裂都發(fā)生在冬季，氣候比較寒冷，可能氣溫對鋼材的韌塑性會有一定影響。當(dāng)汽車行駛時付加軸在較大的外應(yīng)力作用下，就會在某些有缺陷部位造成應(yīng)力集中，使整個付加軸端面瞬時斷裂。而靠近彈簧支架的端面正好起到了付加軸折斷時的支點作用。

在放射狀條紋的源點、付加軸與彈簧支架的焊接焊縫處，觀察到有裂縫存在，對這個部位的焊縫處做了金相檢驗。在切取樣品時，右焊縫的金屬與付加軸自然分離，說明它們沒有很好地熔合在一起。

2 材質(zhì)的化學(xué)成分

分別對付加軸、彈簧支架和焊絲的材質(zhì)做了化學(xué)成分的檢查，其結(jié)果見表1、表2、表3。

3 金相檢驗

在金相試樣的不同部位，作了金相檢查（見圖2）。

（1）焊縫與付加軸結(jié)合區(qū)的金相組織是：淬火馬氏體+少量屈氏體（見圖3）。

（2）焊縫與彈簧支架結(jié)合區(qū)的金相組織如圖4所示，在圖左上部的彈簧支架為淬火馬氏體+屈氏體+極少量細(xì)條狀鐵素體，右下部為焊縫組織。

（3）右側(cè)的焊縫結(jié)合區(qū)內(nèi)（焊縫與付加軸之間）存在假焊現(xiàn)象，即未熔合（見圖5），沿軸向焊接的未熔合長度達(dá)52 mm。

（4）在左側(cè)焊縫的結(jié)合區(qū)內(nèi)（焊縫與彈簧支架之間）發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫內(nèi)有較多的夾渣物（見圖6）。

（5）付加軸基體內(nèi)的金相組織：回火索氏體+托氏體+極少量的細(xì)條狀鐵素體，按GB/T13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評級，為4級。實測硬度HB278。

（6）彈簧支架基體內(nèi)的金相組織：片狀珠光體+塊狀鐵素體，粒晶度7級。

（7）焊縫內(nèi)的金相組織：細(xì)密的索氏體+細(xì)小斷續(xù)網(wǎng)狀鐵素體。晶粒呈柱狀結(jié)晶。

4 檢驗結(jié)果

4.1化學(xué)成分

（1） 付加軸材質(zhì)40Cr的化學(xué)成分符合GB/T8162-2008《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》所推薦的GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 彈簧支架的材質(zhì)ZG35的化學(xué)成分符合GB/T11352-2009《一般工程用鑄造碳鋼件》的國家標(biāo)準(zhǔn)。但其中的C、Mn的含量均偏上限。

（3）焊絲ER50-6的化學(xué)成分符合GB/T8110-2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低碳合金鋼焊絲》的國家標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 金相檢驗

付加軸熱處理調(diào)質(zhì)后的金相組織符合圖紙上規(guī)定的技術(shù)要求，即要求基體內(nèi)部的金相組織按GB/T13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評級，1~4級為合格。硬度也符合要求。

彈簧支架為鑄件，從金相組織上看是經(jīng)過了熱處理正火，金相組織良好，為片狀珠光體+塊狀鐵素體，細(xì)粒晶。

焊縫內(nèi)的金相組織屬正常的焊后組織。

在焊縫與付加軸、焊縫與彈簧支架的結(jié)合區(qū)內(nèi)都出現(xiàn)了淬火馬氏體。部分區(qū)域有未熔合和夾渣的焊接缺陷。它們都會成為付加軸斷裂的疲勞裂紋源。

5 分析與結(jié)論

綜合以上的檢驗認(rèn)為：造成汽車行駛時發(fā)生付加軸斷裂的主要原因是焊接質(zhì)量存在問題。

5.1 焊縫中夾渣會成為疲勞斷裂的裂紋源

（1）在焊接前付加軸和彈簧支架的表面有雜物（銹跡、油污等），如果焊接表面清理不干凈，在焊接過程中就會形成夾雜物。夾雜物存在于焊縫中，使金屬基體無法保持有效的連貫性，極易在汽車行駛過程中形成應(yīng)力集中。

（2）焊縫的坡口要有利于夾雜物的排出。通過對實物的觀察和圖2示意圖所示，由付加軸表面不干凈的雜物在焊接過程中所產(chǎn)生的夾渣，易于上浮，能排出金屬熔池。而彈簧支架上的雜物因金屬面的傾斜，就不易上浮排出金屬熔池，極易形成夾渣。

（3）由于是CO2氣體保護(hù)焊，因此在焊接的過程中，焊絲只有直線行走，無法對熔化了的金屬液體進(jìn)行攪動，不利于金屬熔池內(nèi)夾渣的排出。而我們常見的手工電弧焊，可以邊焊接邊用焊條攪動焊縫熔池，這樣就比較有助于金屬熔池內(nèi)夾渣的排出。

（4）過分地追求焊接速度，使金屬熔池中的夾雜物沒有充分的時間排出到金屬表面，就會在焊縫中形成夾渣。

5.2 焊縫中的未熔合會造成材料的應(yīng)力集中

未熔合在焊接的過程中是絕不允許出現(xiàn)的缺陷，它在焊縫中是呈兩維空間的面缺陷。零件在使用過程中，在未熔合的端部極易形成應(yīng)力集中。未熔合的形成往往是由于沒有按照焊接工藝評定所規(guī)定的工藝參數(shù)進(jìn)行操作所致，使兩個需要焊接的金屬面未能充分有效地熔合在一起，形成了假焊接。它不僅破壞了金屬基體的連貫性，而且也成了工件服役時的應(yīng)力集中點，成為付加軸斷裂的裂紋源。這是導(dǎo)致付加軸在汽車行駛過程中斷裂的根本原因。

5.3 性能硬而脆的淬火馬氏體成為裂紋的擴展區(qū)

被焊接的彈簧支架的金屬材質(zhì)是ZG35，付加軸材質(zhì)是40Cr，它們本是中碳、中碳低合金鋼。由于它們的含碳量都比低碳、低碳低合金鋼的含碳量高，淬硬性能和淬透性能也比較強，因此它們的焊接性能比較差，不適易作焊接材料。40Cr中的C能提高鋼的淬硬性，Cr能起到增加鋼的淬透性作用；ZG35鋼中的含C量、含Mn量都偏高時，均會增加鋼的淬透性和淬硬性，使材質(zhì)的焊接性能變得更差。淬火馬氏體是金屬在焊接后冷卻的過程中形成的。由于金屬的導(dǎo)熱能力極強，成為了極佳的快速冷卻介質(zhì)，使焊接后的熔池在凝結(jié)成固體金屬后仍能以極快的速度冷卻，形成了淬火馬氏體。淬火馬氏體的性能硬而脆，它是一個不穩(wěn)定的金相組織。它未經(jīng)過回火，存在著較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)汽車在行駛過程中未熔合逐漸擴大，形成了裂紋。裂紋在淬火馬氏體內(nèi)得到了充分的發(fā)展，最后導(dǎo)致了付加軸的斷裂。正因為淬火馬氏體具有組織不穩(wěn)定性、內(nèi)應(yīng)力大、性能又脆又硬等缺點，因此它本身就是個隱患，在外應(yīng)力的作用下極易開裂，也是個潛在的疲勞裂紋源。

6 技術(shù)改進(jìn)

從付加軸斷口的形態(tài)以及斷裂時的新斷口的面積來看，付加軸在實際的使用中，所受到的外應(yīng)力還是很大的。在付加軸的材質(zhì)為40Cr、彈簧支架的材質(zhì)為ZG35被確定后，根據(jù)以上的分析，為防止付加軸在汽車行駛過程中再次發(fā)生斷裂，可以從兩個方面改進(jìn)焊接工藝。

6.1 提高焊接質(zhì)量

（1）由于是CO2氣體保護(hù)焊，基本上可以排除在焊接時外來氣體和雜物對焊縫質(zhì)量的影響。因此在焊接前，被焊接的金屬面一定要清理干凈，使它們不能沾有油污、銹跡和其它雜物，避免這些雜物在焊接過程中熔入金屬液體，在焊接后的焊縫中產(chǎn)生夾渣。

（2）對焊縫的坡口需要進(jìn)行合理的設(shè)計，盡量避免彈簧支架的金屬面對熔池的遮擋，這樣有利于熔化在金屬液體中的夾渣上浮排出。坡口設(shè)計成敞開式，使夾渣在焊接的過程中上浮不受阻擋，那樣冷卻后的夾渣就全部覆蓋在焊縫的金屬表面上，保證了焊縫內(nèi)部的質(zhì)量同時，也便于表面夾渣的清除。

（3）認(rèn)真地做好焊接工藝評定工作，在焊接過程中必須嚴(yán)格地按照焊接工藝評定中所制定的工藝參數(shù)正確地執(zhí)行操作。不要過分地追求速度和產(chǎn)量，使被焊接的兩個金屬體能得到充分的熔合，以免出現(xiàn)未熔合。

6.2 防治淬火馬氏體

選用中碳鋼、中碳低合金鋼雖然在強度上能夠滿足零件使用的要求，但其焊接性能比較差，在以后的焊接過程中難免不產(chǎn)生淬火馬氏體。為了防止淬火馬氏體對付加軸帶來的不利影響，可以采取兩種方法：

（1）防止法，即焊接前對需要焊接的金屬部位進(jìn)行預(yù)熱，防止焊接后冷卻速度過快而形成淬火馬氏體。尤其是在冬季，氣候比較寒冷時，這一點顯得更為重要。

（2）消除法，即焊接后對焊縫進(jìn)行再次加熱，對已形成的淬火馬氏體實行回火處理，消除內(nèi)應(yīng)力，降低焊縫的硬度和脆性。

現(xiàn)今調(diào)整付加軸的焊接工藝、防治淬火馬氏體的攻關(guān)工作正在進(jìn)行中，最后的結(jié)果要以臺架試驗為準(zhǔn)。