330CL輪輞閃光對焊接頭失效斷裂分析

供稿|王亞東，王立剛，孟慶剛

內容導讀

閃光對焊是汽車輪輞生產的主要焊接方法。330CL汽車輪轂實際生產過程中閃光對焊接頭易發生失效斷裂，增加了產品的廢品率，提高了生產成本。本文采用X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等表征方式分析330CL輪輞閃光對焊接頭失效斷裂原因。結果表明，330CL鋼的化學成分、金相組織及力學性能均符合YB/T 4151—2015標準要求；起裂位置以及裂紋延伸區域均位于靠近母材的熱影響區，而斷裂位置處較多的夾雜物以及粗大的晶粒是導致接頭失效斷裂的主要原因。

閃光對焊屬壓力焊的一種，是汽車輪輞生產的主要焊接方法之一。330CL鋼作為一種熱軋車輪鋼，廣泛應用于汽車輪輞。330CL汽車輪轂實際生產流程如圖1所示，在擴張過程中閃光對焊接頭易發生失效斷裂(圖2)，增加了產品的廢品率，提高了生產成本。有學者研究稱閃光對焊接頭的斷裂可能是由于母材強度分布不均所致，也有的學者認為可能是由于較多粗大的魏氏體降低了接頭的力學性能所致[1-3]。本文對330CL輪輞失效斷裂的接頭進行微觀金相、斷口成分以及斷口形貌分析，研究閃光對焊接頭失效斷裂的原因，并提出預防措施。

實驗材料和方法

對板厚3.0 mm的問題產品進行試樣截取，并進行化學成分及力學性能測試。

圖1 汽車輪轂生產流程圖

圖2 閃光對焊接頭端部失效開裂照片

使用Leco金相切割機對問題產品進行取樣，試樣完整保留了斷口的形貌，便于后續對斷口的觀察。斷口試樣首先經超聲波清洗后進行干燥處理，用ZEISS SUPRA55掃描電鏡觀察斷口情況并分析。同時對該試樣焊接接頭斷裂位置進行機械打磨和拋光，并且用體積分數4%硝酸酒精腐蝕4 s，使用Axioplan2 imaging金相顯微鏡對試樣組織進行觀察，判斷斷裂位置處的金相組織。

結果與討論

330CL鋼化學成分及力學性能

330CL鋼化學成分檢測結果見表1，力學性能結果見表2，均滿足YB/T 4151—2015標準中對330CL車輪用熱軋鋼板的要求。

表1 330CL鋼的化學成分(質量分數，%)

斷口掃描電鏡分析

圖3為試樣斷口處的微觀形貌。從圖中可以看到斷裂處具有明顯的微孔聚集，表明斷口是以韌性斷裂為主的斷裂形式[4]。此外，圖3(b)顯示斷口處有尖銳棱角的夾雜物的存在。夾雜物主要成分為O、Fe、Al、S、Mn等(表3)，其中O是閃光對焊過程中的金屬燒損而產生[5]，而 S、Mn是由于母材本身該元素含量較高所致。夾雜物的存在會在一定程度上弱化晶界的連接強度，在后續的擴張工藝過程中從靠近母材的熱影響區位置開始作為裂紋起始點而開裂，從而成為部件開裂的主要原因。

圖3 試樣斷口處微觀形貌：(a) 韌窩形貌；(b) 夾雜物形貌

表3 斷口處夾雜物化學成分(質量分數，%)

金相組織分析

使用Axioplan2 imaging金相顯微鏡對母材以及接頭斷裂位置處進行金相組織觀察，其中斷裂位置位于接頭中靠近母材的熱影響區。試樣的制備依據GB/T13298—2015要求來進行。圖4(a)顯示330CL母材內部組織由鐵素體及少量珠光體組成；靠近母材的熱影響區產生斷裂位置處受焊接熱循環的影響，其斷裂位置組織由粒狀貝氏體與少量魏氏體組成。

圖4 金相組織圖：(a) 母材金相組織；(b) 斷裂位置金相組織

對比發現，斷裂位置的平均晶粒尺寸明顯大于母材晶粒尺寸，粗大的晶粒尺寸會降低接頭的韌性。斷裂位置處粗大晶粒的形成與焊接接頭的過熱程度有關。在閃光對焊過程中，焊接熱輸入量越大，高溫停留時間越長，越容易產生魏氏體組織，得到的焊接接頭韌性也就越差。在后續的生產工序中，部件的殘余應力將集中于焊接接頭區域，最終在輪輞應變量較大的接頭端部發生失效斷裂。因此，閃光對焊過程導致的近母材的熱影響區晶粒組織粗大為失效斷裂發生的原因之一。

圖5顯示母材沿軋制方向的厚度中心位置存在帶狀夾雜物，這可能為殘留在鋼中的破碎Al2O3夾雜物，進一步分析表明與表3所獲得的夾雜物成分較為相似。因此，母材中殘留的破碎夾雜物也可能為斷口位置夾雜物的來源之一。

圖5 板材軋制方向心部帶狀夾雜物

結束語

采用X射線熒光光譜儀、金相顯微鏡、掃描電鏡等表征對330CL輪輞失效斷裂的斷口成分、金相、形貌進行分析，發現靠近母材的熱影響區金相晶粒的粗大、韌性降低與晶界處夾雜物的產生是閃光對焊接頭發生斷裂的主要原因。因此，在鋼板的生產工藝上嚴格控制S、O、Mn、P、Al等元素含量，可以使成材滿足產品的強度及漲型性能要求。此外，在閃光對焊工藝上，調整頂鍛速度和頂鍛量達到有效擠出焊接端面產生的復雜氧化物的目的。同時也適當減小焊接熱輸入量，防止出現粗大的魏氏體組織，保證產品的力學性能，提高產品成材率。