汽车付加轴断裂的失效分析

汽车付加轴断裂的失效分析／王康喜，李骁　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２５５０．２０１　１．０６．０１７　工艺－村巷ｉｌ　瓤　赫　疯　骁　王康喜　。李（１．十堰市康喜３－贸公司，十堰４４２００４；２．东风汽车公司，十堰４４２００２）　摘要：付加轴在汽车运行过程中发生断裂，断裂发生在付加轴与弹簧支架的焊接部位。焊缝结合区的金相组织为淬　火马氏体，局部焊接区域内存在未熔合和夹渣缺陷，这些是导致付加轴断裂的根本原因。　关键词：付加轴；断裂：淬火马氏体；未熔合；夹渣　中图分类号：Ｕ４５６．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１１）０６—００６３—０４　Ｒａｃｔｕｒｅ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｓｈａｆｔ　ＷＡＮＧ　Ｋａｎｇ—ｘｉ　，ＬＩ　Ｘｉａｏ　（１．Ｓｈｉｙａｎ　Ｋａｎｇ　Ｘｉ　ｃｉｔｙ　ｉｎｄｕｓｔ￣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　ｏｅｅｕ￣ｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｐｒｉｎｇ　ｂｒａｃｋｅｔ　ａｎｄ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｈａｆｔ．Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　ｑｕｅｎｃｈｅｄ　ｍａ￣ｅｎｓｉｔｅ，ｓｏｌｉｄ　ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｆｕｓｉｏｎ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｈａｆｔ；ｃｒａｃｋ；ｔｈｅ　ｑｕｅｎｃｈｅｄ　ｍａ￣ｅｎｓｉｔｅ；ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｆｕｓｉｏｎ；ｓｌａｇ　２０１０年１２月至２０１１年２月的三个月内，某型　号汽车在山东地区行驶时发生了六起付加轴断裂事　见到贝壳状的疲劳条纹，只在断口面的上部见到放　射的线状条纹。如图ｌ所示整个断口面不平坦，除部　分区域有油迹和曾经浸过水的锈迹外，断口面呈现　出金属光泽。付加轴的断裂都发生在冬季，气候比较　件。付加轴的断裂部位主要发生在靠近弹簧支架的　端面，那里是付加轴与弹簧支架的焊缝焊接处。发生　付加轴断裂事件的六辆汽车中，汽车行驶的累计里　程短则有４　５００　ｋｍ，长则３万多公里。　付加轴的材质是４０　Ｃｒ，它是由钢管（规格是　１０２ｍｍｘｌ６ｍｍ）经加热弯曲成型后，再进行热处理　寒冷，可能气温对钢材的韧塑性会有一定影响。当汽　车行驶时付加轴在较大的外应力作用下，就会在某　些有缺陷部位造成应力集中，使整个付加轴端面瞬　时断裂。而靠近弹簧支架的端面正好起到了付加轴　折断时的支点作用。　调质，要求表面硬度ＨＢ２４１—２８５。然后把弹簧支架　套在付加轴上，经焊接后固定在付加轴上。弹簧支架　的材质为ＺＧ３５钢（原图纸材质牌号标为ＺＧ３５，现　新标准规定牌号已改为ＺＧ２７０—５００）焊接方式采用　的是ＣＯ　气体保护焊，焊丝的牌号是ＥＲ５０—６，直径　１．２　ｍｍｏ　１　宏观检查　付加轴断裂的断口面接近于弹簧支架的端面，　深入端面约３～８　ｍｍ，见图ｌ。在付加轴的整个断口　面上没有看到疲劳断裂常见的细瓷状扩展区，也没　收稿日期：２０１１－０８—０９　图１付加轴断裂的断口面　・６３・　工艺－衬器ｉＩ　在放射状条纹的源点、付加轴与弹簧支架的　焊接焊缝处，观察到有裂缝存在，对这个部位的焊　汽车科技第６期２０１１年１１月　２材质的化学成分　分别对付加轴、弹簧支架和焊丝的材质做了化　缝处做了金相检验。在切取样品时，右焊缝的金属　与付加轴自然分离，说明它们没有很好地熔合在　一起。　学成分的检查，其结果见表１、表２、表３。　表１付加轴（４０Ｃｒ）　％　Ｓ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｃｕ　化学成分　Ｃ　Ｍｎ　Ｓｉ　Ｐ　国家标准　化验结果　０．３７－０．４４　０－４２　０．５０～Ｏ．８Ｏ　０．５８　Ｏ．１７～０．３７　Ｏ＿３０　≤０．０２５　０．０１９　≤０．０２５　Ｏ．０１８　０．８０～１．１０　Ｏ．８５　０３３　０．１２　表２弹簧支架（ＺＧ３５）　化学成分　国家标准　化验结果　Ｃ　≤０．４　０３８　Ｓｉ　≤Ｏ．５　０．２７　Ｍｎ　≤Ｏ．９　Ｏ．８３　Ｓ　≤０．０４　０．０２２　Ｐ　≤０．０４　０．０１６　Ｎｉ　≤０＿３　Ｃｒ　≤０＿３５　０．２４　Ｃｕ　≤０－３　Ｍｏ　≤０－２　Ｖ　≤０．Ｏ５　表３焊丝（ＥＲ５０－６）　化学成分　Ｃ　Ｍｎ　Ｓｉ　Ｐ　Ｓ　Ａｌ　％　Ｃｕ　国家标准　化验结果　０．０６～０．１５　Ｏ．Ｏ９８　１．４０～１．８５　１．６２　０．８０～１．１５　１．Ｏ７　≤０．０２５　Ｏ．Ｏ１１　≤０．０３５　０．０２０　０．５～０．９　０．７６　≤Ｏ．５　Ｏ．２２　３金相检验　在金相试样的不同部位，作了金相检查（见图　２）。　图３　４％硝酸酒精腐蚀４００ｘ　图２付加轴与弹簧支架焊接示意图　（１）焊缝与付加轴结合区的金相组织是：淬火马　氏体＋少量屈氏体（见图３）。　（２）焊缝与弹簧支架结合区的金相组织如图４所　示．在图左上部的弹簧支架为淬火马氏体＋屈氏体＋　极少量细条状铁素体，右下部为焊缝组织。　（３）右侧的焊缝结合区内（焊缝与付加轴之间）　存在假焊现象，即未熔合（见图５），沿轴向焊接的未　熔合长度达５２　ｍｍ。　６４・　图４　４％硝酸酒精腐蚀１００ｘ　・汽车付加轴断裂的失效分析，王康喜。李骁　图５　４％硝酸酒精腐蚀５０ｘ　（４）在左侧焊缝的结合区内（焊缝与弹簧支架之　司）发现裂缝，裂缝内有较多的夹渣物（见图６）。　图６　４％硝酸酒精腐蚀　１００￣　（５）付加轴基体内的金相组织：回火索氏体＋托　氏体＋极少量的细条状铁素体，按ＧＢ／Ｔ１３３２０—２００７　《钢质模锻件金相组织评级标准》进行评级，为４级。　实测硬度ＨＢ２７８。　（６）弹簧支架基体内的金相组织：片状珠光体＋　块状铁素体，粒晶度７级。　（７）焊缝内的金相组织：细密的索氏体＋细小断　续网状铁素体。晶粒呈柱状结晶。　４检验结果　４．１化学成分　（１）付加轴材质４０Ｃｒ的化学成分符合ＧＢ／　Ｔ８１６２—２００８（（结构用无缝钢管》所推荐的ＧＢ／Ｔ３０７７—　１９９９｛合金结构钢》的国家标准。　（２）弹簧支架的材质ＺＧ３５的化学成分符合　ＧＢ／Ｔ１１３５２—２００９《一般工程用铸造碳钢件》的国家　标准。但其中的Ｃ、Ｍｎ的含量均偏上限。　工艺－栖料　（３）焊丝ＥＲ５０—６的化学成分符合ＧＢＦＦ８１１０—　２００８（（气体保护电弧焊用碳钢、低碳合金钢焊丝》的　国家标准。　４．２金相检验　付加轴热处理调质后的金相组织符合图纸上规　定的技术要求，即要求基体内部的金相组织按ＧＢ／　Ｔ１３３２０—２００７（（钢质模锻件金相组织评级标准》进行　评级，１～４级为合格。硬度也符合要求。　弹簧支架为铸件，从金相组织上看是经过了热　处理正火，金相组织良好，为片状珠光体＋块状铁素　体，细粒晶。　焊缝内的金相组织属正常的焊后组织。　在焊缝与付加轴、焊缝与弹簧支架的结合区内　都出现了淬火马氏体。部分区域有未熔合和夹渣的　焊接缺陷。它们都会成为付加轴断裂的疲劳裂纹源。　５分析与结论　综合以上的检验认为：造成汽车行驶时发生付　加轴断裂的主要原因是焊接质量存在问题。　５．１　焊缝中夹渣会成为疲劳断裂的裂纹源　（１）在焊接前付加轴和弹簧支架的表面有杂物（锈　迹、油污等），如果焊接表面清理不干净，在焊接过程中　就会形成夹杂物。夹杂物存在于焊缝中，使金属基体　无法保持有效的连贯性，极易在汽车行驶过程中形　成应力集中。　（２）焊缝的坡口要有利于夹杂物的排出。通过　对实物的观察和图２示意图所示，由付加轴表面　不干净的杂物在焊接过程中所产生的夹渣，易于　上浮，能排出金属熔池。而弹簧支架上的杂物因金　属面的倾斜，就不易上浮排出金属熔池，极易形成　夹渣。　（３）由于是ＣＯ：气体保护焊，因此在焊接的过　程中，焊丝只有直线行走，无法对熔化了的金属液　体进行搅动，不利于金属熔池内夹渣的排出。而我　们常见的手工电弧焊，可以边焊接边用焊条搅动　焊缝熔池，这样就比较有助于金属熔池内夹渣的　排出。　（４）过分地追求焊接速度，使金属熔池中的夹杂　物没有充分的时间排出到金属表面，就会在焊缝中　形成夹渣。　５＿２焊缝中的未熔合会造成材料的应力集中　未熔合在焊接的过程中是绝不允许出现的缺　・６５・　工艺・村料　陷，它在焊缝中是呈两维空间的面缺陷。零件在使　用过程中，在未熔合的端部极易形成应力集中。未　熔合的形成往往是由于没有按照焊接工艺评定所　规定的工艺参数进行操作所致，使两个需要焊接　的金属面未能充分有效地熔合在一起，形成了假　焊接。它不仅破坏了金属基体的连贯性，而且也成　了工件服役时的应力集中点，成为付加轴断裂的　裂纹源。这是导致付加轴在汽车行驶过程中断裂　的根本原因　５．３性能硬而脆的淬火马氏体成为裂纹的扩展区　被焊接的弹簧支架的金属材质是ＺＧ３５，付加　轴材质是４０Ｃｒ，它们本是中碳、中碳低合金钢。由于　它们的含碳量都比低碳、低碳低合金钢的含碳量　高，淬硬性能和淬透性能也比较强，因此它们的焊　接性能比较差，不适易作焊接材料。４０Ｃｒ中的Ｃ能　提高钢的淬硬性，Ｃｒ能起到增加钢的淬透性作用：　ＺＧ３５钢中的含Ｃ量、含Ｍｎ量都偏高时，均会增加　钢的淬透性和淬硬性，使材质的焊接性能变得更　差。淬火马氏体是金属在焊接后冷却的过程中形成　的。由于金属的导热能力极强，成为了极佳的快速　冷却介质，使焊接后的熔池在凝结成固体金属后仍　能以极快的速度冷却，形成了淬火马氏体。淬火马　氏体的性能硬而脆，它是一个不稳定的金相组织。　它未经过回火，存在着较大的内应力。当汽车在行　驶过程中未熔合逐渐扩大，形成了裂纹。裂纹在淬　火马氏体内得到了充分的发展，最后导致了付加轴　的断裂。正因为淬火马氏体具有组织不稳定性、内　应力大、性能又脆又硬等缺点，因此它本身就是个　隐患，在外应力的作用下极易开裂，也是个潜在的　疲劳裂纹源。　６技术改进　从付加轴断口的形态以及断裂时的新断口的面　积来看，付加轴在实际的使用中，所受到的外应力还　是很大的。在付加轴的材质为４０Ｃｒ、弹簧支架的材　质为ＺＧ３５被确定后，根据以上的分析，为防止付加　・６６・　汽车科技第６期２０１１年１１月　轴在汽车行驶过程中再次发生断裂，可以从两个方　面改进焊接工艺　６．１提高焊接质量　（１）由于是ＣＯ　气体保护焊，基本上可以排除　在焊接时外来气体和杂物对焊缝质量的影响。因此　在焊接前，被焊接的金属面一定要清理干净，使它们　不能沾有油污、锈迹和其它杂物，避免这些杂物在焊　接过程中熔入金属液体，在焊接后的焊缝中产生夹　渣。　（２）对焊缝的坡口需要进行合理的设计，尽量　避免弹簧支架的金属面对熔池的遮挡，这样有利于　熔化在金属液体中的夹渣上浮排出。坡口设计成敞　开式，使夹渣在焊接的过程中上浮不受阻挡，那样　冷却后的夹渣就全部覆盖在焊缝的金属表面上，保　证了焊缝内部的质量同时，也便于表面夹渣的清　除。　（３）认真地做好焊接工艺评定工作，在焊接过程　中必须严格地按照焊接工艺评定中所制定的工艺参　数正确地执行操作。不要过分地追求速度和产量，使　被焊接的两个金属体能得到充分的熔合，以免出现　未熔合。　６＿２防治淬火马氏体　选用中碳钢、中碳低合金钢虽然在强度上能够　满足零件使用的要求，但其焊接性能比较差，在以后　的焊接过程中难免不产生淬火马氏体。为了防止淬　火马氏体对付加轴带来的不利影响，可以采取两种　方法：　（１）防止法，即焊接前对需要焊接的金属部位进　行预热，防止焊接后冷却速度过快而形成淬火马氏　体。尤其是在冬季，气候比较寒冷时，这一点显得更　为重要。　（２）消除法，即焊接后对焊缝进行再次加热，对　已形成的淬火马氏体实行回火处理，消除内应力，降　低焊缝的硬度和脆性。　现今调整付加轴的焊接工艺、防治淬火马氏体　的攻关工作正在进行中，最后的结果要以台架试验　为准