摘 要:某公司生產(chǎn)的電動(dòng)后橋殼在臺(tái)架試驗(yàn)及路試過(guò)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(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、焊縫熔深測(cè)試、有 限元仿真分析等方法,對(duì)該電動(dòng)后橋殼斷裂的原因進(jìn)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(tái)階與包殼間存在間隙,導(dǎo)致包殼無(wú)法被完全焊透,在端面形成了尖角,尖角處 產(chǎn)生的應(yīng)力集中是導(dǎo)致后橋殼斷裂的主要原因。建議優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,將包殼與套管間內(nèi)錯(cuò)邊的設(shè) 計(jì)更改為外錯(cuò)邊,取消襯套臺(tái)階并減小襯套開(kāi)口,消除斷面尖角,防止應(yīng)力集中。

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

中圖分類(lèi)號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0075-04

隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展,各傳統(tǒng)汽車(chē)零 部件企業(yè)也越來(lái)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(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋殼作為汽車(chē) 的重要零部件,一方面要采用輕量化的設(shè)計(jì)以適應(yīng) 汽車(chē)電動(dòng)化的需求,另一方面需要確保汽車(chē)在多種 工況下經(jīng)受住嚴(yán)峻的強(qiáng)度考驗(yàn)。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)后橋 殼設(shè)計(jì)的合理性以及工作時(shí)的可靠性直接關(guān)系到汽 車(chē)的行駛安全[1]。某汽車(chē)零部件公司生產(chǎn)的電動(dòng)后 橋殼在路試行駛約 2300km 后發(fā)生斷裂[見(jiàn)圖 1a)]。在4次實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中,當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行 至30萬(wàn)次~40萬(wàn)次時(shí),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(jiàn)圖1b)]。

該電動(dòng)后橋采用三段插管式設(shè)計(jì),套管與包殼 間通過(guò)環(huán)焊連接。為了防止焊接過(guò)程中鐵水漏入橋 殼內(nèi)部,套管與包殼之間通過(guò)襯套連接。因?yàn)榘鼩?與套管的內(nèi)徑不一致,兩者間存在內(nèi)錯(cuò)邊,所以襯套采用臺(tái)階變徑設(shè)計(jì)。襯套外徑大于包殼和套管的內(nèi) 徑,襯套上有長(zhǎng)度為6mm的開(kāi)口,要求在壓裝后該 開(kāi)口長(zhǎng)度小于3mm。筆者對(duì)斷裂電動(dòng)后橋殼進(jìn)行 一系列理化檢驗(yàn),分析了后橋殼斷裂的原因,并提出 了相應(yīng)的改進(jìn)建議,以避免該類(lèi)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(duì)包殼與套管 的環(huán)焊縫處進(jìn)行疲勞分析,當(dāng)加載力為滿載工況 的2.5倍時(shí),焊縫開(kāi)裂位置的疲勞循環(huán)次數(shù)大于 百萬(wàn)次,發(fā)生疲勞斷裂的位置為彈簧座焊縫(見(jiàn)圖 2)。因此,在正常情況下,后橋殼不會(huì)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(yīng)力 分析結(jié)果,可見(jiàn)當(dāng)焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的 90%板厚時(shí),2.5倍滿載工況下焊縫處最大應(yīng)力為 208MPa,焊縫疲勞后備系數(shù)為1.18;當(dāng)焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的100%板厚,且與襯套完全焊成 一體時(shí),2.5 倍 滿 載 工 況 下 焊 縫 處 最 大 應(yīng) 力 為 100MPa,焊縫疲勞后備系數(shù)為2.46?？梢钥闯?當(dāng) 焊縫熔深達(dá)到設(shè)計(jì)要求的90%板厚時(shí),理論上能滿 足極限工況的要求。當(dāng)焊縫處有焊接缺陷或焊縫熔 深不達(dá)標(biāo)的情況時(shí),會(huì)在焊縫處出現(xiàn)較大的應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀觀察

后橋殼斷口的宏觀形貌如圖3所示,可見(jiàn)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(jiàn)明顯的損傷或缺陷;斷面靠包殼內(nèi)側(cè)有 數(shù)個(gè)光滑、光亮區(qū)域,初步判斷為疲勞擴(kuò)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(kuò)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(jìn)行 觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:斷口有多個(gè)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(tái),呈典型疲勞斷裂特征, 解理形貌呈大應(yīng)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?yàn)轫g窩+撕裂形貌。說(shuō)明后橋殼在斷 裂時(shí),焊縫部位受到了較大的應(yīng)力,發(fā)生了低周疲勞 斷裂。

2.3 化學(xué)成分分析

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

2.4 金相檢驗(yàn)

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?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液腐蝕,然后用 光學(xué)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(kuò)展,并衍生出次級(jí)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(dá)到4級(jí),熱影響區(qū)魏氏組織達(dá)到3級(jí),不 符合技術(shù)要求(焊縫區(qū)魏氏組織不大于3級(jí),熱影響 區(qū)魏氏組織不大于2級(jí))[4]。

2.5 焊縫熔深測(cè)試

由有限元仿真分析結(jié)果可知,焊縫熔深對(duì)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(dá)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(cè)試結(jié)果,可見(jiàn)焊 縫寬度的合格率達(dá)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?yàn)?部分套管與包殼的拼裝 間隙大于技術(shù)要求,導(dǎo)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?yàn)?套管與包 殼間的軸向間隙較大,且襯套開(kāi)口過(guò)大,為了避免鐵 水和焊渣進(jìn)入后橋殼,選擇了拉焊焊接,導(dǎo)致部分區(qū) 域的包殼端面無(wú)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(xué)成分 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由有限元仿真分析可知,易發(fā) 生疲勞斷裂的危險(xiǎn)位置為彈簧座焊縫,而開(kāi)裂焊縫 處不易發(fā)生斷裂,但該區(qū)域的焊縫熔深將對(duì)后橋殼 可承受的應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)。

由斷口分析及焊縫熔深測(cè)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(shí)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(kāi)口過(guò)大,為了避免鐵水 和焊渣進(jìn)入后橋殼,選擇了拉焊焊接,該方法無(wú)法完 全焊透包殼端面,導(dǎo)致包殼端面與焊縫熔池間形成 尖角,并在尖角處產(chǎn)生應(yīng)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(biāo)、焊縫熔深合格率低且一致性差等問(wèn)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(yīng)力集 中,疲勞裂紋在尖角處形成,沿著焊縫融合線向內(nèi)擴(kuò) 展,主裂紋衍生出次級(jí)裂紋,并向焊縫內(nèi)部方向發(fā) 展[6]。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展,焊縫區(qū)域可承受的應(yīng) 力不斷減小,當(dāng)承載極限小于所受到的應(yīng)力時(shí),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(yīng)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(biāo)、焊縫熔深合格率低且一致性差,最終導(dǎo)致后橋殼 發(fā)生斷裂。

4.2 建議

(1)更改包殼與套管間的錯(cuò)邊結(jié)構(gòu),將兩者間 的內(nèi)錯(cuò)邊設(shè)計(jì)改為外錯(cuò)邊,并取消襯套臺(tái)階。將焊 縫熔深提高至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的100%板厚,并確保 襯套不被焊穿。

(2)壓裝后,確保襯套開(kāi)口長(zhǎng)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(kāi)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(diǎn)由下殼側(cè)調(diào)整至上殼側(cè),與后蓋面 縱焊縫夾角呈30°。

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