案例分享：汽車電阻焊連桿斷裂分析
焊接具有連接強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為近代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工藝。由于焊接本身是一種快速熔化和凝固的過程，焊接各部位會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布和各種形態(tài)的缺欠。焊接中的缺欠直接影響焊接接頭的質(zhì)量，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上各種焊接結(jié)構(gòu)的失效事故中，除屬于設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)和操作問題外，絕大多數(shù)的事故都是由焊接缺陷、特別是焊接裂紋引起的。焊接裂紋的存在，減少了結(jié)構(gòu)的有效承載面積，也導(dǎo)致了應(yīng)力集中。某品牌汽車，于土石路面行駛2800km后，穩(wěn)定桿連桿在電阻焊位置發(fā)生斷裂。穩(wěn)定桿連桿的一端連減振器支架，一端連穩(wěn)定桿，斷裂端位于穩(wěn)定桿端，如圖1所示。穩(wěn)定桿連桿由桿和球頭組成，桿與球頭材質(zhì)均為20鋼。焊接工藝為電阻焊，無焊后熱處理，焊接后表面電泳漆。為找到連桿斷裂原因并規(guī)避后期風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)該連桿進(jìn)行一系列理化檢測(cè)。
圖1 斷裂連桿外觀
使用基恩士VHX-600E型3D光學(xué)顯微鏡，對(duì)球頭位置斷口進(jìn)行宏觀觀察，初步判斷斷口類型。使用HITACHI-SU1510型掃描電子顯微鏡，進(jìn)行斷口分析。使用ZEISS-Imager.A2m型金相顯微鏡，對(duì)材料進(jìn)行切片觀察和金相分析。采用MITUTOYO維氏硬度計(jì)，對(duì)斷口附近進(jìn)行硬度檢測(cè)。采用SPECTRO-MAXx型火花原子直讀光譜儀，對(duì)球頭和連桿進(jìn)行材質(zhì)分析。未斷端與斷裂端材質(zhì)相同，焊接工藝一致，使用環(huán)境近似，作為對(duì)比組一起分析。
在光學(xué)顯微鏡下，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察，如圖2所示。由圖2可知，斷口整體呈現(xiàn)左右對(duì)稱，說明裂紋源出現(xiàn)在斷口對(duì)稱位置，且連桿受到正向和反向?qū)ΨQ載荷共同作用。區(qū)域Ⅰ輕微磨損，存在一定腐蝕，為裂紋源位置；區(qū)域Ⅱ?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，可見明顯的貝殼紋，是典型的疲勞斷裂特征；區(qū)域Ⅲ為最后的瞬斷區(qū)。瞬斷區(qū)相對(duì)于擴(kuò)展區(qū)，面積占比很小，說明工況下零件整體受力并不大。
圖2 斷口宏觀觀察
圖3為連桿的SEM斷口形貌。圖3a取自區(qū)域Ⅰ，為裂紋源位置。斷面存在磨損，未見明顯有效信息。圖3b取自區(qū)域Ⅱ，為裂紋擴(kuò)展區(qū)，斷面存在明顯的輝紋，是典型的疲勞斷裂特征。圖3c取自區(qū)域Ⅲ，可見明顯的韌窩，為瞬斷區(qū)。
圖3 連桿斷口SEM微觀特征
圖4為斷裂端與未斷端低倍組織。由圖4a可知，斷口位置分布于球頭部分，裂紋從球頭兩側(cè)焊接邊緣處，呈圓弧形深入球頭。對(duì)比圖4b可知，斷裂端與未斷端各位置低倍組織基本一致。圖5為連桿特征位置金相組織，測(cè)試位置如圖4中標(biāo)示。
（a）斷裂端（25×）
（b）未斷端（25×）
圖4 斷裂端與未斷端低倍組織
由圖5a可知，裂紋起源于焊縫邊緣，沿焊接熱影響區(qū)擴(kuò)展。由圖5b可知，未斷端球頭與連桿焊接處邊緣也存在縫隙，且在縫隙尖端可觀察到深入球頭的裂紋。未斷端由于減振器的緩沖作用，尚未徹底斷裂。由圖5c可知，焊接熱影響區(qū)金相組織為細(xì)小鐵素體+不均勻分布的珠光體。由圖5d可知，球頭基材金相組織為呈帶狀分布的鐵素體+珠光體，組織均勻。
圖5 連桿特征位置金相組織
依據(jù)JIS Z 2244—2009，對(duì)連桿進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，測(cè)試載荷0.3kgf（1kgf=9.8N）。測(cè)試位置如圖4中標(biāo)示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。對(duì)比斷裂端與未斷端同區(qū)域硬度，兩者硬度差異不大。與球頭基材（位置3）和焊縫附近區(qū)域（位置4）相比，裂紋源（位置1）和擴(kuò)展區(qū)（位置2）硬度明顯偏低，裂紋易沿薄弱位置擴(kuò)展。表1 連桿維氏硬度測(cè)試結(jié)果 （HV0.3）
表2為斷裂端球頭與桿材質(zhì)分析結(jié)果。參照GB/T 699—2015，斷裂端球頭與桿基材均符合20鋼成分規(guī)格。
表2 球頭與桿材質(zhì)分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
本失效案例，球頭與桿焊接邊緣存在縫隙，縫隙尖端易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源。裂紋擴(kuò)展區(qū)為疲勞輝紋形貌，組織為細(xì)小鐵素體+不均勻分布的珠光體，硬度較基材偏低。在交變應(yīng)力作用下，裂紋沿球頭側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)展，并最終斷裂。未斷端也存在裂紋，但由于減振器的緩沖作用，連桿失效時(shí)，未斷端尚未完全斷裂。疲勞失效是汽車金屬零部件失效中最常見的一種失效形式，幾乎覆蓋了所有類型的汽車金屬結(jié)構(gòu)件。在一些車企的歷年統(tǒng)計(jì)中，疲勞失效約占總金屬斷裂的70%。實(shí)際使用中，焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，要比靜載強(qiáng)度大很多。本案例中，瞬斷區(qū)為韌性斷裂，瞬斷區(qū)面積也很小，證明零部件所受載荷并不大。因此，在滿足材料疲勞強(qiáng)度的同時(shí)，減少可能的疲勞應(yīng)力，可有效地提高零件的疲勞壽命。電阻焊又稱接觸焊，是通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面以及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊無需添加焊絲、焊條等填充金屬，生產(chǎn)效率高、成本很低。同時(shí)，電阻焊加熱時(shí)間短，焊接變形小，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，在汽車行業(yè)中，電阻焊占總焊接比例的90%，是最重要的一種工藝手段。由于電阻焊焊接速度很快，若焊接中有異常、不穩(wěn)定因素，往往來不及進(jìn)行調(diào)整，便會(huì)造成一定焊接缺欠，進(jìn)而需要各類檢測(cè)。目前，電阻焊無損檢測(cè)主要有宏觀檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等，這些手段對(duì)微觀缺欠判斷均存在困難。破壞性檢查，包括生產(chǎn)線鑿檢、力學(xué)檢測(cè)和切片檢測(cè)等，雖然直觀，但成本較高。由于破壞性檢查采用定期抽檢，存在一定滯后性，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可能已造成批量事故。為了提高電阻焊焊接質(zhì)量，除了焊后的檢測(cè)，還需要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。目前，優(yōu)化電阻焊焊接參數(shù)，主要有試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)途徑。電阻焊主要焊接參數(shù)有焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力等，影響焊接的主要因素有焊接材料與焊接參數(shù)的匹配、焊接電極頭平整程度和焊接部件表面狀況等?控制試驗(yàn)變量，減少裂紋、孔穴和未熔合等缺欠，避免應(yīng)力集中，可有效提高焊接件的可靠性。建立模型，利用有限元軟件（如ANSYS、SYSWELD等），對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬。分析焊接參數(shù)、焊接材料、焊接厚度等對(duì)焊接性能的影響。
隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，電阻焊將在今后的工業(yè)生產(chǎn)中起到更重要的作用。
作者：郭垚峰，李珍，閆恒，秦超鋒，張?jiān)胶?/strong>
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來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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