摘 要:某公司生产的电动后桥壳在台架试验及路试过程中多次出现断裂,且断裂均发生于包 壳与套管的环焊缝处。采用宏观观察、扫描电镜分析、化学成分分析、金相检验、焊缝熔深测试、有 限元仿真分析等方法,对该电动后桥壳断裂的原因进行分析。结果表明:后桥壳包壳与套管的内径 不一致,拼装后衬套台阶与包壳间存在间隙,导致包壳无法被完全焊透,在端面形成了尖角,尖角处 产生的应力集中是导致后桥壳断裂的主要原因。建议优化设计方案,将包壳与套管间内错边的设 计更改为外错边,取消衬套台阶并减小衬套开口,消除断面尖角,防止应力集中。
关键词:电动后桥壳;断裂;应力集中;疲劳裂纹;焊接质量
中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)01-0075-04
随着电动汽车行业的不断发展,各传统汽车零 部件企业也越来越关注新能源领域,并积极布局相 关零部件配套产业。电动汽车驱动后桥壳作为汽车 的重要零部件,一方面要采用轻量化的设计以适应 汽车电动化的需求,另一方面需要确保汽车在多种 工况下经受住严峻的强度考验。电动汽车驱动后桥 壳设计的合理性以及工作时的可靠性直接关系到汽 车的行驶安全[1]。某汽车零部件公司生产的电动后 桥壳在路试行驶约 2300km 后发生断裂[见图 1a)]。在4次实验室台架疲劳试验中,当试验进行 至30万次~40万次时,后桥壳均发生断裂,且断裂 位置均为包壳与套管的环焊缝处 [见图1b)]。
该电动后桥采用三段插管式设计,套管与包壳 间通过环焊连接。为了防止焊接过程中铁水漏入桥 壳内部,套管与包壳之间通过衬套连接。因为包壳 与套管的内径不一致,两者间存在内错边,所以衬套采用台阶变径设计。衬套外径大于包壳和套管的内 径,衬套上有长度为6mm的开口,要求在压装后该 开口长度小于3mm。笔者对断裂电动后桥壳进行 一系列理化检验,分析了后桥壳断裂的原因,并提出 了相应的改进建议,以避免该类事故再次发生。
1 有限元仿真分析
采用有限元仿真分析的方法,对包壳与套管 的环焊缝处进行疲劳分析,当加载力为满载工况 的2.5倍时,焊缝开裂位置的疲劳循环次数大于 百万次,发生疲劳断裂的位置为弹簧座焊缝(见图 2)。因此,在正常情况下,后桥壳不会在环焊缝处 发生断裂。
表1为不同熔深下包壳与套管环焊缝处的应力 分析结果,可见当焊缝熔深达到设计标准要求的 90%板厚时,2.5倍满载工况下焊缝处最大应力为 208MPa,焊缝疲劳后备系数为1.18;当焊缝熔深达到设计标准要求的100%板厚,且与衬套完全焊成 一体时,2.5 倍 满 载 工 况 下 焊 缝 处 最 大 应 力 为 100MPa,焊缝疲劳后备系数为2.46。可以看出,当 焊缝熔深达到设计要求的90%板厚时,理论上能满 足极限工况的要求。当焊缝处有焊接缺陷或焊缝熔 深不达标的情况时,会在焊缝处出现较大的应力集 中,因此,在2.5倍满载工况下,后桥壳仍存在早期 疲劳断裂的风险[2-3]。
2 理化检验
2.1 宏观观察
后桥壳断口的宏观形貌如图3所示,可见断裂 位于包壳与套管环焊缝处,且靠包壳一侧,断裂部位 外表面未见明显的损伤或缺陷;断面靠包壳内侧有 数个光滑、光亮区域,初步判断为疲劳扩展区,面积 约占断口截面的1/7;其余断面呈粗糙纤维状,为瞬 间断裂区;断口沿着裂纹源向外扩展,最终发生 断裂。
2.2 扫描电镜(SEM)分析
将后桥壳断口经超声清洗后,使用SEM 进行 观察,结果如图4所示。由图4可知:断口有多个裂 纹源,均位于断口界面内侧;起裂源区为解理形貌, 并且有少量挤压变形小平台,呈典型疲劳断裂特征, 解理形貌呈大应力条件下的穿晶断裂特征;疲劳区 为解理与韧窝形貌交替出现,且解理区大于韧窝区; 最后断裂区域为韧窝+撕裂形貌。说明后桥壳在断 裂时,焊缝部位受到了较大的应力,发生了低周疲劳 断裂。
2.3 化学成分分析
对断裂后桥壳的套管和包壳进行化学成分分 析,结果如表2所示。可见套管和包壳的化学成分 符合 GB/T699—2015 《优质碳素结构钢》和 Q/ BQB310—2019《汽车结构用热连轧钢板及钢带》 的要求。
2.4 金相检验
在后桥壳断口垂直于焊缝处取样,经研磨、抛光 后,用4%(体积分数)的硝酸乙醇溶液腐蚀,然后用 光学显微镜观察,结果如图5所示。由图5可知:裂纹多始于未焊透的包壳断面与焊缝形成的尖角处, 沿焊缝融合线向内扩展,并衍生出次级裂纹;套管基 体及包壳基体的显微组织为均匀铁素体+珠光体, 呈带状分布;焊缝组织为柱状晶组织,热影响区为珠 光体+铁素体+粒状贝氏体混合组织,部分焊缝区 魏氏组织达到4级,热影响区魏氏组织达到3级,不 符合技术要求(焊缝区魏氏组织不大于3级,热影响 区魏氏组织不大于2级)[4]。
2.5 焊缝熔深测试
由有限元仿真分析结果可知,焊缝熔深对包壳与 套管处环焊缝的疲劳后备系数有直接影响。产品技 术要求:焊缝熔深达到90%板厚(不小于2.7mm),焊 缝宽度为12~15mm,焊缝偏移量小于1mm。
表3为断裂后桥壳焊缝熔深的测试结果,可见焊 缝宽度的合格率达到了93.75%,焊缝偏移量的合格 率为81.25%,套管侧焊缝熔深的合格率为90.63%, 但包壳侧焊缝熔深的合格率仅为56.25%。焊缝偏移 量合格率偏低的主要原因为,部分套管与包壳的拼装 间隙大于技术要求,导致部分环焊缝存在焊偏的情 况。包壳侧焊缝熔深的合格率低的原因为,套管与包 壳间的轴向间隙较大,且衬套开口过大,为了避免铁 水和焊渣进入后桥壳,选择了拉焊焊接,导致部分区 域的包壳端面无法被焊透,并形成了尖角。
3 综合分析
由上述分析结果可知,套管和包壳的化学成分 满足相关标准要求。由有限元仿真分析可知,易发 生疲劳断裂的危险位置为弹簧座焊缝,而开裂焊缝 处不易发生断裂,但该区域的焊缝熔深将对后桥壳 可承受的应力大小有重要影响,该区域在极限工况 下依然存在早期疲劳断裂的风险。
由断口分析及焊缝熔深测试结果可知,后桥壳 断裂与包壳和套管处环焊缝的焊接质量有直接关 系,疲劳裂纹起源于环焊时形成的尖角。受衬套结 构、拼装间隙以及焊接工艺等因素的影响,包壳和套 管间存在轴向间隙,且衬套开口过大,为了避免铁水 和焊渣进入后桥壳,选择了拉焊焊接,该方法无法完 全焊透包壳端面,导致包壳端面与焊缝熔池间形成 尖角,并在尖角处产生应力集中,最终使后桥壳发生 断裂。此外,焊缝质量控制不稳定、焊缝热影响区魏氏组织超标、焊缝熔深合格率低且一致性差等问题 也是造成后桥壳断裂的原因[5]。
未被焊透的包壳端面尖角处形成了较大应力集 中,疲劳裂纹在尖角处形成,沿着焊缝融合线向内扩 展,主裂纹衍生出次级裂纹,并向焊缝内部方向发 展[6]。随着裂纹的不断扩展,焊缝区域可承受的应 力不断减小,当承载极限小于所受到的应力时,后桥 壳在该区域发生断裂。
4 结论及建议
4.1 结论
后桥壳的包壳和套管间环焊缝处产生了应力集 中,焊缝质量控制不稳定、焊缝热影响区魏氏组织超 标、焊缝熔深合格率低且一致性差,最终导致后桥壳 发生断裂。
4.2 建议
(1)更改包壳与套管间的错边结构,将两者间 的内错边设计改为外错边,并取消衬套台阶。将焊 缝熔深提高至设计标准要求的100%板厚,并确保 衬套不被焊穿。
(2)压装后,确保衬套开口长度小于2mm。将 套管与包壳间的拼装间隙由2~3mm调整至1.5~ 2.5mm。将衬套开口方向调整至上壳侧,并与接口 法兰面纵焊缝夹角呈45°。
(3)优化焊接工艺,将焊接电流由200~205A 调整至210~230A,焊接速率由20s/圈调整至 22s/圈,起弧点由下壳侧调整至上壳侧,与后盖面 纵焊缝夹角呈30°。
参考文献:
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