桥壳后壳盖失效分析

图1㊀后壳盖开裂
失效件分析
测量故障件板厚为2.7~2.8mm,符合材料拉伸范围要求理论最小允许厚度1.98mm)㊂材料成分见表1,符合标准要
P Cr Ni Cu
ɤ0.035ɤ0.1ɤ0.25ɤ0.
0.010.01860.00340.002
是焊接时焊渣飞溅到后壳盖表面,会在金属表面产生类似焊接的金相组织,并有一定深度的热影响区,降低后壳盖的强
E-mail:576857534@㊂
图2㊀球状颗粒附着壳盖表面
沿断口试样横截面切取磨制金相试样,经3%硝酸酒精溶液腐蚀㊁清洗㊁干燥后,宏观照片如图3所示,焊缝㊁薄板的位置特征清晰可见㊂置于莱卡DMI5000M 金相显微镜下观察,断口处金相组织为铁素体+珠光体组织,裂纹两侧未见偏析㊁杂质㊁脱碳等现象㊂同时在金相试样上进行洛氏硬度测试,经沃博特洛氏硬度计检测,故障件的洛氏硬度为52HRB ,故障件金相组织和硬度均正常
㊂
图3㊀裂纹附近金相组织
将断口试样经超声波清洗干燥后,置于TESCAN 扫描电子显微镜下观察,起裂区在内侧,为多点起裂,如图4所示
㊂
图4㊀断口14倍SEM 照片
㊀㊀在起裂区未见明显的冶金缺陷,其形貌为准解理+撕裂,
如图5所示
㊂
图5㊀起裂区800倍SEM 照片
扩展区形貌为准解理+贝壳纹,如图6所示,为典型的疲劳断口特征
㊂
图6㊀扩展区1500倍SEM 照片
从对故障件的分析结果可以看出,后壳盖属于疲劳断裂,但故障件本身除焊渣飞溅到表面之外,其他方面未见明显的质量缺陷,这就需要从后壳盖的设计及使用环境去判断引起本次失效的原因[2]㊂
3　失效原因分析
3.1㊀壳盖材料机械性能
根据标准GB /T228.1 2010进行材料拉伸试验[3],如图7
所示,试样厚度3mm ,宽度30mm ,材料下屈服强度为175MPa ,抗拉强度290MPa ,符合原材料供应商技术协议中
定义的要求㊂
图7㊀材料拉伸试样
3.2㊀CAE 分析
根据现在发布的行业标准‘QC /T533 1999㊀汽车驱动桥
台架试验方法“中驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验的加载方法,建立CAE 分析模型(图8),得到桥壳后壳盖开裂区域应力为
38MPa (图9),壳盖材料屈服强度为175MPa ㊂整车道路试验
是按标准负荷加载的,没有发生超载情况,同时桥壳垂直弯曲
疲劳台架试验已通过验证[4],且没有出现后壳盖失效故障㊂因此从CAE 分析及台架试验结果判断,后壳盖不可能在只承受垂向力作用下发生疲劳断裂
㊂
图8㊀CAE
分析
图9㊀后壳盖应力图
3.3㊀路谱采集及台架对标
基于故障件㊁原材料机械性能及常用工况CAE 分析结果
均未发现异常,有必要对样件的使用环境进行路谱采集,以便
进一步查找失效原因㊂应变片贴在后壳盖失效位置(图10),
90ʎ为整车X 方向,0ʎ为Y 方向,45ʎ为Z 方向,在试验场地测试开裂位置处的应力应变㊂实测结果表明90ʎ方向(即整车X
向)应力应变最大,最大值达到244MPa ,95%道路工况开裂位置应力值为103MPa (图11
)㊂
图10㊀
开裂位置贴应变片
图11㊀道路测试应力值
根据路谱采集结果,欲在台架上模拟道路试验受力来复制整车上的故障模式㊂将装配主减速器壳体的桥壳总成样件,按主减速器壳体朝上的状态安装在试验台架上(图12),同时在开裂位置贴应变片以监控台架试验工况后壳盖受力与道路试验基本一致㊂共测试3台样件,均出现桥壳后壳盖开裂,开裂位置与道路试验一致㊂对台架试验开裂件进行检测,金相组织㊁材料成分等均正常
㊂
图12㊀台架试验装置
3.4㊀焊接对材料性能的影响
文中提到故障件表面有附着焊接时,飞溅到后壳盖表面的
焊渣㊂在供应商现场抽取后壳盖表面附着焊渣的样件进行硬度梯度检测,判断焊缝热影响区范围以及焊渣的影响[5]㊂将样件磨制成金相试样(图13),分别进行硬度检测:
(1)焊缝热影响区分析:沿图13箭头1方向进行硬度梯
度检测,每隔0.5mm 取一个检测点,硬度曲线如图14所示㊂
在焊缝区域任取一个点为测试起点(坐标位置0点),距离起点1mm 位置处为焊缝区域,该区域硬度最大为188HB ㊂从位
置1mm 点开始,硬度快速下降㊂距起点位置1~2mm 区域为焊接热影响最大的区域,最低硬度为116HB ;距起点位置2~
6mm 区域硬度逐步上升,位置6mm 点硬度152HB ,接近母
材硬度(ȡ150HB ),焊缝热影响区域在1~6mm 范围㊂本次故障件开裂区域距离焊缝10mm ,因此焊缝热影响区对本次失
效基本关联
㊂
图13㊀
抽检试样
图14㊀焊缝热影响区硬度梯度
(2)焊渣的影响:沿图13箭头2方向进行硬度梯度检测,
每隔0.2mm 取一个检测点,硬度曲线如图15所示㊂在焊渣区
域任取1点为测试起点(坐标位置0点),距离起点0.2mm 位
置处为焊渣区域,该区域硬度最大321HB ㊂从位置0.2mm 点开始,硬度快速下降㊂距起点位置0.2~0.4mm 区域为焊渣热
影响最大的区域,最低硬度为137HB ;距起点位置0.4~
0.6mm 区域硬度逐步上升,位置0.6mm 点硬度152HB ,接近母材硬度(ȡ150HB ),焊渣热影响区域在0.2~0.6mm 范围㊂
从故障件分析来看裂纹有沿焊渣扩展趋势,焊渣对本次故障可
能会有一定的影响,但不是关键影响因素
㊂
图15㊀焊渣热影响区硬度梯度
通过以上分析,导致失效的主要原因是道路试验工况整车X 方向作用力大,后壳盖承载能力不足,需要对壳盖的材料进行重新选型㊂
4㊀解决措施及验证
根据路谱采集的结果,后壳盖材料选择热轧板SAPH440,屈服强度不小于305MPa ,抗拉强度不小于440MPa ㊂按照图
12方式进行台架验证,完成80万次循环后,检查后壳盖是否开裂㊂原状态试样在完成80万次台架循环,后壳盖出现开裂;新材料试样,完成80万次循环,后壳盖未开裂,继续进行台
架试验至185次循环,试样无裂纹,试验停止㊂台架试验寿命至少提升1.3倍以上,新状态样件也顺利通过整车道路试验考核㊂
5㊀结束语
综上所述,后壳盖失效是在整车X 向作用力下,后壳盖强度不足引起的㊂在实际工作中,后壳盖通常与桥壳壳体一起组成总成件,按行业标准‘QC /T533 1999㊀汽车驱动桥台架试验方法“中驱动桥桥壳垂直弯曲疲劳试验进行验证,往往忽略了来自整车X 方向作用力的台架验证㊂本文阐述的后壳盖开裂是典型的失效案例,通过道路试验路谱采集和台架试验对标分
析,可建立适用企业设计研发用的台架验证标准,为今后零部件开发提供理论依据,在设计初期就考虑到类似风险并规避,提高开发效率㊂
参考文献:
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[4]邓开豪.汽车桥壳焊缝漏油原因分析及改进措施[J].装备制造
技术,2008(4):131-132.
[5]李晓丽,王俊杰,路强.汽车驱动桥后盖焊缝㊁渗油漏油原因分
析及改进措施[J].汽车实用技术,2015(7):110-111,116.。