铸造铝合金横梁出现裂纹的失效分析

杜 健 查佳朋 段美姣 黄时华 阮晋如 邹成科 蒯金斌

（格力电器（合肥）有限公司 合肥 230000）

引言

某车间全面检修时发现生产轴流风叶的机械设备横梁臂出现2道裂纹，存在质量和安全隐患，为查找失效原因，避免其他设备出现同类异常，对故障件进行失效分析。经了解该设备机械臂材质为ZL101A铸造铝合金，国标要求铸件表面上不允许有裂纹、缩孔、穿透性缺陷等。

1 现场调查

经核实出现裂纹的机器为17年5月份发货，5月底安装，发现裂纹时使用周期为15个月。现场查看机械手出现的两处裂纹均在横梁上，横梁为悬臂梁式结构，一端采用四个螺栓固定，另一端悬空。横梁（UV轴）上的机械臂沿着UV轴导槽可以左右滑动，机械手自身沿垂直方向运动夹取物料。

2 理化检测

2.1 宏观分析

取下异常悬臂横梁，观察表面存在两处裂纹，在中间段和靠左段（也是横梁悬空段），横梁为方形中空结构。两处裂纹均是由导轨安装槽处开始，贯穿横梁直至侧面。横梁的导轨槽未喷涂，该处基材呈裸露状态，整个表面均存在气孔，外观质量较差。

图1 两处裂纹均出现在横梁上（UV轴）

截取端部横梁，沿裂纹前端解剖，发现靠近导槽位置裂纹穿透整个截面，已经出现断裂状态，断口表面氧化发黑，其余位置表面裂纹深度约3～6 mm。沿裂纹走向掰断故障件，发现多处断口存在发黑，可以判断为已经裂纹产生很久了，且1处掰断处断口明显存在块状夹杂，另1掰断处断口齐平，无撕裂状，材料未结合在一起。

2.2 硬度测试

使用维氏硬度计测试硬度值为75.3～78.6 HV，仅作参考，因国标给出的为布氏硬，暂无标准换算公式。

2.3 材质成份分析

从裂纹处截取一块进行打磨，去掉表面涂层后，使用直读光谱仪扫描材料成份，测试结果显示部分位置杂质含量超标，不符合标准要求，影响材料使用性能。

2.4 金相分析

从裂纹起始处截取一块样件进行打磨、抛光，使用浓度和20 %的氢氧化钠溶液进行腐蚀，使用显微镜观察（50、100倍），有大量气孔，晶粒组织存在不均匀现象。α固溶体枝晶状较明显，主要为局部散热差，冷却速度缓慢，使得固溶体形成和长大较快，出现晶粒粗细不均的情况。气孔和晶粒不均处均为材料薄弱处，受外力后易产生裂纹。

3 应力应变分析

为采集机械手实际工作时的受力情况，使用应力应变设备进行布点采集实时数据。因设备运行时幅度过大，固定采集点受影响 ，因此只在UV轴左、右及UV连接块进行布点，模拟机械手单次取料动作时的各点的受力情况。

图2

图3

图4

图5 维氏硬度值

应力测试情况总结:①受机械手运动影响，UV连接块应力值要比其他点大；②UV轴左/右数据在进300/320（分别对应手动130/150）各测试3组数据，最大值为194.75 μ。

表1 材质成分测试结果

图6 箭头处为粗大固溶体，黑色孔洞为气孔

图7

4 导轨组件差异对比

对比现场其他家机械手导轨组件，失效厂家组件的固定方式、材料结构与之存在差异，其机械手的UV轴为铸造铝合金，且为悬臂梁式单点固定，横梁内部承压面积小，具体差异点如表2。

5 原因分析

经宏观、微观、物理性能、应力应变分析，及差异点对比，确定机械手导轨组件失效点如下：

1）材质：UV轴使用材料为铸造铝合金，该材料生产过程处理不当，使得表面和内部出现大量气孔，局部存在夹杂，此类内部缺陷导致材料结合性差，易失效产生裂纹。

2）受力：应力应变结果显示，机械手运动时，UV连接块应力值相对比其他点大，该处螺栓易出现松脱和断裂的情况。

3）承压面积：UV轴为悬臂梁式结构，只在一端固定，受力集中，且UV轴为方形中空结构，内部加强筋数量少，承压能力相对较差 。

6 改善建议

经综合分析，确定为加工不当使得材料本身存在气孔、夹杂和晶粒大小不均缺陷，采用悬臂梁式一端固定，承压横截面小，在使用过程中受外力影响，从材料缺陷处（最脆弱处）产生裂纹，再延伸出现断裂口。

根据失效原因，建议如下：①设备制造厂家对使用材料加严检验，确保质量合格；②变更UV轴（即失效横梁）固定方式，分散受力点；③增加加强筋数量，增加横梁承压面积和承压能力；④提高UV-连接块固定螺钉强度等级。

表2 不同厂家机械手的导轨组件差异点对比