DC01型点焊管路支架断裂失效分析

王志苗，张小盟

DC01型点焊管路支架断裂失效分析

王志苗1，张小盟2

Wang Zhimiao1，Zhang Xiaomeng2

（1．长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定071000；2．中包包装研究院有限公司，天津300457）

采用金相显微镜、扫描电镜、元素光谱分析仪对整车耐久试验中断裂的1.5 mm厚DC01点焊管路支架进行失效分析，结果显示，支架断裂具有典型的解理开裂特征，断裂主要由于外力异常挤压导致产生裂纹源，裂纹源起始于熔核与母材交界的热影响区，并沿热影响区切线方向向两侧母材扩展，由于熔核直径小，加剧了支架断裂的扩展速度。

DC01管路支架；点焊；失效断裂

0　引言

电阻点焊因具有成本低、易于实现机械化和自动化、焊接质量易控制等优点，使其成为汽车钢板连接的主要形式。伴随汽车轻量化发展趋势，车体钢板逐渐倾向采用强塑性高强钢板，例如DP（Dual-Phase，双相）钢、TRIP（Transformation Induced Plasticity，相变诱发塑性）钢[1]，对于一些小型非承载部件的支架选材仍会采用低强度钢板。本文所研究的空调管路支架为低强度钢板DC01不锈钢材料，其由两个折弯板件通过电阻点焊而成，在整车综合耐久试验中支架出现断裂，为此通过系统试验进行失效分析。

1　分析检测

1.1　试验仪器

分析试验采用蔡司Axio Observer Z1m金相显微镜、FEI Quanta 450扫描电子显微镜、SPECTRO MAXx LMF16元素光谱分析仪。

1.2　化学分析及样品外观

按照GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》要求，采用元素光谱分析仪对DC01空调管路支架材料成分及基体维氏硬度进行测试，材料化学成分测试数据见表1，基体维氏硬度为99.6 HV，各项指标均满足标准设计要求。

表1　DC01支架的化学成分（质量分数） %

失效支架外观如图1所示，支架开裂起始于位置2，位置1为安装孔，此位置受到异常挤压磕碰，位置1、2均出现严重的氧化锈蚀。

图1　断裂支架外观

1.3　金相分析

在图1位置2处疲劳开裂位置（裂纹源）取材，制取金相试样，如图2所示，测量得到失效件板厚约1.49 mm，压痕深度约0.12 mm，熔核直径约4.06 mm，熔核直径不符合≥5.3 mm技术要求[2]。观察晶粒度，在断裂位置附近及基体母材中未发现明显非金属夹杂，评定为D系0.5级，晶粒度I 8级，如图3所示，满足材质设计要求。

图2　熔核尺寸

图3　基体晶粒度I 8级

图4　熔核区显微组织

图5　热影响区显微组织

试样的母材组织为铁素体+弥散分布的点状碳化物，如图3所示；熔核区为低碳针状贝氏体，如图4所示；点焊后的热影响区过热区组织粗大如图5所示，属于过渡区，为大块铁素体+针状贝氏体组织，且组织分布不均匀，两相组织性能差异较大，在拉伸过程中应力不能均匀释放，由于贝氏体生成过程中体积膨胀得不到吸收缓解，导致应力积聚，促使裂纹萌生加速[3]，容易发生脆性断裂。

1.4　断口扫描分析

对图1中位置1处异常挤压位置进行断口分析，如图6所示，可以看出此处存在明显挤压磕碰痕迹，图中划痕沟槽明显，这是焊点处异常受力后失稳断裂的直接原因。

图6　异常断口分析

对图1中位置2处疲劳开裂位置进行分析，如图7（a）所示，断裂源区表面具有典型的裂纹源特征，存在一些撕裂后的白色凸起（箭头所示），为表面撕裂粘连痕迹；断口上有细小的晶面，是裂纹顶端发生解理断裂时形成的解理平面，具有典型的沿晶断裂的特点，存在河流状花样，解理平面的形成方向与裂纹扩展方向一致。

如图7（b）所示，靠近裂纹源的扩展区域存在一些光亮度比较大的平滑切面（箭头所示），这是因为在整个裂纹扩展过程中，此区域的扩展速率最低，疲劳循环次数最多，断面不断摩擦挤压，形成光亮凸起的撕裂棱，撕裂棱由微区塑性变形生成，其相当于塑性材料拉伸时的缩颈。

由图7可以看出，支架断裂属于失稳断裂，其形式为脆性断裂，几乎看不到韧窝。

图7　断口扫描分析

通过以上分析，可以确认：DC01型空调管路支架开裂为沿晶脆性断裂，其断裂原因分为内因和外因，非设计因素的外力异常挤压磕碰（例如维修、安装等过程中偶然触碰）及熔核直径小是支架开裂的重要外因；内因主要是热影响区组织不均匀，存在大量针状贝氏体组织，同时夹杂相变不完全转化的铁素体及弥散碳化物，导致两相组织性能差异大，位错运动时极易导致应力集中，产生较多残余应力，受到外力影响极易萌生裂纹[4]。

2　改进措施

针对上述支架断裂原因，提出以下改进建议：

（1）提高点焊工艺质量，增加熔核区直径，使其满足≥5.3 mm要求，并且在焊后进行适当回火，消除过热区的残余应力；

（2）尽量减少对支架的外力异常磕碰，提高维修检查频率，尤其注意增加维修过程中对支架的保护措施。

依据改进建议，进行了工艺调整，更改了点焊焊接电流及电压，使支架熔核直径增至5.4 mm，焊接后进行低温回火。将经过工艺改进后的一批支架装车试验60天，通过抽检发现未出现断裂问题，工艺改进方案可行有效。

3　结束语

本文采用标准的失效分析方法对DC01焊接支架断裂问题进行系统分析，对支架生产工艺进行改进，从后续效果可知问题得到解决，这为支架的生产和维修提供一定指导，也为后续此类零件的失效问题解决提供一定的理论和方法借鉴。

[1]叶平，沈剑平，王光耀. 汽车轻量化用高强度钢现状及其发展趋势[J]. 机械工程材料，2006，30（3）：4-7.

[2]徐艳丽，梅文博，高爽，等. 冷轧低碳钢DC01与不锈钢06Cr19Ni10电阻点焊工艺研究[J]. 焊接技术，2017，46（8）：61-64.

[3]王志苗. 双相钢电阻点焊接头力学性能的研究[J]. 热加工工艺，2014，43（1）：197-198，204.

[4]黄治军，曾冰林，陈宇. DC01与WHT700T异种汽车用钢高速电阻缝焊研究[J]. 武汉工程职业技术学院学报，2014，26（3）：31-33.

2022-11-18

1002-4581（2023）02-0027-03

U463.85+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.007