案例分享：汽車電阻焊連桿斷裂分析
焊接具有連接強度高、工藝簡單、成本低等優點，已成為近代工業生產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，焊接各部位會產生復雜的應力分布和各種形態的缺欠。焊接中的缺欠直接影響焊接接頭的質量，進而影響整體結構的安全運行，甚至可能導致災難性的事故。據統計，世界上各種焊接結構的失效事故中，除屬于設計不合理、選材不當和操作問題外，絕大多數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，減少了結構的有效承載面積，也導致了應力集中。某品牌汽車，于土石路面行駛2800km后，穩定桿連桿在電阻焊位置發生斷裂。穩定桿連桿的一端連減振器支架，一端連穩定桿，斷裂端位于穩定桿端，如圖1所示。穩定桿連桿由桿和球頭組成，桿與球頭材質均為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避后期風險，對該連桿進行一系列理化檢測。
圖1 斷裂連桿外觀
使用基恩士VHX-600E型3D光學顯微鏡，對球頭位置斷口進行宏觀觀察，初步判斷斷口類型。使用HITACHI-SU1510型掃描電子顯微鏡，進行斷口分析。使用ZEISS-Imager.A2m型金相顯微鏡，對材料進行切片觀察和金相分析。采用MITUTOYO維氏硬度計，對斷口附近進行硬度檢測。采用SPECTRO-MAXx型火花原子直讀光譜儀，對球頭和連桿進行材質分析。未斷端與斷裂端材質相同，焊接工藝一致，使用環境近似，作為對比組一起分析。
在光學顯微鏡下，對斷口進行宏觀觀察，如圖2所示。由圖2可知，斷口整體呈現左右對稱，說明裂紋源出現在斷口對稱位置，且連桿受到正向和反向對稱載荷共同作用。區域Ⅰ輕微磨損，存在一定腐蝕，為裂紋源位置；區域Ⅱ為裂紋擴展區，可見明顯的貝殼紋，是典型的疲勞斷裂特征；區域Ⅲ為最后的瞬斷區。瞬斷區相對于擴展區，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取自區域Ⅱ，為裂紋擴展區，斷面存在明顯的輝紋，是典型的疲勞斷裂特征。圖3c取自區域Ⅲ，可見明顯的韌窩，為瞬斷區。
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，裂紋從球頭兩側焊接邊緣處，呈圓弧形深入球頭。對比圖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，測試位置如圖4中標示。
（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，沿焊接熱影響區擴展。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，焊接熱影響區金相組織為細小鐵素體+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JIS Z 2244—2009，對連桿進行維氏硬度檢測，測試載荷0.3kgf（1kgf=9.8N）。測試位置如圖4中標示，測試結果如表1所示。對比斷裂端與未斷端同區域硬度，兩者硬度差異不大。與球頭基材（位置3）和焊縫附近區域（位置4）相比，裂紋源（位置1）和擴展區（位置2）硬度明顯偏低，裂紋易沿薄弱位置擴展。
表2為斷裂端球頭與桿材質分析結果。參照GB/T 699—2015，斷裂端球頭與桿基材均符合20鋼成分規格。表2 球頭與桿材質分析結果（質量分數） （%）
本失效案例，球頭與桿焊接邊緣存在縫隙，縫隙尖端易產生應力集中，形成裂紋源。裂紋擴展區為疲勞輝紋形貌，組織為細小鐵素體+不均勻分布的珠光體，硬度較基材偏低。在交變應力作用下，裂紋沿球頭側熱影響區擴展，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，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構件。在一些車企的歷年統計中，疲勞失效約占總金屬斷裂的70%。實際使用中，焊接缺陷對疲勞強度的影響，要比靜載強度大很多。本案例中，瞬斷區為韌性斷裂，瞬斷區面積也很小，證明零部件所受載荷并不大。因此，在滿足材料疲勞強度的同時，減少可能的疲勞應力，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域產生的電阻熱進行焊接的方法。電阻焊無需添加焊絲、焊條等填充金屬，生產效率高、成本很低。同時，電阻焊加熱時間短，焊接變形小，操作簡單，易于實現自動化。目前，在汽車行業中，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、不穩定因素，往往來不及進行調整，便會造成一定焊接缺欠，進而需要各類檢測。目前，電阻焊無損檢測主要有宏觀檢測、渦流檢測、超聲波檢測等，這些手段對微觀缺欠判斷均存在困難。破壞性檢查，包括生產線鑿檢、力學檢測和切片檢測等，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，一旦發現異常，可能已造成批量事故。為了提高電阻焊焊接質量，除了焊后的檢測，還需要嚴格控制焊接參數。目前，優化電阻焊焊接參數，主要有試驗和數值模擬兩個途徑。電阻焊主要焊接參數有焊接電流、焊接時間和電極壓力等，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?控制試驗變量，減少裂紋、孔穴和未熔合等缺欠，避免應力集中，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），對焊接過程進行模擬。分析焊接參數、焊接材料、焊接厚度等對焊接性能的影響。隨著焊接技術的發展，電阻焊將在今后的工業生產中起到更重要的作用。
作者：郭垚峰，李珍，閆恒，秦超鋒，張越航
單位：富士康科技集團鴻富錦精密電子（鄭州）有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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