330CL轮辋闪光对焊接头失效断裂分析

供稿|王亚东，王立刚，孟庆刚

内容导读

闪光对焊是汽车轮辋生产的主要焊接方法。330CL汽车轮毂实际生产过程中闪光对焊接头易发生失效断裂，增加了产品的废品率，提高了生产成本。本文采用X射线荧光光谱仪、金相显微镜、扫描电镜等表征方式分析330CL轮辋闪光对焊接头失效断裂原因。结果表明，330CL钢的化学成分、金相组织及力学性能均符合YB/T 4151—2015标准要求；起裂位置以及裂纹延伸区域均位于靠近母材的热影响区，而断裂位置处较多的夹杂物以及粗大的晶粒是导致接头失效断裂的主要原因。

闪光对焊属压力焊的一种，是汽车轮辋生产的主要焊接方法之一。330CL钢作为一种热轧车轮钢，广泛应用于汽车轮辋。330CL汽车轮毂实际生产流程如图1所示，在扩张过程中闪光对焊接头易发生失效断裂(图2)，增加了产品的废品率，提高了生产成本。有学者研究称闪光对焊接头的断裂可能是由于母材强度分布不均所致，也有的学者认为可能是由于较多粗大的魏氏体降低了接头的力学性能所致[1-3]。本文对330CL轮辋失效断裂的接头进行微观金相、断口成分以及断口形貌分析，研究闪光对焊接头失效断裂的原因，并提出预防措施。

实验材料和方法

对板厚3.0 mm的问题产品进行试样截取，并进行化学成分及力学性能测试。

图1 汽车轮毂生产流程图

图2 闪光对焊接头端部失效开裂照片

使用Leco金相切割机对问题产品进行取样，试样完整保留了断口的形貌，便于后续对断口的观察。断口试样首先经超声波清洗后进行干燥处理，用ZEISS SUPRA55扫描电镜观察断口情况并分析。同时对该试样焊接接头断裂位置进行机械打磨和抛光，并且用体积分数4%硝酸酒精腐蚀4 s，使用Axioplan2 imaging金相显微镜对试样组织进行观察，判断断裂位置处的金相组织。

结果与讨论

330CL钢化学成分及力学性能

330CL钢化学成分检测结果见表1，力学性能结果见表2，均满足YB/T 4151—2015标准中对330CL车轮用热轧钢板的要求。

表1 330CL钢的化学成分(质量分数，%)

断口扫描电镜分析

图3为试样断口处的微观形貌。从图中可以看到断裂处具有明显的微孔聚集，表明断口是以韧性断裂为主的断裂形式[4]。此外，图3(b)显示断口处有尖锐棱角的夹杂物的存在。夹杂物主要成分为O、Fe、Al、S、Mn等(表3)，其中O是闪光对焊过程中的金属烧损而产生[5]，而 S、Mn是由于母材本身该元素含量较高所致。夹杂物的存在会在一定程度上弱化晶界的连接强度，在后续的扩张工艺过程中从靠近母材的热影响区位置开始作为裂纹起始点而开裂，从而成为部件开裂的主要原因。

图3 试样断口处微观形貌：(a) 韧窝形貌；(b) 夹杂物形貌

表3 断口处夹杂物化学成分(质量分数，%)

金相组织分析

使用Axioplan2 imaging金相显微镜对母材以及接头断裂位置处进行金相组织观察，其中断裂位置位于接头中靠近母材的热影响区。试样的制备依据GB/T13298—2015要求来进行。图4(a)显示330CL母材内部组织由铁素体及少量珠光体组成；靠近母材的热影响区产生断裂位置处受焊接热循环的影响，其断裂位置组织由粒状贝氏体与少量魏氏体组成。

图4 金相组织图：(a) 母材金相组织；(b) 断裂位置金相组织

对比发现，断裂位置的平均晶粒尺寸明显大于母材晶粒尺寸，粗大的晶粒尺寸会降低接头的韧性。断裂位置处粗大晶粒的形成与焊接接头的过热程度有关。在闪光对焊过程中，焊接热输入量越大，高温停留时间越长，越容易产生魏氏体组织，得到的焊接接头韧性也就越差。在后续的生产工序中，部件的残余应力将集中于焊接接头区域，最终在轮辋应变量较大的接头端部发生失效断裂。因此，闪光对焊过程导致的近母材的热影响区晶粒组织粗大为失效断裂发生的原因之一。

图5显示母材沿轧制方向的厚度中心位置存在带状夹杂物，这可能为残留在钢中的破碎Al2O3夹杂物，进一步分析表明与表3所获得的夹杂物成分较为相似。因此，母材中残留的破碎夹杂物也可能为断口位置夹杂物的来源之一。

图5 板材轧制方向心部带状夹杂物

结束语

采用X射线荧光光谱仪、金相显微镜、扫描电镜等表征对330CL轮辋失效断裂的断口成分、金相、形貌进行分析，发现靠近母材的热影响区金相晶粒的粗大、韧性降低与晶界处夹杂物的产生是闪光对焊接头发生断裂的主要原因。因此，在钢板的生产工艺上严格控制S、O、Mn、P、Al等元素含量，可以使成材满足产品的强度及涨型性能要求。此外，在闪光对焊工艺上，调整顶锻速度和顶锻量达到有效挤出焊接端面产生的复杂氧化物的目的。同时也适当减小焊接热输入量，防止出现粗大的魏氏体组织，保证产品的力学性能，提高产品成材率。