0 前言
某电动车辆股份有限公司电动汽车下摆臂（以下简称摆臂）使用数月便发生断裂，断裂部位为圆形套管与板壁相连的焊接部位，摆臂工作时不断摆动，受循环工作应力。摆臂表面已涂黑色油漆。摆臂用16Mn钢制造。为了弄清断裂原因，改进工艺，提高产品质量，受该公司委托，对断裂样进行了相关检验分析。
1 宏观观察
断裂试样宏观形貌见图1、图2。可见断裂部位位于套管焊缝根部，断裂部位离板臂加强筋焊缝亦很近。断口与焊缝长度方向平行。断口宏观形貌见图3，可见断口边部存在多处疲劳源，且分布于断口两侧加强筋端部附近，图3下部较明显断裂源呈深褐色。
图1 下摆臂宏观形貌 | 图2 摆臂断裂部位放大 |
图3 断口宏观形貌 |
2 扫描电镜分析
图3下部较明显断裂源电镜下低倍形貌见图4，可见明显贝纹线；断裂源较高倍数放大观察，表面氧化严重，见图5，断裂源能谱分析见图6，O元素含量较高；扩展区能谱分析见图7，未探测到明显O元素峰，说明断裂源为先期断裂部位。疲劳扩展区微观形貌见图8，磨损特征明显，断面上存在一些二次裂纹。板厚中间终断区微观形貌为韧窝特征，见图9。电镜下于上述疲劳源同侧及异侧的其它部位亦观察到相对较轻微但性质相同的疲劳扩展断裂特征（图3箭头所示）。
图4 断裂源低倍形貌 | 图5 断裂源放大 |
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图6 断裂源能谱分析 | ||||||||||||||||
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图7 扩展区能谱分析 | ||||||||||
图8 疲劳扩展区微观形貌 | 图9 终断区微观形貌 |
3 光学显微分析
分别平行断面、垂直断面及焊缝磨制金相试样，断面附近焊缝横截面低倍形貌照片见图10，可见在图4所示疲劳源附近的焊缝根部存在未熔合焊接缺陷，抛光后光学显微镜下低倍放大见图11；相对的另一侧焊缝根部存在明显显微裂纹，本质上亦为未熔合，见图12。
图10 焊缝宏观形貌 | 图11 焊根未熔合 |
上述抛光面经试剂浸蚀后，焊根未熔合附近组织见图13，焊缝根部显微裂纹附近组织见图14。局部放大后，焊缝组织见图15，为沿柱状晶分布的先共析铁素体+晶内贝氏体和马氏体；过热区组织见图16，为马氏体；正火区组织见图17，为铁素体+珠光体+贝氏体；不完全正火区组织见图18，为铁素体+细珠光体；母材组织见图19，为铁素体+珠光体。
图12 焊根显微裂纹 | 图13 焊未熔合附近组织 |
图14 焊根裂纹附近组织 | 图15 焊缝组织 |
图16 过热区组织 | 图17 正火区组织 |
图18 不完全正火区组织 | 图19 母材组织 |
4 讨论
通过以上分析可知，摆臂断裂断属多源疲劳断裂。断裂源位于焊缝根部，该部位存在未熔合缺陷，而焊缝根部与焊缝的热影响区毗邻。未熔合是在焊缝金属和母材之间或焊道金属和焊道金属之间未完全熔化结合的部分。断裂源目测呈深褐色，说明该部位在焊接时暴露于空气中而受到高温氧化，即断裂源为焊接未熔合部位。未熔合缺陷大都是以面状存在于焊缝中，通常也被视为裂纹类型的缺陷，在尖端部位会产生应力集中。当摆臂受到循环工作应力时，未熔合尖端会不断扩展，形成周期性的贝纹线，当裂纹扩展超过临界值时，摆臂便完全断裂而失效。焊缝热影响区组织存在马氏体，对裂纹敏感，也进一步缩短了裂纹扩展周期，降低了摆臂的使用寿命。
未熔合产生的原因，主要是焊缝局部受热不足造成。如焊接电流小、焊速快；坡口或焊道有氧化皮、熔渣等，导致一部分热量损失在熔化杂物上，剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属；焊条或焊丝的摆动角度偏离正常位置，熔化金属流动，覆盖到电弧作用较弱的未熔化部分以及焊件装配间隙或坡口角度太小等。焊缝局部受热不足也导致焊缝冷却较快而使热影响区产生马氏体。
摆臂上的加强筋离端部套管太近，且加强筋端部及套管根部均需要焊接，操作空间狭小，焊接时难以保证焊条焊接时以最佳角度及距离进行焊接，极易造成未熔合缺陷。而摆臂断裂源位于断口两侧加强筋端部附近，正是焊接空间最狭小区域。
通过对委托者提供的未断裂的正常摆臂样品观察发现，加强筋是随机固定焊接的，没有设定精确的安装尺寸线加以限定位置，这就造成了一些加强筋与套管距离过近，影响了焊接质量，致使一些焊缝出现未熔合，并成为摆臂断裂失效的起源。
因此，为了避免此类缺陷发生，可以采取以下措施：合理布局加强筋位置，使其距离端部套管不至于过近，乃至影响焊接质量；在保证强度的前提下，适当缩短加强筋长度；加强焊接工艺管理，确保焊接采取合适的焊接角度、焊接距离、焊接电流及焊接速度等焊接工艺参数符合规范要求。
5 结论
电动车用下摆臂断裂属多源疲劳断裂。焊接时由于焊缝布局不合理，焊接空间狭小，导致焊接角度及焊接距离难以控制在合理范围，以及操作不当等造成焊缝根部局部受热不足、冷却较快而产生未熔合。未熔合由于应力集中，在尖端萌生裂纹，裂纹在循环应力作用下会不断扩展直至整个截面断裂失效。热影响区的马氏体组织进一步加速了疲劳扩展过程。可以通过合理布局加强筋位置，在保证强度的前提下，适当缩短加强筋长度，以及加强焊接工艺管理等措施加以解决。
