南 楠，馮繼軍，周天宏

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)商用車有限公司 技術(shù)中心，武漢 430056；3.武漢商學(xué)院 信息工程系，武漢430056)

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重型卡車內(nèi)高壓成型排氣管開(kāi)裂分析

南 楠1，馮繼軍2，周天宏3

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)商用車有限公司 技術(shù)中心，武漢 430056；3.武漢商學(xué)院 信息工程系，武漢430056)

對(duì)市場(chǎng)上頻繁失效的重型卡車排氣管失效樣品進(jìn)行分析，并利用掃描電鏡、能譜分析，金相分析、硬度測(cè)試等手段，檢測(cè)結(jié)果表明排氣管法蘭端和排氣管箍帶處焊縫開(kāi)裂均為異常振動(dòng)引起的高周疲勞。裂紋從排氣管箍帶與支架的焊縫處起源并向箍帶側(cè)擴(kuò)展，隨后法蘭焊縫處也萌生了微裂紋并且擴(kuò)展至管壁基體。近焊縫區(qū)箍帶硬度偏低和法蘭側(cè)管體近焊縫區(qū)晶粒粗大也是造成早期失效重要原因。通過(guò)對(duì)焊接工藝進(jìn)行調(diào)整和對(duì)排氣管進(jìn)行降振處理進(jìn)行改進(jìn)，情況得以改善。

排氣管；高周疲勞；共振；焊縫；晶粒粗大

0 引言

汽車排氣系統(tǒng)的工作效率直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，國(guó)際上針對(duì)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究也越來(lái)越多，特別是馬自達(dá)、大眾等擅長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的汽車精英企業(yè)，尤其具有其獨(dú)特的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精湛的成型加工工藝，使失效率降低到了較低的水平。但是與輕型乘用車不同的是，重型商用車排氣管的實(shí)際工況要惡劣得多，工作溫度常超過(guò)600 ℃，針對(duì)重卡的排氣管研究更值得引起足夠的重視。為減少排氣管受惡劣工況的影響，歐美重卡生產(chǎn)商主要將研究方向集中在如何增加減振柔性部件或改變整體連接結(jié)構(gòu)。例如，國(guó)外商用車生產(chǎn)企業(yè)很早已采用性能優(yōu)異的金屬軟管代替波紋管，而我國(guó)的商用車生產(chǎn)仍一直采用傳統(tǒng)的波紋管連接排氣管和消音器，在降低振動(dòng)疲勞失效方面有局限性。近些年隨著海外技術(shù)的引進(jìn)和交流合作的深化，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始重視新一代減振部件的開(kāi)發(fā)。不僅如此，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的焊接成型工藝相對(duì)日本和歐美老牌制造業(yè)強(qiáng)國(guó)來(lái)說(shuō)仍有一定的差距，由于焊接問(wèn)題而導(dǎo)致的排氣管開(kāi)裂事故也占了不小的比例，改善焊接工藝仍然是需要繼續(xù)關(guān)注的話題。

應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)重型卡車的內(nèi)高壓成型排氣管在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一定比例的開(kāi)裂事故，行駛里程未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。該型排氣管管壁和箍帶材料為0Cr18Ni9(美國(guó)牌號(hào)304)不銹鋼(該材料具有良好的變形加工性能、高溫使用性能且成本經(jīng)濟(jì))，管坯壁厚1.5 mm，法蘭端變形較小，壁厚基本不變，法蘭材料為1Cr13。排氣管中部套著箍帶，箍帶兩端與支架焊接相連，通過(guò)螺栓和螺母將支架與卡車底盤連接，從而實(shí)現(xiàn)排氣管的固定。排氣管支架為普通低碳鋼板。法蘭與管體、箍帶與支架均是采用鎳基焊連接，焊接溫度均在1 250 ℃左右。該系列排氣管失效形式基本相同，大多是在排氣管中間部位的箍帶與支架焊接處以及排氣管尾端法蘭與管體焊接處斷裂，少部分僅在箍帶焊縫處斷裂。失效件的螺栓、螺母經(jīng)外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)破壞性失效。因此，本研究主要對(duì)箍帶端和法蘭端焊縫斷口進(jìn)行失效分析，并從降低外部振動(dòng)和調(diào)整釬焊工藝以提高材料抗性兩個(gè)方面提出改進(jìn)措施，對(duì)減少重型卡車排氣管的振動(dòng)疲勞開(kāi)裂具有參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 損傷形貌

取斷裂痕跡明顯且失效狀態(tài)保護(hù)情況良好的樣品，排氣管箍帶與法蘭端斷口具體位置如圖1所示。箍帶處裂紋起源于焊縫邊緣處，并擴(kuò)展至不銹鋼箍帶基體，未向支架方向延伸。法蘭處斷面嚴(yán)格沿焊縫邊緣起源，直到裂紋擴(kuò)展后期才偏離焊縫，向內(nèi)擴(kuò)展至不銹鋼管基體，并未向外擴(kuò)展至法蘭基體。

1.2 斷口分析

1)箍帶焊縫處斷口分析。

將箍帶和法蘭斷口打開(kāi)，切下斷口樣塊后置于無(wú)水乙醇中超聲清洗15 min，真空干燥處理以便檢測(cè)。在掃描電鏡下觀察箍帶處斷口樣品，發(fā)現(xiàn)箍帶斷面存在多處臺(tái)階，為線起源，裂紋源區(qū)完整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷(圖2a)。高倍觀察箍帶裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌，顯示出細(xì)密的疲勞條帶，表明箍帶為疲勞斷裂(圖2b)。

圖1 箍帶斷口位置及法蘭處斷裂位置

圖2 箍帶裂紋起源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡形貌

2)法蘭焊縫處斷口分析。

用掃描電鏡對(duì)法蘭處斷口進(jìn)行觀察。SEM圖像顯示裂紋起源于焊縫邊緣，為線起源，焊縫處未見(jiàn)焊接、原材料等方面缺陷，也未見(jiàn)腐蝕痕跡(圖3a)。在法蘭斷口擴(kuò)展區(qū)為細(xì)密的疲勞條帶，表明其也為疲勞斷裂(圖3b)。

圖3 法蘭裂紋起源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的掃描電鏡形貌

1.3 金相檢驗(yàn)

1)箍帶端焊縫的金相檢驗(yàn)。

在箍帶與支架的焊縫處取樣制作金相試樣，用王水[1]腐蝕后，金相組織如圖4所示。

低倍下觀察，焊縫質(zhì)量正常，并不是造成開(kāi)裂事故的主要原因(圖4a)。高倍下觀察，盡管支架與箍帶間焊縫中存在一定的氣孔，但并未超標(biāo)程度，另外，基本由焊縫兩側(cè)向中間生長(zhǎng)的發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶，但并未形成大片交錯(cuò)的枝晶網(wǎng)，不存在過(guò)多的顯微縮松(圖4b)。支架組織為鐵素體加少量三次滲碳體，是普通低碳鋼。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，支架選擇低碳鋼，其強(qiáng)度不會(huì)很高。

圖4 箍帶與支架間焊縫的金相組織

2)法蘭端焊縫的金相檢驗(yàn)。

同樣，在法蘭與304不銹鋼管體的焊縫處取樣制作金相試樣，用王水腐蝕后，金相組織形態(tài)如圖5所示。

法蘭金相組織為鐵素體加珠光體，其中鐵素體呈魏氏形態(tài)。焊縫質(zhì)量正常，未發(fā)現(xiàn)未焊透、氣孔、裂紋的焊接缺陷。同時(shí)，可以看到304不銹鋼管壁基體近縫區(qū)部分晶粒粗大(約為3.5級(jí))。通過(guò)對(duì)采用不同焊接參數(shù)的低失效率樣品的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，304基體近縫區(qū)晶粒度在5～7級(jí)之間。晶粒粗大與焊接工藝的加熱溫度或保溫時(shí)間選擇不合理有關(guān)[2-4]。晶粒尺寸過(guò)大嚴(yán)重降低零件的疲勞強(qiáng)度，是開(kāi)裂的促進(jìn)因素。

1.4 硬度測(cè)量

用維氏硬度計(jì)對(duì)兩種金相試樣進(jìn)行硬度測(cè)量。圖6是在支架與箍帶焊縫金相試樣上測(cè)定顯微硬度的情況，5個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別處于不同的位置、相組織上，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。表2為針對(duì)失效件近焊縫區(qū)的304管壁基體和304箍帶基體與未失效批次樣品相應(yīng)位置硬度測(cè)量對(duì)比結(jié)果。結(jié)果顯示，箍帶端焊縫釬料硬度范圍正常，超過(guò)了HV 300且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通低碳鋼的支架基體(表1)。從表2可以看到，304不銹鋼排氣管管體硬度平均為HV 163.7，而未失效件該部位的平均硬度均超過(guò)HV 200，硬度明顯偏低。不銹鋼箍帶近焊縫區(qū)硬度也同樣偏低，平均約為HV 165.4(未失效樣品對(duì)應(yīng)部位的平均硬度約為HV 266.2)，這無(wú)疑也會(huì)降低抗疲勞強(qiáng)度。

圖5 法蘭與304管體焊縫的金相組織

圖6 支架與箍帶焊縫附近硬度測(cè)量位置

HV0.2

1.5 能譜定量分析

由于法蘭焊縫和箍帶焊縫的強(qiáng)度均滿足使用條件，故只對(duì)304不銹鋼管體和304不銹鋼箍帶的近焊縫區(qū)母材成分進(jìn)行元素含量能譜定量分析。采用Oxford X射線能譜分析儀對(duì)管體和箍帶不銹鋼母材進(jìn)行測(cè)試后，得到的定量分析結(jié)果如表3所示。按照相關(guān)要求，其主要元素含量均未見(jiàn)異常。

表2 失效件與未失效件304管體和304箍帶近焊縫基體維氏硬度值

2 分析與討論

據(jù)失效系列樣品發(fā)生斷裂時(shí)的里程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 近焊縫區(qū)304管壁和箍帶的主要元素含量

結(jié)果，其工作壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)預(yù)期，說(shuō)明外部載荷過(guò)大或自身強(qiáng)度偏低。排氣管位于底盤處且與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，最大的外部激勵(lì)源為機(jī)械振動(dòng)。從斷口形貌和金相分析來(lái)看，箍帶焊縫斷口起源區(qū)較為潔凈、完好，擴(kuò)展區(qū)有明顯的高周疲勞特征且為線起源，而焊縫處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常的焊接缺陷，表明該部位是在劇烈振動(dòng)情況下發(fā)生的振動(dòng)疲勞斷裂。法蘭端斷口的情況與之類似(除疲勞擴(kuò)展區(qū)局部由于高溫燃?xì)庵苯記_刷其斷面造成的高溫氧化痕跡)。從失效批次樣品少部分只是箍帶開(kāi)裂而大部分則是箍帶和法蘭兩處均發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的市場(chǎng)情況來(lái)看，箍帶應(yīng)該斷裂在前。

該型排氣管總成的受迫振動(dòng)曲線和加速試驗(yàn)所得的排氣噪聲頻譜數(shù)據(jù)表明，排氣管的一階固有頻率約為92 Hz，且該型卡車使用的是六缸四沖程柴油機(jī)，若以排氣管一階固有頻率作為排氣基頻噪聲頻率，計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速約為1 840 r/min。在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，排氣管收到的激勵(lì)頻率很容易接近排氣管的固有頻率，結(jié)合真實(shí)路況和實(shí)際載重，意味著有很大的概率發(fā)生劇烈共振[5]，造成破壞性失效。在頻繁共振的情況下，微裂紋從箍帶與支架的焊縫處起源，在交變應(yīng)力作用下穿過(guò)強(qiáng)度偏低的不銹鋼箍帶母材，直至斷裂。箍帶處開(kāi)裂后，改變了排氣管的緊固狀態(tài)，在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)下也造成了法蘭端焊縫裂紋的產(chǎn)生。與此同時(shí)，法蘭端不銹鋼管體近焊縫區(qū)部位由于焊接時(shí)加熱溫度或保溫時(shí)間選擇不合理，造成奧氏體晶粒粗大，一定程度上降低了不銹鋼管壁基體的疲勞強(qiáng)度，也導(dǎo)致了疲勞裂紋的快速擴(kuò)展。

3 改進(jìn)建議

按照上述的分析結(jié)果，避免排氣管發(fā)生共振是當(dāng)務(wù)之急。從共振現(xiàn)象起源的角度上講，外部因素有兩個(gè)，一個(gè)來(lái)自路面，另一個(gè)來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，而最大的振動(dòng)源為發(fā)動(dòng)機(jī)[6]。要改善外部振動(dòng)狀態(tài)，主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行降噪處理。內(nèi)部因素為排氣管的固有頻率，它可以通過(guò)改變排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9]。從可行性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮有以下改進(jìn)建議：

1)改變排氣管總成的固有頻率，如改變支架數(shù)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)與之相連的波紋管的壁厚和管長(zhǎng)。當(dāng)前，從簡(jiǎn)潔性和可操作性考慮出發(fā)，已經(jīng)采取的做法是將箍帶數(shù)量從1個(gè)增加至3個(gè)。進(jìn)行長(zhǎng)距離路試試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)情況明顯改善，未發(fā)生相類似的開(kāi)裂事故。

2)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲傳遞影響，增加減振柔性結(jié)構(gòu)，或?qū)⑦B接的波紋管換為高性能金屬軟管。同時(shí)，也需要調(diào)整當(dāng)前不當(dāng)?shù)暮附庸に嚕岣吆缚p質(zhì)量，避免近焊縫區(qū)晶粒粗大：①適當(dāng)縮短釬焊加熱時(shí)間，控制均勻的焊接速度；②避免焊接溫度過(guò)高造成晶粒長(zhǎng)大；③加強(qiáng)焊件的焊前干燥、清理工作，選擇更合適的焊劑和釬料，減少氣孔生成量。將焊接溫度降低至900～1 050 ℃，再進(jìn)行金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)近縫區(qū)奧氏體晶粒粗大狀況得以改善，晶粒細(xì)化為5～6級(jí)，不銹鋼基體硬度也有顯著提高。

4 結(jié) 論

1)在共振作用下，箍帶與支架焊縫處產(chǎn)生微裂紋，微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展并延伸至強(qiáng)度偏低的箍帶，箍帶裂紋擴(kuò)展到一定程度后改變了排氣管的正常固定狀態(tài)，使振動(dòng)情況惡化。共振的發(fā)生是造成開(kāi)裂失效的主要原因。

2)法蘭端，由于制造時(shí)焊接溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，近焊縫區(qū)的304管壁基體晶粒過(guò)于粗大，降低了抗疲勞強(qiáng)度，共振情況下微裂紋產(chǎn)生后便快速擴(kuò)展，促進(jìn)了早期開(kāi)裂。

3)從調(diào)整排氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改善焊接工藝兩方面著手，失效情況得以改善。

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Cracking Analysis of Hydroformed Exhaust Pipe Used in Heavy Truck

NAN Nan1，F(xiàn)ENG Ji-jun2，ZHOU Tian-hong3

(1.SchoolofScience,HubeiUniversityofAutomotiveTechnology,HubeiShiyan442002,China;2.TechnicalCenter,DongfengCommercialVehicleCo.,Ltd.,Wuhan430056,China;3.DepartmentofInformationEngineering,WuhanBusinessUniversity,Wuhan430056,China)

Failure analysis was carried out for one of a certain type of exhaust pipes used in heavy truck which frequently failed in market. SEM, EDS, metallographic analysis, and hardness tests were performed to find out the failure cause. The results show that the cracking of the brazing joint between flange and strap parts was high-cycle fatigue cracking caused by abnormal vibration. The micro crack initiated from brazing joint between strap and holder and propagated into strap due to resonance. Then other cracks initiated at the brazing joint between flange and pipe and then propagated into pipe body. Coarse grain of pipe body and inadequate hardness of strap near brazing joints were also promoting factors. According to the results, the welding process has been adjusted and vibration reduction treatment has been carried out. As a result, such failure has been effectively prevented.

exhaust pipe; high-cycle fatigue; resonance; brazing joint; coarse grain

2016年3月2日

2016年5月13日

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(2014B259)

南楠(1988年-)，男，碩士，主要從事理化檢驗(yàn)及失效分析等方面的研究。

TG142.71,TG454

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.005

1673-6214(2016)03-0151-05