薛喜才

（上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201800）

0 引言

近幾十年來，國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展較為迅速，汽車的安全性逐漸進入公眾的視野，特別是“2019年底帕薩特在中保研25%偏置碰撞中出現(xiàn)A柱斷裂事故”事件，更是引起人們以及國內(nèi)眾多車企對車輛安全性能的重視[1-4]。汽車側面又是整車安全系統(tǒng)中最為薄弱的部位，一旦發(fā)生事故，極易威脅駕駛員以及乘客的安全。因此，如何提高側面的安全性和可靠性是各大汽車企業(yè)關注的重點，而車門防撞桿是汽車側面安全的重要組成部分，提高防撞桿的強度以及結構剛度更是科研人員研究的重點方向[5-6]。

目前市場上防撞桿的形式大致可分為3種，即沖壓板件W-section型、Box型，Tube管狀防撞桿[7]。特別是焊管防撞桿由于成型結構簡單、成本低，應用較為廣泛。防撞桿的材料大都采用高強度、甚至超高強度鋼板[8]，如DP600，通過熱沖壓成型（馬氏體鋼）或冷成型+淬火回火工藝獲得回火馬氏體組織鋼，使汽車獲得較高的碰撞安全系數(shù)和輕量化效果[9]。但是防撞桿采用高強度鋼材的同時，除了會造成制造成本增加外，還可能會引起其他諸如焊接等方面的問題。

車型防撞桿采用高強度焊管，在側面碰撞后發(fā)生開裂。通過外觀觀察、金相組織分析、斷口分析以及三點彎曲試驗等分析，找到失效的根本原因并優(yōu)化零件的結構布置。

1 試驗簡介

由于國內(nèi)的汽車工業(yè)起步較晚，新車的碰撞標準大都參考歐美以及日韓等汽車工業(yè)較為發(fā)達的國家，如 2006年制定的 C-NCAP (China New Car Assessment Program)標準。該標準通過對市場上隨機購買車型進行更嚴格、更安全的碰撞試驗，將試驗結果按星級評定并客觀反饋給消費者[10-11]。因此，很多汽車企業(yè)按照該標準對新車進行開發(fā)和生產(chǎn)。

依據(jù)C-NCAP標準，將試驗車輛固定，移動臺車前加裝6格蜂窩鋁塊，移動變形壁障中心線與試驗車輛R點對齊，移動變形壁障縱向與試驗車輛前排座椅R點靠后250 mm點相垂直，碰撞速度約50 km/h，試驗過程示意圖見圖1。

圖1 側面碰撞示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of side impact

側面壁障碰撞完成后，需要檢查零件的變形情況來分析工況是否滿足試驗要求，如車門內(nèi)外板變形是否正常，車門防撞桿是否開裂，車門加強板是否彎折以及是否存在更為嚴重的斷裂、失效等風險。當側面壁障碰撞工況上述相關車身結構信息處理完成后，在通過車內(nèi)假人的傷害曲線評估其受到的傷害程度。

2 試驗過程與結果

2.1 外觀檢查

某車型防撞桿側面經(jīng)碰撞后檢查發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開裂（圖2），這在C-NCAP試驗以及企業(yè)碰撞技術規(guī)范中屬于嚴格不允許出現(xiàn)的現(xiàn)象。該前門防撞桿為焊管一字形布局，管長 635 mm，直徑為 28 mm，壁厚為2.2 mm。防撞桿上3處安裝支架，支架與防撞桿通過二氧化碳保護焊接在一起；兩端支架與車門內(nèi)板焊接，中間支架與車門內(nèi)板膠結。

圖2 失效的車門防撞桿Fig.2 Failed bumper bar of car door

從防撞桿外觀上看，防撞桿彎曲變形，開裂處開口方向與碰撞時受力方向一致，說明防撞桿是受到側面碰撞后變形、開裂。此外，防撞桿開裂位置位于焊管中間，碰撞過程中屬于變形較大區(qū)域，且開裂位置靠近中間支架焊縫，為焊接熱影響區(qū)，局部結構上由于焊縫明顯凸起而在熱影響區(qū)存在應力集中。

2.2 材料成分及硬度測試

焊管材料化學成分見表1，可知化學成分符合技術要求。焊管硬度測試結果見表2，通過與同批次零件進行對比，未發(fā)現(xiàn)失效件硬度異常。

表1 零件化學成分（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition of the part (mass fraction /%)

表2 零件硬度測試Table 2 Hardness testing result of the parts

2.3 三點彎曲試驗

為了驗證防撞桿機械性能是否滿足技術要求，依據(jù)企業(yè)技術要求，隨機抽取2件同批次焊管進行三點彎曲試驗。試驗條件：室溫，加載速度為5 mm/s，焊管焊縫與壓頭加載方向的角度為90°，為了減少兩側支撐頭摩擦力的影響，支撐頭應為轉動式。試驗示意圖以及載荷與位移曲線見圖3，可見曲線未出現(xiàn)異常波動。

圖3 三點彎曲試驗Fig.3 Three-point bending test

試驗結果見表3。試驗加載點位移分別為50、100、150 mm時，吸能值均滿足要求，推測防撞桿力學性能滿足技術要求的。

表3 防撞桿吸能值Table 3 Energy absorption of bumper barsN?m

2.4 斷口觀察

根據(jù)碰撞塊撞擊方向，很容易判斷防撞桿裂紋源區(qū)域位置與碰撞方向呈180°。裂紋源區(qū)附近外觀形貌見圖4。焊管裂紋源靠近支架焊縫，且裂紋源附近材料縮頸現(xiàn)象明顯。對裂紋源進行掃面電鏡觀察，可見韌窩形貌，說明焊管屬于受到撞擊發(fā)生韌性過載開裂（圖5）。

圖4 開裂處附近外觀Fig.4 Appearance of cracking region

圖5 裂紋源微觀形貌Fig.5 Micro morphology of crack source

2.5 金相分析

沿著裂紋源縱向取樣進行金相檢驗，結果見圖6。焊管熔深正常，支架100%熔透，無明顯的焊接缺陷（圖6a）。焊縫有多道焊的痕跡，這是由于支架焊接前需要定位、預焊。

焊管熱處理方式為中頻淬火+低溫回火，微觀組織應該為回火馬氏體。通過對焊管遠離斷口區(qū)域進行測試分析，焊管基體材料微觀組織為回火馬氏體（圖6b），基體材料組織正常，說明焊管進行了正常的熱處理工藝。觀察開裂處金相組織（圖6c），微觀組織為拉伸變形的鐵素體+珠光體、與基體明顯不同，組織已經(jīng)發(fā)生轉變；開裂處硬度約為HV0.5190，遠低于焊管基體硬度（約HV 500）。由于焊管開裂處緊靠支架焊縫，很容易受到焊接輸入熱量的影響，進而導致附近材料組織轉變，材料強度降低。

圖6 零件金相組織Fig.6 Microstructure of the part

3 分析與討論

車門防撞桿側面壁障碰撞時發(fā)生開裂，通過對同批次焊管進行三點彎曲試驗可知，焊管機械性能滿足技術要求。失效焊管材料化學成分滿足要求，硬度正常，這說明防撞桿的開裂失效與焊管材料性能無關。斷口分析顯示，防撞桿受到碰撞變形、開裂方向與其受力方向相一致；在防撞桿開口最大區(qū)域即裂紋源附近可見明顯的縮頸現(xiàn)象；裂紋源微觀上呈韌窩形貌，這說明焊管屬于受到撞擊發(fā)生韌性過載開裂。金相分析顯示，焊管基材為回火馬氏體，組織無異常，但開裂部位材料組織為變形的鐵素體+珠光體，與基材明顯不同。硬度測試顯示，開裂區(qū)域硬度約HV 190，基材材料硬度約HV 500，開裂區(qū)域材料強度明顯弱于基體。通過以上分析表明，焊管是由于局部強度遭到弱化，導致碰撞時發(fā)生開裂。

觀察焊縫開裂位置可以發(fā)現(xiàn)，開裂部位緊靠支架焊縫，支架焊接過程中勢必會受到輸入熱的影響。而焊管為高強度管材，其熱處理為淬火+低溫回火，材料為非穩(wěn)態(tài)組織[12]，在受到熱量的影響時，很容易發(fā)生材料轉變、回復，進而強度降低。

此外，焊管與支架通過2條焊縫連接（圖7a）。單條焊縫長度為 28 mm，焊管為?28 mm，這說明焊管周向約1/3區(qū)域都會受到焊接熱的影響，材料遭到弱化，而焊管碰撞時受力方向與焊縫呈180°，碰撞時焊管發(fā)生彎曲變形，焊縫區(qū)域為薄弱點，自然成為裂紋源，率先發(fā)生開裂。

圖7 防撞桿與支架焊縫示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of weld seam between bumper bar and support

因此，為了減輕焊縫輸入熱對防撞桿材料性能的影響，需要對焊縫布置進行優(yōu)化或更改連接方式。優(yōu)化方案有2種，如圖7b、圖7c所示。此兩種方案均可減輕焊接輸入熱的影響，但基于可操控性以及便捷的角度考慮，優(yōu)化方案二更貼近實際生產(chǎn)上需求。目前，通過更改焊縫布置，該結構防撞桿已經(jīng)通過側面壁障碰撞試驗，并順利實現(xiàn)量產(chǎn)。

4 結論與建議

1）防撞桿材料為高強度焊管，經(jīng)過淬火+低溫回火后組織敏感性較高；同時，防撞桿受到焊接熱的影響，導致焊縫附近區(qū)域焊管材料遭到弱化，成為薄弱點，在受到側面撞擊、變形時發(fā)生韌性過載開裂。

2）通過優(yōu)化焊管與支架的焊縫布置，周向焊接更改為縱向焊接，減輕焊接熱的影響，零件已經(jīng)順利通過試驗。