感應器安裝座斷裂分析與結構設計優(yōu)化

朱水珍，蔣江明

(1.株洲南車特種裝備科技有限公司，湖南 株洲 412005;2.株洲九方裝備股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

感應器安裝座各組件采用混合氣體(80%Ar+20%CO2)保護焊進行焊接，安裝座起固定和安裝感應器的作用。機車運行過程中安裝座受感應器自重及較小的交變載荷。機車運行3年后，反饋個別安裝座加強筋焊趾位置焊縫產生裂紋，裂紋擴展進而導致底板斷裂。安裝座開裂位于底板和加強筋的焊縫交接處，加強筋焊縫的垂直高度設計為5 mm(圖1)。焊縫的強度設計經過有限元分析軟件分析和計算，強度足夠滿足產品的運行載荷要求。為確定焊縫開裂的原因，對發(fā)生開裂的失效件和同批次庫存產品進行焊縫的解剖、焊接組件的理化分析，以防止在機車運行過程中再次發(fā)生類似故障，為產品結構設計與優(yōu)化提供參考。

1 試驗過程與結果

1.1 感應器安裝座受力情況分析

感應器安裝座裝配在機車轉向架底部，離軌道面垂直高度約300 mm，裂紋源位于加強筋與底板焊縫焊趾熱影響區(qū)，該處為機車運行過程中安裝座自重與交變載荷合力力矩最大位置(圖1)。

1.2 斷口宏觀觀察

通過對現(xiàn)場回收的6件發(fā)生開裂的安裝座進行外觀觀察可知，發(fā)生開裂的安裝座，其開裂位置90%在加強筋焊趾位置(圖2)，個別焊縫焊趾存在明顯的焊接夾渣缺陷;10%在筋板焊趾加強筋側熱影響區(qū)位置，該處存在局部輕微咬邊［1］(圖3)。

安裝座共有對稱的4處加強筋，其焊趾位置多數(shù)均發(fā)生不同程度開裂。將開裂處剖開后發(fā)現(xiàn)，斷口平整、細膩，顏色較深并已銹蝕。具有明顯的單一疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)(橢圓標識區(qū)域)和瞬時斷裂區(qū)(橢圓標識以外區(qū)域)，斷口表面形貌呈海灘(或貝殼)花樣［2］(圖4、圖5)。圖4中裂紋源位于海灘(或貝殼)花樣放射區(qū)中心，即加強筋焊趾位置，且疲勞裂紋擴展區(qū)面積占約整個斷口面積的75%以上，可見產品使用過程中所受交變載荷較小，即裂紋擴展緩慢。與之對稱的底板斷口圖5中顯示，疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)有明顯分界線。

圖1 感應器安裝座裝配圖與成品Fig.1 Product and installation of the inductor

圖2 裂紋源位于加強筋板焊趾處Fig.2 Crack source located strengthen ribs at the weld toe

圖3 裂紋源位于加強筋焊趾熱影響區(qū)Fig.3 Crack source located strengthen tendons weld toe heat affected zone

圖4 加強筋焊趾處斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of stiffener at the weld toe

圖5 底板斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of bottom plate

1.3 化學成分分析

采用日本島津PDA－7000發(fā)射光譜儀對感應器安裝座各焊接組件進行化學成分分析，分析結果符合GB 3531中16MnDR的技術要求。

1.4 金相檢驗

用線切割將開裂處剖開并進行低倍腐蝕，箭頭指示處焊趾位置宏觀上無明顯焊縫夾雜缺陷。裂紋由焊縫熔池較淺處萌生，并向底板擴展，裂紋平直，見圖6。由圖可知，焊縫內部無明顯未熔合等焊接缺陷;但裂紋萌生處焊縫熔池較淺。結合全部發(fā)生斷裂產品的外觀特點綜合分析可知，焊縫熔池較淺是發(fā)生斷裂的原因之一。

圖6 裂紋沿焊接熱影響區(qū)擴展Fig.6 Crack extended along the weld heat affected zone

通過對底板、加強筋、圓管取金相試樣，各焊接組件A類硫化物類夾雜物等級均為i=0.5，B類氧化鋁類夾雜物i≤1、D類環(huán)狀氧化物類夾雜物等級i=1，顯微組織均為正常的熱軋型材正火態(tài)組織(即晶粒度均為7.5級，顯微組織為珠光體+鐵素體組織)。

對圖6微裂紋處進行腐蝕，觀察裂紋微觀形貌，由圖7、圖8可知，裂紋為典型的穿晶裂紋［3］。由于構件工作時所受載荷較小，發(fā)生穿晶裂紋的原因為裂紋源處焊縫熔池較淺，個別存在外觀缺陷或開口狀缺陷，機車運行時，該處應力集中，受交變載荷，導致產生疲勞裂紋并緩慢擴展。

2 分析與討論

由上述分析知，產品發(fā)生開裂處位于筋板焊趾焊縫熔池較淺處，該處結構上形成應力集中缺口［4］，并且該處所受的綜合力矩最大。圓管與底板的焊接結構設計有多處焊縫，焊接時焊縫內部焊接綜合應力較大［5］。經生產現(xiàn)場確認，在實施產品焊接時，部分焊工在加強筋焊趾位置收弧或起弧，造成加強筋焊趾處出現(xiàn)熔池過淺或焊接缺陷(收弧或起弧時焊接電流較小)的幾率增加［6］，并導致焊縫強度降低。另外產品的焊縫性能等級為BS EN15085－3:2007標準CP C2，檢查等級為CT3，即生產過程中未對焊縫進行消除焊接應力處理，也未對焊縫進行無損檢測的要求［7］。生產過程中對焊縫表面可能存在的焊接缺陷未進行無損檢測手段把關，安裝座產生疲勞裂紋的隱患未能有效排除。

圖7 裂紋低倍形貌(未侵蝕)Fig.7 Crack morphology(not etching)

圖8 裂紋形貌Fig.8 Morphology of the crack

為查找安裝座開裂是否存在其他原因，組織重新生產10件安裝座，焊縫表面及焊縫周圍20 mm范圍內經磁粉探傷合格后，交付機車運營現(xiàn)場進行不合格安裝座的更換。機車運行1個月后，磁粉探傷合格的部分安裝座在同一位置仍有部分產生微裂紋;因此，產品焊縫密集，焊縫內部應力較大，也會造成產品相同位置發(fā)生開裂。

機車運行時，因焊接組件所受的載荷較小，焊縫和組件結構設計強度不夠不是發(fā)生底板開裂的根本原因。當焊縫表面存在目視不易發(fā)現(xiàn)的咬邊、氣孔、未熔合等焊接缺陷時，降低了焊接組件的有效截面積和造成應力集中［8］;另焊接內應力未消除時，焊縫疲勞性能降低，疲勞裂紋極易從缺陷或缺口處萌發(fā)，并緩慢沿底板焊縫熱影響區(qū)擴展(機車運行已達3年)，最終導致底板斷裂。為彌補上述不足，該產品生產工序必須增加對焊縫的無損檢測和焊后去應力退火處理，也可以考慮優(yōu)化結構設計，減少焊縫數(shù)量或采用鑄鋼件整體鑄造成型(設計變更為鑄鋼件)。

3 結論

感應器安裝座裂紋為疲勞裂紋，為防止類似問題再次發(fā)生，在不增加成本的前提下，可進行如下焊接工藝或整體采用鑄鋼件:

1)為減少加強筋焊趾位置焊接缺陷發(fā)生的幾率，產品組焊時嚴禁在結構件焊趾位置收弧和起弧。

2)將安裝座底板改為鑄鋼件底座，與圓管進行對接焊，最終將圓管與底板焊接的焊縫數(shù)量由9條減少至1條對接焊縫，以減少焊縫數(shù)量和降低焊縫焊接應力。

3)經設計計算，將整個安裝座采用ZG275－485H鑄鋼件整體鑄造成型，鑄件加工前進行退火，從根本上消除焊接缺陷和焊接應力。

［1］蔣江明，朱水珍.客運專線鐵路道岔臺板焊縫開裂分析［J］.理化檢驗:物理分冊，2010，46(5):327 －328.

［2］王仁智，吳培遠.疲勞失效分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1987:13.

［3］G.亨利，D.豪斯曼特.宏觀斷口學及顯微斷口學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997:21.

［4］蔣江明，朱水珍.客運專線道岔鐵墊板斷裂分析［J］.失效分析與預防，2009，4(4):206.

［5］宋天民.焊接殘余應力的產生與消除［M］.北京:中國石化出版社，2005:175.

［6］武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:238.

［7］歐洲電工標準化委員會.BS EN 15085－3:2007.鐵路上的應用—鐵路車輛及其部件的焊接—第3部分:設計要求［S］.布魯塞爾:CEN，2007.

［8］孟廣喆，賈安東.焊接結構強度和斷裂［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1986:198.