5系鋁合金裙板電阻點焊失效分析

程石來 張永杰 林 燕 張 健

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

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5系鋁合金裙板電阻點焊失效分析

程石來 張永杰 林 燕 張 健

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

針對高速列車整車運行試驗階段中發(fā)現(xiàn)的電阻點焊焊點失效問題，采用了化學成分、宏觀金相、剝離試驗及模擬計算與實際監(jiān)測相結(jié)合的分析方法，找出了焊點失效的根源。結(jié)合車輛實際運行監(jiān)測數(shù)據(jù)和問題分析結(jié)論，對失效問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過實際運行證明了分析結(jié)論可靠、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案切實可行。

5系鋁合金；電阻點焊；失效分析

電阻點焊因其生產(chǎn)效率高，外觀平整，焊后基本無變化等優(yōu)點，被國內(nèi)外軌道交通行業(yè)廣泛應(yīng)用，如：不銹鋼動車組、鋁合金高鐵項目中非高強度部件等。青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司生產(chǎn)的列車在前期整車運行試驗階段，發(fā)現(xiàn)鋁合金裙板的電阻點焊出現(xiàn)焊點失效問題。為了及時有效地解決這一問題，公司成立了專項分析小組，對電阻點焊失效問題進行全面分析。

1 失效故障調(diào)查

通過對電阻點焊后的失效焊點進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)所有失效的焊點均發(fā)生在裙板的固定座與裙板間。其失效方式共有2種：裂紋橫貫焊點，如圖1(a)所示；焊點與一側(cè)母材間剝離，與另一側(cè)母材結(jié)合良好，如圖1(b)所示。從失效形式來看，焊點失效有以下可能性：圖1(a)所示的失效，是在試運行過程中，焊點中心原本存在的裂紋源在外界應(yīng)力的作用下，向兩端擴展，導致焊點失效；圖1(b)所呈現(xiàn)的失效，是焊點邊緣原本存在焊接缺陷，焊點在線運營時受到的法向力超出了焊點的容許應(yīng)力或者是焊點工藝本身就不合格，亦或是母材錯用原材料所致。

圖1 電阻點焊失效照片

2 焊接工藝及母材分析

根據(jù)ISO15614—12規(guī)定，電阻點焊的工藝評定(WPQR)是根據(jù)設(shè)備及材料、板厚的不同而分別進行的，不存在覆蓋范圍。查閱項目之初的WPQR數(shù)據(jù)，失效電阻點焊的各項試驗結(jié)果均符合要求。同時，查詢?nèi)拱搴附庸ぷ饔涗洐n案發(fā)現(xiàn)，每天開工前進行的電阻點焊簡單工作試樣的試驗結(jié)果也符合要求，以上可以排除焊接工藝存在問題的可能性。

裙板采用的材料為5083鋁合金板，其厚度為3 mm?？紤]到同樣厚度的鋁板，公司有多種牌號，存在母材被錯用的可能性，所以，從失效的裙板上取樣，對其材質(zhì)進行了化學成分分析，結(jié)果如表1所示。通過對比，母材的化學成分也沒有問題，不存在原材料錯用現(xiàn)象。

表1 裙板及支架原材料化學成分 /%

3 失效焊點宏觀分析

為了解失效焊點的內(nèi)部真實情況，對裙板失效焊點進行了斷面宏觀金相分析，以確認焊點失效的發(fā)源點或缺陷(見圖2)。從圖2(a)可以看出起裂點為點焊結(jié)合面的焊點邊緣，在法向外力的作用下，裂紋沿焊點邊緣向母材擴展，但未延伸到母材外表面；圖2(b)的宏觀斷面是取自焊點外表有貫穿性裂紋失效顯示的焊點，其起裂點也是沿點焊結(jié)合面的焊點邊緣發(fā)生，而后在法向外力的作用下，向焊點內(nèi)部擴展，并發(fā)展到母材外表面。

圖2 失效焊點斷面宏觀金相

從圖2的宏觀金相分析可以得到一個初步的結(jié)論：焊點結(jié)合力是符合要求的，焊點內(nèi)部并無明顯缺陷，失效最大的可能是存在過大的法向應(yīng)力。為了驗證這一點，又追加了更多的試驗，包括對裙板其他未出現(xiàn)失效的焊點進行斷面宏觀分析，對更多的失效焊點進行宏觀試驗以及從裙板上直接取樣進行剝離試驗等。這些追加試驗顯示：焊點直徑均在9.5 mm以上且熔合良好，無內(nèi)部缺陷，焊點剝離均符合EN 15085—2008《軌道車輛及其部件的焊接》標準及設(shè)計圖紙要求，如圖3所示。

圖3 焊點補充試驗

根據(jù)上述的母材化學成分、WPQR數(shù)據(jù)、剝離試驗及宏觀金相分析等，初步判斷下一步問題分析的焦點應(yīng)該是結(jié)構(gòu)強度、疲勞應(yīng)力、法向分力的大小等因素。

4 結(jié)構(gòu)驗證

4.1 模擬計算核查

裙板設(shè)計階段，需對其進行相關(guān)的受力模擬計算。模擬計算采用ANSYS軟件，計算模型為catia三維整車加載。計算根據(jù)EN 12663—2000《鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》中的加載方式進行。計算中采用的疲勞載荷為±930 Pa，其來源于前期空氣動力學計算及后期其他項目中實測的風壓值；計算加速度載荷是依據(jù)EN 12663—2000標準中規(guī)定的限界值±0.15g(g為重力加速度)。全部計算過程及加載方式，經(jīng)過復查均符合要求，無超出容許應(yīng)力值的現(xiàn)象。

4.2 在線動態(tài)測試試驗

為了探究問題所在，對在線調(diào)試運行的試驗車輛的裙板進行在線動態(tài)監(jiān)測，主要測量實際運行時裙板的風壓和加速度2項參數(shù)。而這2項參數(shù)是焊點法向分力的直接來源，它與裙板是順向(順風)或逆向(逆風)行駛有直接關(guān)系，所以監(jiān)測過程中2種前進方向都需要充分考慮，如圖4所示。

圖4 在線測試感應(yīng)點布置

在線運行試驗過程中的監(jiān)測結(jié)果顯示：無論裙板是順向行駛還是逆向行駛，其風壓載荷均在±800 Pa范圍內(nèi)波動(見圖5)；當裙板是順向行駛時，其風壓加速度約為±8g,而逆向行駛時，該加速度可達±30g(見圖6)。

圖5 在線風壓監(jiān)測結(jié)果圖

圖6 在線加速度監(jiān)測結(jié)果圖

4.3 結(jié)果分析

從在線實測的結(jié)果來看：運行過程中裙板所受到的風壓值并不大，僅為±800 Pa，符合設(shè)計之初的計算載荷±930 Pa。而在線實測得到的風壓產(chǎn)生的疲勞加速度為±30g，遠遠超出了EN 12663—2000標準中規(guī)定的計算加速度值±0.15g的范圍，這會導致裙板在運行過程中，出現(xiàn)多階模態(tài)振動，進而使裙板支座各個焊點的疲勞壽命遠低于結(jié)構(gòu)預期壽命。后續(xù)跟進的疲勞監(jiān)測顯示：在車輛1個調(diào)試運行周期內(nèi),裙板的一階疲勞頻次高達45萬次左右，如圖7所示。

圖7 在線振動監(jiān)測結(jié)果圖

基于上述各種分析可以看出：焊點失效的根源在于小應(yīng)力高疲勞所導致的疲勞失效。

5 處理措施

為了解決裙板運行過程中的高頻振動所帶來的焊點疲勞破壞，對其結(jié)構(gòu)進行了以下優(yōu)化，以提高其剛度，降低振動頻幅：減小了裙板的受力面積；將原結(jié)構(gòu)中的支座與面板連接改為支座與加強梁直接連接；裙板承載結(jié)構(gòu)從單純的支座承載方式，改進為框架整體承載結(jié)構(gòu)。圖8所示為改進前、后裙板結(jié)構(gòu)的3D模型。

圖8 結(jié)構(gòu)改進前后裙板3D模型

改進后的結(jié)構(gòu)不但剛度提高，而且支座數(shù)也較之前減少了。經(jīng)過模擬計算和在線運行試驗后確認：新結(jié)構(gòu)的裙板所受風壓載荷范圍較原來的±800 Pa有所降低；加速度值也達到了EN 12663—2000標準中規(guī)定的計算范圍±0.15g。經(jīng)過1年多的實際運營跟蹤調(diào)查，新結(jié)構(gòu)裙板的所有焊點再無失效問題出現(xiàn)，證明結(jié)構(gòu)改進方案切實可行，焊點失效問題得到有效解決。

6 結(jié)論

經(jīng)過上述電阻點焊失效問題的處理過程，可以得到以下幾點結(jié)論：

(1)3 mm厚5083鋁合金裙板采用電阻點焊工藝，可保證裙板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量；

(2)原裙板結(jié)構(gòu)中焊點失效，其主要原因為小應(yīng)力高疲勞所導致的疲勞失效；

(3)改進后的裙板結(jié)構(gòu)有效克服了運行過程中風壓加速度所帶來的疲勞破壞?！?/p>

(編輯：李琳琳)

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2015-12-03

程石來(1974-)，男，工程碩士學歷，高級工程師，從事高速軌道列車焊接工藝研究工作。

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