程石來(lái) 張永杰 林 燕 張 健

(青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)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(diǎn)焊失效分析

程石來(lái) 張永杰 林 燕 張 健

(青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東 青島 266111)

針對(duì)高速列車整車運(yùn)行試驗(yàn)階段中發(fā)現(xiàn)的電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)失效問(wèn)題，采用了化學(xué)成分、宏觀金相、剝離試驗(yàn)及模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)相結(jié)合的分析方法，找出了焊點(diǎn)失效的根源。結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和問(wèn)題分析結(jié)論，對(duì)失效問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明了分析結(jié)論可靠、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案切實(shí)可行。

5系鋁合金；電阻點(diǎn)焊；失效分析

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

1 失效故障調(diào)查

通過(guò)對(duì)電阻點(diǎn)焊后的失效焊點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)所有失效的焊點(diǎn)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(diǎn)，如圖1(a)所示；焊點(diǎn)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(lái)看，焊點(diǎn)失效有以下可能性：圖1(a)所示的失效，是在試運(yùn)行過(guò)程中，焊點(diǎn)中心原本存在的裂紋源在外界應(yīng)力的作用下，向兩端擴(kuò)展，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效；圖1(b)所呈現(xiàn)的失效，是焊點(diǎn)邊緣原本存在焊接缺陷，焊點(diǎn)在線運(yùn)營(yíng)時(shí)受到的法向力超出了焊點(diǎn)的容許應(yīng)力或者是焊點(diǎn)工藝本身就不合格，亦或是母材錯(cuò)用原材料所致。

圖1 電阻點(diǎn)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(diǎn)焊的工藝評(píng)定(WPQR)是根據(jù)設(shè)備及材料、板厚的不同而分別進(jìn)行的，不存在覆蓋范圍。查閱項(xiàng)目之初的WPQR數(shù)據(jù)，失效電阻點(diǎn)焊的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均符合要求。同時(shí)，查詢?nèi)拱搴附庸ぷ饔涗洐n案發(fā)現(xiàn)，每天開(kāi)工前進(jìn)行的電阻點(diǎn)焊簡(jiǎn)單工作試樣的試驗(yàn)結(jié)果也符合要求，以上可以排除焊接工藝存在問(wèn)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(hào)，存在母材被錯(cuò)用的可能性，所以，從失效的裙板上取樣，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比，母材的化學(xué)成分也沒(méi)有問(wèn)題，不存在原材料錯(cuò)用現(xiàn)象。

表1 裙板及支架原材料化學(xué)成分 /%

3 失效焊點(diǎn)宏觀分析

為了解失效焊點(diǎn)的內(nèi)部真實(shí)情況，對(duì)裙板失效焊點(diǎn)進(jìn)行了斷面宏觀金相分析，以確認(rèn)焊點(diǎn)失效的發(fā)源點(diǎn)或缺陷(見(jiàn)圖2)。從圖2(a)可以看出起裂點(diǎn)為點(diǎn)焊結(jié)合面的焊點(diǎn)邊緣，在法向外力的作用下，裂紋沿焊點(diǎn)邊緣向母材擴(kuò)展，但未延伸到母材外表面；圖2(b)的宏觀斷面是取自焊點(diǎn)外表有貫穿性裂紋失效顯示的焊點(diǎn)，其起裂點(diǎn)也是沿點(diǎn)焊結(jié)合面的焊點(diǎn)邊緣發(fā)生，而后在法向外力的作用下，向焊點(diǎn)內(nèi)部擴(kuò)展，并發(fā)展到母材外表面。

圖2 失效焊點(diǎn)斷面宏觀金相

從圖2的宏觀金相分析可以得到一個(gè)初步的結(jié)論：焊點(diǎn)結(jié)合力是符合要求的，焊點(diǎn)內(nèi)部并無(wú)明顯缺陷，失效最大的可能是存在過(guò)大的法向應(yīng)力。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，又追加了更多的試驗(yàn)，包括對(duì)裙板其他未出現(xiàn)失效的焊點(diǎn)進(jìn)行斷面宏觀分析，對(duì)更多的失效焊點(diǎn)進(jìn)行宏觀試驗(yàn)以及從裙板上直接取樣進(jìn)行剝離試驗(yàn)等。這些追加試驗(yàn)顯示：焊點(diǎn)直徑均在9.5 mm以上且熔合良好，無(wú)內(nèi)部缺陷，焊點(diǎn)剝離均符合EN 15085—2008《軌道車輛及其部件的焊接》標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)圖紙要求，如圖3所示。

圖3 焊點(diǎn)補(bǔ)充試驗(yàn)

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

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

4.1 模擬計(jì)算核查

裙板設(shè)計(jì)階段，需對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的受力模擬計(jì)算。模擬計(jì)算采用ANSYS軟件，計(jì)算模型為catia三維整車加載。計(jì)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(jìn)行。計(jì)算中采用的疲勞載荷為±930 Pa，其來(lái)源于前期空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算及后期其他項(xiàng)目中實(shí)測(cè)的風(fēng)壓值；計(jì)算加速度載荷是依據(jù)EN 12663—2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限界值±0.15g(g為重力加速度)。全部計(jì)算過(guò)程及加載方式，經(jīng)過(guò)復(fù)查均符合要求，無(wú)超出容許應(yīng)力值的現(xiàn)象。

4.2 在線動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)

為了探究問(wèn)題所在，對(duì)在線調(diào)試運(yùn)行的試驗(yàn)車輛的裙板進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，主要測(cè)量實(shí)際運(yùn)行時(shí)裙板的風(fēng)壓和加速度2項(xiàng)參數(shù)。而這2項(xiàng)參數(shù)是焊點(diǎn)法向分力的直接來(lái)源，它與裙板是順向(順風(fēng))或逆向(逆風(fēng))行駛有直接關(guān)系，所以監(jiān)測(cè)過(guò)程中2種前進(jìn)方向都需要充分考慮，如圖4所示。

圖4 在線測(cè)試感應(yīng)點(diǎn)布置

在線運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：無(wú)論裙板是順向行駛還是逆向行駛，其風(fēng)壓載荷均在±800 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)(見(jiàn)圖5)；當(dāng)裙板是順向行駛時(shí)，其風(fēng)壓加速度約為±8g,而逆向行駛時(shí)，該加速度可達(dá)±30g(見(jiàn)圖6)。

圖5 在線風(fēng)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

圖6 在線加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

4.3 結(jié)果分析

從在線實(shí)測(cè)的結(jié)果來(lái)看：運(yùn)行過(guò)程中裙板所受到的風(fēng)壓值并不大，僅為±800 Pa，符合設(shè)計(jì)之初的計(jì)算載荷±930 Pa。而在線實(shí)測(cè)得到的風(fēng)壓產(chǎn)生的疲勞加速度為±30g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了EN 12663—2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的計(jì)算加速度值±0.15g的范圍，這會(huì)導(dǎo)致裙板在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)多階模態(tài)振動(dòng)，進(jìn)而使裙板支座各個(gè)焊點(diǎn)的疲勞壽命遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)預(yù)期壽命。后續(xù)跟進(jìn)的疲勞監(jiān)測(cè)顯示：在車輛1個(gè)調(diào)試運(yùn)行周期內(nèi),裙板的一階疲勞頻次高達(dá)45萬(wàn)次左右，如圖7所示。

圖7 在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

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

5 處理措施

為了解決裙板運(yùn)行過(guò)程中的高頻振動(dòng)所帶來(lái)的焊點(diǎn)疲勞破壞，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下優(yōu)化，以提高其剛度，降低振動(dòng)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(qiáng)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(jìn)為框架整體承載結(jié)構(gòu)。圖8所示為改進(jìn)前、后裙板結(jié)構(gòu)的3D模型。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后裙板3D模型

改進(jìn)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(guò)模擬計(jì)算和在線運(yùn)行試驗(yàn)后確認(rèn)：新結(jié)構(gòu)的裙板所受風(fēng)壓載荷范圍較原來(lái)的±800 Pa有所降低；加速度值也達(dá)到了EN 12663—2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的計(jì)算范圍±0.15g。經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)際運(yùn)營(yíng)跟蹤調(diào)查，新結(jié)構(gòu)裙板的所有焊點(diǎn)再無(wú)失效問(wèn)題出現(xiàn)，證明結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案切實(shí)可行，焊點(diǎn)失效問(wèn)題得到有效解決。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述電阻點(diǎn)焊失效問(wèn)題的處理過(guò)程，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)3 mm厚5083鋁合金裙板采用電阻點(diǎn)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(diǎn)失效，其主要原因?yàn)樾?yīng)力高疲勞所導(dǎo)致的疲勞失效；

(3)改進(jìn)后的裙板結(jié)構(gòu)有效克服了運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)壓加速度所帶來(lái)的疲勞破壞。□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)06-0036-03

2015-12-03

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

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