某車型鋁合金車體過渡邊梁焊接裂紋分析

張 健 程石來 樸圣君 耿靖賀

(青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司 山東 青島 266111)

在城市公共交通工具中，軌道車輛涵蓋城區(qū)地下與地上，是具有高密度、高運量的軌道交通系統(tǒng)。從制造角度來說，車體質(zhì)量安全對于地鐵車輛的運行至關重要。目前車體制造過程中廣泛使用鋁合金材料，主要是因為鋁合金具有質(zhì)輕節(jié)能、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點。在某些結(jié)構(gòu)復雜應力比較集中的情況下，鋁合金焊接接頭出現(xiàn)失穩(wěn)開裂的傾向較大。合理的結(jié)構(gòu)設計，合適的材料選用可有效避免接頭裂紋的產(chǎn)生[1]。下文基于某車型鋁合金車體底架組成過渡邊梁與其兩端堵板焊接過程中接頭區(qū)域出現(xiàn)裂紋的情況，通過一系列試驗及模擬，最終消除接頭區(qū)域的裂紋。

1 試驗方法及過程

圖1所示為該車型車體過渡邊梁及堵板在底架組成結(jié)構(gòu)中的位置。圓圈所圈定的即為裂紋發(fā)生區(qū)域。圖2所示為現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的接頭區(qū)域經(jīng)PT探傷后的裂紋的線性顯示。

圖1 過渡邊梁及堵板位置三維圖

圖2 經(jīng)PT探傷后的裂紋線性顯示

可以看出，裂紋位于過渡邊梁與堵板焊接接頭區(qū)域，且靠近堵板一側(cè)，大致位于熔合線及熱影響區(qū)內(nèi)。同時過渡邊梁與堵板連接焊縫中，有2條焊縫在PA位置焊接，2條焊縫在PF位置焊接。裂紋主要出現(xiàn)在PA位置的焊縫接頭區(qū)域內(nèi)。

過渡邊梁材質(zhì)為6082鋁合金，材料形式為板材，熱處理狀態(tài)為T6，板厚為8 mm。堵板材質(zhì)為6082鋁合金，材料形式為板材，熱處理狀態(tài)為T6，板厚為20 mm。表1所示為6082鋁合金材料合金元素化學成分，表2所示為6082鋁合金板材力學性能指標。

表1 6082鋁合金主要合金元素質(zhì)量分數(shù) /%

表2 6082鋁合金板材主要力學性能指標

為解決裂紋問題，陸續(xù)進行了焊接順序調(diào)整、焊接參數(shù)優(yōu)化及接頭應力模擬測試三個方面的試驗工作。并在焊后對焊接接頭區(qū)域進行UT探傷、微觀金相觀察以及焊接接頭開裂的機理分析。

1.1 焊接順序調(diào)整及焊接參數(shù)優(yōu)化試驗

焊接順序調(diào)整試驗主要是基于過渡邊梁與相鄰堵板、彎梁、底架地板等部分主焊縫焊后所產(chǎn)生的縱向拉伸變形及扭轉(zhuǎn)剪切變形程度，以降低上述兩種變形為目的。試驗結(jié)果表明，焊接順序調(diào)整未產(chǎn)生明顯效果，焊接接頭堵板一側(cè)熱影響區(qū)仍然發(fā)現(xiàn)裂紋的PT線性顯示。焊接參數(shù)優(yōu)化試驗主要以降低層道間焊接熱輸入為目的，擴大原有參數(shù)窗口。試驗結(jié)果表明，焊接參數(shù)優(yōu)化意義不大，工藝窗口未發(fā)生明顯變化。由此可知，焊接順序調(diào)整及焊接參數(shù)優(yōu)化并不能有效消除裂紋。

1.2 焊接過程應力模擬測試

試驗轉(zhuǎn)向通過應力模擬測試分析目前結(jié)構(gòu)及材料狀態(tài)下過渡邊梁與堵板連接焊縫焊接接頭的受力狀態(tài)。其主要試驗思路為模擬實車狀態(tài)，搭建帶有拘束性的框架結(jié)構(gòu)，將過渡邊梁與堵板的連接結(jié)構(gòu)以焊接的方式固定于模擬框架結(jié)構(gòu)內(nèi)。通過測定過渡邊梁與堵板焊接過程中的應力變化，定性分析該模擬結(jié)構(gòu)狀態(tài)下焊接接頭的開裂傾向[2]。

圖3所示為搭建的模擬結(jié)構(gòu)框架，該模擬結(jié)構(gòu)設計基于實車結(jié)構(gòu)中過渡邊梁及堵板焊接接頭所受拉伸、剪切及扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。過渡邊梁與堵板焊接過程中，使用應力應變測試設備不間斷記錄焊接接頭應力變化，最終建立被測區(qū)域時間—應力變化曲線。圖3中，左側(cè)圖示為模擬的框架結(jié)構(gòu)，中間固定的為本次測試的過渡邊梁與堵板焊接結(jié)構(gòu)，右側(cè)圖示為應變片的布置形式。試驗在焊接接頭靠近堵板一側(cè)熱影響區(qū)及其附近區(qū)域布置3個測點，分別為X向、Y向及Z向。X向與Y向測量熱影響區(qū)沿過渡邊梁縱向及橫向應力變化，Z向測量堵板與框架基座焊縫沿過渡邊梁縱向的應力變化。過渡邊梁4個面(2個面為PA焊接位置，2個面為PF焊接位置)的焊接接頭及其附近區(qū)域均按照該形式進行布置測量。

圖3 模擬框架結(jié)構(gòu)及應變片布置圖

本次試驗所使用的信號采集設備為奧地利DEWESOFT公司生產(chǎn)的專用應變采集設備，應變片橋路采用半橋形式。

X/Y/Z三向應力測試結(jié)果圖4所示，可以看出：

圖4 各面三向應力測試結(jié)果

(1)對于X向，除面3外，其他3個面的應力整體較高，均位于母材抗拉強度60%及以上水平。這很可能是由于焊接接頭區(qū)域出現(xiàn)裂紋使得應變片發(fā)生了較大程度變形。

(2)對于Y向，應力水平普遍較低，均不高于50 MPa，說明過渡邊梁與堵板焊接接頭所受剪切應力較小，該方向上的應力對裂紋產(chǎn)生的影響也較小。

(3)對于Z向，應力水平明顯高于X向及Y向，尤其是PA位置，超過300 MPa。不僅僅是因為Z向測點位于焊縫上，更可能是因Z向應力測點處也出現(xiàn)了裂紋，導致該處應變片產(chǎn)生較大程度的變形。后續(xù)可以通過對X向及Z向測點區(qū)域的UT檢測及微觀金相予以佐證。

1.3 接頭UT檢測及金相試驗

上述焊接過程的應力模擬測試完成后，對過渡邊梁兩端與堵板連接的焊接接頭以及兩端堵板與框架基座的焊縫接頭進行了UT檢測，其后分別對兩端的焊接接頭進行微觀金相觀察。

UT檢測結(jié)果表明：其中2處焊接接頭靠近堵板一側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)裂紋，分別是相鄰的PA焊接位置和PF焊接位置焊縫。PA位置焊接接頭發(fā)現(xiàn)的裂紋位于沿焊縫方向中部，長約20 mm，深度約4 mm，如圖5所示。PF位置焊接接頭發(fā)現(xiàn)的裂紋位于沿焊縫方向前部，長約45 mm，深度約5 mm，如圖6所示。

圖5 PA焊接位置UT檢測裂紋標記

圖6 PF焊接位置UT檢測裂紋標記

焊接接頭微觀金相檢驗發(fā)現(xiàn)，所有被檢試樣均發(fā)現(xiàn)有裂紋，裂紋主要位于過渡邊梁與堵板連接焊縫接頭靠近堵板一側(cè)的熱影響區(qū)，或者位于堵板與框架基座連接焊縫接頭靠近堵板一側(cè)的熱影響區(qū)，且均沿焊縫厚度方向分布，同時堵板與框架基座連接焊縫接頭部分裂紋已經(jīng)擴展到了母材區(qū)域，如圖7、圖8所示。這與實車焊接過程中所發(fā)現(xiàn)的裂紋位置基本一致。

圖7 過渡邊梁與堵板接頭裂紋(堵板側(cè))

圖8 堵板與框架基座接頭裂紋(堵板側(cè))

通過對裂紋特征的觀察，綜合考慮焊接結(jié)構(gòu)及焊接過程中的應力變化，可以判定所發(fā)現(xiàn)的裂紋均為熱裂紋。

2 結(jié)果分析

根據(jù)上述各試驗過程及試驗結(jié)果可以看出，導致過渡邊梁與堵板連接焊縫接頭區(qū)域出現(xiàn)裂紋的主要原因在于目前的焊接結(jié)構(gòu)與材質(zhì)條件下，焊后結(jié)構(gòu)內(nèi)應力過大，尤其是沿過渡邊梁縱向的拉伸應力。同時6系鋁合金材料熱裂傾向較高，且縱向拉伸應力直接作用于堵板板材的軋制方向，使得焊接接頭比較薄弱的熱影響區(qū)因承受過大的拉伸應力而失穩(wěn)開裂[3-4]。

與實車結(jié)構(gòu)相比，本試驗所組焊的框架拘束結(jié)構(gòu)焊接過程中的應力水平較低，即實車結(jié)構(gòu)焊接過程中過渡邊梁與堵板連接焊縫接頭出現(xiàn)裂紋的幾率更高。

基于上述試驗結(jié)果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計或采用延伸率更高的材料，削弱結(jié)構(gòu)整體高應力狀態(tài)，均勻梁體及堵板的受力狀態(tài)，是徹底解決焊接接頭裂紋的主要方向。試驗最終通過選取延伸率更高的堵板材料，并經(jīng)過實車驗證，解決了裂紋問題。

3 結(jié)論

針對某車型底架組成焊接過程中，過渡邊梁與堵板連接焊縫的焊接接頭靠近堵板一側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋的問題進行一系列試驗分析，結(jié)果表明：

(1)裂紋并非焊接順序問題導致，調(diào)整焊接順序并不能消除裂紋。

(2)優(yōu)化焊接參數(shù)意義不大，與在用參數(shù)相比，工藝窗口未發(fā)生明顯變化。

(3)基于應力模擬測試過程及結(jié)果，模擬結(jié)構(gòu)焊后內(nèi)應力(尤其是沿過渡邊梁縱向拉伸應力)過大，焊接接頭無法承受如此高應力水平，導致裂紋出現(xiàn)及擴展。

(4)UT檢測確認了模擬結(jié)構(gòu)中裂紋的尺寸及具體位置，微觀金相檢驗進一步確認裂紋類型為熱裂紋，分布于整個焊縫厚度方向上，且都在靠近堵板一側(cè)。

(5)現(xiàn)有實車結(jié)構(gòu)及材質(zhì)條件下，過渡邊梁與堵板連接焊縫接頭無法承受較高拘束條件下的應力狀態(tài)，導致焊接接頭開裂的風險很高。應優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計或采用延伸率更高的材料(尤其是堵板一側(cè))，削弱結(jié)構(gòu)整體高應力狀態(tài)，均勻梁體及堵板的受力狀態(tài)。

(6)試驗最終選擇更改堵板材質(zhì)，采用延伸率更高的板材與過渡邊梁焊接。目前從實車驗證效果來看，未再發(fā)現(xiàn)裂紋問題。