洗車機外框架焊縫裂紋成因分析及維護優化

楊 威

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 511430）

0 引言

因裂紋產生的事故具體表現為整體結構中某點無法承受來自整體結構的載荷，局部出現裂紋，進而擴散開來導致結構斷裂，產生嚴重事故。焊縫裂紋是眾多裂紋問題中的一種，表現為焊縫或焊縫與母體熔合處發生斷裂，進而導致焊接結構斷裂，產生事故。

鎮龍21洗車機一側頂弧刷框架某處焊縫產生裂紋，出現裂紋的框架為右側#1側頂弧刷保護框架，框架左下與右下均出現裂紋，左側裂紋較淺，右側裂紋較深并且進一步擴大，產生裂縫現象。而當框架出現裂紋、裂縫時，會導致框架在側頂弧刷往復擺動中出現應力集中的情況，若沒有及時處理裂紋，可能會導致框架部分斷裂掉落，掉下來的框架鐵片可能劃傷列車，亦或者是掉落軌道，對經過列車造成損傷。為了延長洗車機實際使用壽命，保障其工況穩定，消除可能的安全隱患，需要對21洗車機出現的裂紋進行分析，對發生裂紋的原因進行排查，并對焊縫進行合理優化。

在查閱有關焊縫疲勞強度的文獻時，發現多傾向于采用單一方法深入研究焊縫裂紋的生成原因，比較少考慮從多方面入手來認識分析焊縫裂紋。因此本文結合了焊縫位點的實際狀況進行多方面分析，能夠更高效地對焊縫裂紋進行維保工作。針對其他使用焊接工藝的設備，也可以通過鎮龍21號線洗車機的裂紋分析與優化舉一反三，結合各設備檢修周期，排查出存在安全隱患的裂縫并對其及時進行檢修、消除隱患，杜絕各設備在使用壽命周期內因為焊縫裂紋而發生的故障。在分部內需要因制作工裝、對設備進行加強而進行焊接作業時，優化焊縫的工藝，提高焊縫的可靠性。

1 裂紋分析

就21洗車機現場而言，框架的焊縫均采用熔焊中的電弧焊方法，焊縫形式均為對接焊接。裂紋出現具體位置為焊縫與母體連接處。結合上文分析，得出可能導致21洗車機框架裂紋出現的3種原因：（1）框架部分焊縫工藝可能不達標，導致焊縫處承受應力有限，最終生成裂紋；（2）焊縫因多次受力，達到疲勞極限，無可避免地產生裂紋；（3）裂紋焊縫出現銹蝕，導致焊縫受到破壞，并逐一驗證。

1.1 焊縫力學性能校核

在對裂紋進行強度校核之前，需要對現場情況以及重要參數進行整理。

1.1.1 側頂弧刷外圍框架尺寸測量質量計算

側頂弧刷外圍各框架由鋼材及兩塊陽光板組成，鋼材組成如表1所示。

表1 外圍各框架組成

根據洗車機說明書可知鋼材材質為304鋼，密度為7.93 g/cm3；陽光板為8 mm板，密度1.5 kg/m3。計算得304鋼體積約為9 351.796 cm3，陽光板面積約為3.545 m3，可算得鋼材總質量約為74.16 kg，陽光板總質量5.318 kg，則整體外圍框架質量為79.478 kg。框架固定噴水管約3.317 kg，所以總體框架質量約為82.8 kg。

1.1.2 焊縫數據

根據廠家提供的數據，洗車機側頂弧刷框架使用的是304不銹鋼，具體焊接材料采用的是A102焊條，其金屬力學性質如表2所示。

表2 A102不銹鋼焊條金屬力學性能

焊縫所在位置為底部支承鋼與梁鋼的連接處，具體位置如圖1所示。左焊縫尺寸為39 mm×10 mm×2.5 mm，右焊縫尺寸為38 mm×10 mm×3 mm。

圖1 洗車機框架焊縫裂紋位置

1.1.3 強度校核計算

運用材料力學[1]理論對焊縫點進行分析，焊縫裂紋點受力分析如圖2所示。

圖2 受力分析簡圖

首先計算出洗車機作業中焊縫所受切向力。左焊縫裂縫發生點距離洗車機弧頂刷轉軸距離R1=732 mm；右焊縫裂縫發生點距離洗車機弧頂刷轉軸距離R2=946 mm；弧頂刷轉動角速度α1=1.570 80 rad/s；弧頂刷框架質量

m=82.8 kg=811.44 N。

則裂縫發生點轉動慣量為：

裂縫點轉矩：

則對于裂縫發生點受到的切向力，由（1）（2）得：

計算得左裂縫發生點受切向力F1≈933.01 N；右裂縫發生點受切向力F2≈1 205.78 N。

通過鋼結構設計手冊[2]，根據焊縫性質計算焊縫可最大承受切應力。焊縫型號為A102，抗拉強度σ≥550 MPa，取σ最小值σ0=550 MPa，左焊縫厚度h1=2.5 mm，左焊縫寬度l1=39 mm，右焊縫厚度h2=3mm，右焊縫寬度l2=38 mm。

切向力F與拉力P成角度為θ，根據力平衡，有：

根據說明書圖紙可知θ=60°。

對焊縫抗拉強度有：

左裂縫承受最大拉應力σ1max=19.14 MPa＜σ0；右裂縫承受最大拉應力σ2max=21.14 MPa＜σ0?？芍缚p處無抗拉強度不足問題。

1.2 焊縫疲勞強度分析

根據分部內保存的質量分析報告中記錄，21洗車機自2019年投入使用至焊縫裂紋被發現，累計進行洗車作業共3 222車/次，進行過大小檢修共105次。洗車作業側頂弧刷擺出擺回，焊縫處受來回兩次應力變載荷作用，同理，檢修作業中按照規程中有開機試機、側頂弧刷單個使用、最終試機等運用到側頂弧刷的步驟。通過使用記錄進行計算，出現裂紋前焊縫至少受到7 002次應力作用。

由烏德完成的基礎疲勞試驗可知，鋼材在經歷最少104次的接近其最大應力的變載荷作用下才會出現明顯的抗拉強度下降。引用《鋼結構設計標準GB50017-2017》[3]，直接承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環次數n≥5×104次時，應進行疲勞計算。洗車機外框架受應力變化次數遠沒有達到這個數。

當然，也可以通過《鋼結構設計標準GB50017-2017》來計算在設備使用壽命內焊縫疲勞強度是否符合要求。當滿足時，結構疲勞強度符合國標。

有焊縫處應力幅Δσ=σmax-σmin，靜止情況下，對于左焊縫與右焊縫有左焊縫σmin1=右焊縫σmin2=σmin，則：

靜止情況下：

θ=60°，左焊縫σmin1=3.56 MPa，?σ1=15.58MPa=15.58N/mm2；右焊縫σmin2=4.16 MPa，?σ2=16.98MPa=16.98N/mm2。焊縫采用對接焊縫，焊縫厚度左焊縫為2.5 mm，右焊縫為3 mm，則板厚修正系數γt1=γt2=1.0。因為焊縫采用對接焊縫，為《標準》中規定的類別Z2，查圖3所示的正應力幅的疲勞計算參數，可得焊縫疲勞截止限：

圖3 正應力幅的疲勞計算參數

則有：

兩焊縫疲勞強度均滿足要求。21洗車機在設備使用壽命內不會因焊縫疲勞發生焊縫裂紋。

1.3 焊縫銹蝕情況分析

以2020年質量報告為例，2020年洗車次數達到1 825車/次，平均每日洗車5車/次，加上平時的各項維修檢查，洗車機清洗區環境極度潮濕。潮濕環境加上長期暴露在大氣當中，鋼材同時發生電化學反應與化學反應，從而產生鐵銹。

右側焊縫裂紋的現場狀況如圖4～5所示，可以看出，焊縫裂紋隨著鐵銹自框架外端向梁鋼一路擴展，框架外端已經完全破裂穿透。焊縫裂紋所在梁鋼雖然不像鐵蓋板長年受到水浸泡，但因為洗車過程中清洗液的飛濺導致其長期處于濕潤狀態，洗車機也不存在通風設施，電化學腐蝕的三要素：電極電位差（鐵與其中雜質）、電解質溶液（清洗液）、回路形成同時具備，導致梁鋼電化學銹蝕加劇。觀察焊縫上方的梁鋼表面已經大部分銹蝕，而下方則無銹痕，可以知道銹蝕從上到下。焊縫裂紋發生處因為銹蝕導致部分銹蝕金屬從焊縫剝離，焊縫變?。讳P蝕破壞金屬力學性質，導致焊縫處強度降低，最終形成焊縫裂縫。

圖4 右側焊縫裂紋

圖5 框架右梁

左側焊縫情況則與右側焊縫不一樣，如圖6～7所示，雖然其裂紋處也有銹蝕發生，但銹蝕大量出現在焊縫熔合線[5]處。焊縫熔合線即是母體與焊縫的連接處，母體304鋼與焊縫焊條A102在材質在原子組成上相近但是化學性質存在差別，有電位差，易發生電化學腐蝕。加上左焊縫加工工藝質量一般，焊縫凹陷的同時未經打磨，焊縫熔合線相較于其他粗糙。而熔合線的粗糙會導致灰塵等雜質積累，不利于焊縫處不銹鋼鈍化膜的生成，從而容易生銹。

圖6 左側焊縫裂紋

圖7 框架左梁

圖8所示為#2側頂弧刷右焊縫處，與其他洗車機相同位置比較，無大面積銹痕，焊縫也較為平整，無焊縫裂紋的生成隱患。

圖8 #2側頂弧刷右焊縫

1.4 分析結論

通過對3種原因的分析可以確定，21洗車機框架焊縫裂紋的發生原因是裂焊縫處發生銹蝕，力學性質改變，生銹部分也發生表面剝離與脫落，從而導致裂紋產生。

2 裂紋優化

2.1 規程修訂完善與提升員工意識

焊縫檢查的重要性沒有在多數規程中得到體現。陰影處焊縫在檢查中容易忽略，尺寸較小的焊縫容易出現裂紋而不易被發現。隨著設備投入使用的時間變長，這些黑點可能就變成安全隱患。焊縫的疲勞性能也是在規程制定中需要考慮的點。結合廠家的使用說明書，可以從這些紀錄文件、技術文件中分析出工作頻率、工作強度較大的部件位點，結合工件質量特性、材料特性，對其焊縫疲勞進行評估，對存在裂紋風險的焊縫進行重點檢修。焊縫所處環境對焊縫的壽命也有巨大影響，根據所在環境也可以采取靈活措施，如21洗車機框架的焊縫處在開放性的環境，就可以對其進行噴漆作業，抑制其在大氣環境中銹蝕損壞。

上述幾點可以結合實際情況，對部分現有規程進行修訂完善。同時也需要對班組員工也進行一定程度上的知識培訓，在檢修過程中保有對焊縫的重視，不僅有助于提升安全意識，也便于及時發現焊接裂紋和被忽視的存在安全隱患的裂紋。

2.2 焊縫工藝優化

焊接作業中首先要考慮的是焊縫的強度，在焊接作業前應結合焊縫所在位點的受力情況，對焊縫進行評估，確定焊縫具體尺寸和焊接方式，防止焊縫強度不足。焊縫表面的處理也可以進一步細化，焊縫熔合線粗糙，可能會使焊縫更容易生銹，降低壽命。焊縫余高的高度較低，坡形平緩則會對焊縫的壽命產生一定影響。焊縫材質決定了焊縫的物理特性。在焊接作業時，選擇物理性質更為優秀的焊接材料來提升焊縫的性能。焊縫性能得到提升的同時也延長了設備的壽命。

3 結束語

鎮龍21洗車機裂紋本質上是因化學銹蝕產生的焊縫裂紋。本文以鎮龍21洗車機裂紋的例子，通過力學校核、鋼結構疲勞、設備使用環境等多個方面分析了3種可能的焊縫裂紋產生原因。有別于傳統單一裂紋分析方法，更加貼合焊縫所在位點的工作狀況。并結合分析過程提出對設備焊縫的安全管理優化以及焊接作業時的工藝優化。有助于針對焊縫問題進一步形成規范檢查，并及時對員工進行相關的知識培訓，盡可能消除因焊縫裂紋問題產生的安全隱患。