地鐵鋁合金車體牽引梁裂紋原因分析及修復(fù)

盧 勇，黎 澍，申天亮

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣州 510310）

0 引言

出現(xiàn)牽引梁裂紋的地鐵車輛采用模塊化制造，全車的底架、側(cè)墻、車頂均采用大型中空截面的擠壓鋁型材拼焊而成，中空鋁型材是制造廠一次軋制而成，車體設(shè)計(jì)壽命30年［1］。司機(jī)室是由型鋼構(gòu)成，車體焊接型材和司機(jī)室端通過機(jī)械緊固裝置相互連接。“安全性”和“可靠性”是軌道交通運(yùn)營維護(hù)的基本需求和首要標(biāo)準(zhǔn)，地鐵車輛全自動(dòng)車鉤牽引梁承載著司機(jī)室重量并且在車輛連掛時(shí)傳遞牽引制動(dòng)力，車體牽引梁裂紋的出現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)營安全及使用壽命生產(chǎn)重大影響。

隨著鋁合金車體的廣泛使用，車體裂紋問題逐漸顯現(xiàn)，裂紋原因及修復(fù)方法成為了許多學(xué)者的研究對(duì)象。車體裂紋原因主要包括焊接缺陷、鋁材性能缺陷以及受力過大等因素。李彬等［2］分析了鋁合金車體焊接常見的氣孔、未熔合、夾渣、裂紋等缺陷的原因。鋁合金在焊接過程裂紋容易出現(xiàn)的部位為焊縫區(qū)和熱影響區(qū)［3］，焊接工藝不當(dāng)將在焊縫附近產(chǎn)生很大殘余應(yīng)力，甚至達(dá)到材料屈服極限［4］，導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降。曹彬彬等［5］運(yùn)用有限元法計(jì)算出最大的殘余應(yīng)力分布于距離焊縫中心一定距離的過熱區(qū)。彭光華等［6］介紹了鋁合金車體門角裂紋原因?yàn)楹附恿鸭y，通過焊接工藝優(yōu)化解決。王生華［7］介紹了上海軌道交通1號(hào)線列車車鉤安裝座焊縫裂紋原因?yàn)楹附尤毕荩匦略O(shè)計(jì)車鉤安裝座替換修復(fù)。徐立廣等［8］介紹了鋁合金動(dòng)車枕梁與牽引梁三角補(bǔ)強(qiáng)板焊縫氣孔修復(fù)工藝。王富強(qiáng)等［9］介紹車輛鋁合金車體牽枕緩組件裂紋主要原因是材料問題，更換鋁材型號(hào)并補(bǔ)焊修復(fù)。胡偉等［10］分析地鐵鋁合金牽引梁翼板裂紋的原因?yàn)殇X合金Z向強(qiáng)度不足，通過更換鋁材型號(hào)、優(yōu)化焊接工藝解決。Roger Zimmerli［11］分析麥德林地鐵鋁合金車體裂紋是由于強(qiáng)度不足導(dǎo)致，通過采用補(bǔ)強(qiáng)和優(yōu)化焊接工藝修復(fù)了裂紋。

目前鋁合金車體裂紋原因的介紹主要為焊接質(zhì)量問題和材質(zhì)問題，少量因?yàn)閺?qiáng)度不足導(dǎo)致裂紋，其修復(fù)方法以優(yōu)化焊接工藝或更換鋁材重新補(bǔ)焊為主。但是當(dāng)補(bǔ)焊修復(fù)無法徹底解決問題時(shí)，采用挖孔去裂紋修復(fù)以及改用鉚接修復(fù)等其他方法的介紹比較少。本文介紹了某種有代表性的地鐵車輛鋁合金牽引梁裂紋的產(chǎn)生原因和3種修復(fù)方法，為地鐵車輛牽引梁裂紋的修復(fù)提供參考借鑒。

1 裂紋概述

該車2003年投入運(yùn)營，自2012年10月發(fā)現(xiàn)第一起車鉤牽引梁裂紋以來至今，10年間發(fā)現(xiàn)7列車20次裂紋，其中A53車4次，A64車4次，包括修復(fù)后再次重現(xiàn)裂紋情況。該車型20次裂紋有9次位于焊縫，有11次位于焊縫旁邊的母材，裂縫為撕裂狀，裂紋擴(kuò)展速度快，最長達(dá)到400 mm，如圖1所示。

圖1 牽引梁裂紋

2 裂紋原因

2.1 受力情況

出現(xiàn)裂紋的部位全部位于A車全自動(dòng)車鉤牽引梁，如圖2所示，在牽引梁豎向鋁板的焊縫以及附近母材。牽引梁通過6顆螺栓（左右側(cè)各3個(gè)）連接承載著司機(jī)室和車鉤座的重力，在連掛時(shí)還需承擔(dān)牽引力。牽引梁主要由4塊立板承載，底部焊接有底板，底板開橢圓孔，如圖3所示，1、4位置為外側(cè)立板，2、3位置為內(nèi)側(cè)立板。

圖2 車鉤牽引梁受力示意圖

圖3 牽引梁仰視圖

牽引梁鋁材型號(hào)為AW 7020 T6（AlZn4，5Mg1），屈服強(qiáng)度275 MPa，泊松比0.34。為了了解材料應(yīng)力情況，進(jìn)行了有限元計(jì)算。分別計(jì)算了（1 200 kN＋AW0）和（1 200 kN＋AW3）工況，如圖4所示，最高計(jì)算應(yīng)力在非焊接區(qū)為60 MPa，允許值275 MPa，在焊接區(qū)40 MPa，允許值150 MPa，二者計(jì)算應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。

在正常的車輛運(yùn)營中，全自動(dòng)車鉤沒有推-拉作用力，但在車輛段鏇輪或者非自身動(dòng)力轉(zhuǎn)軌跟輪對(duì)小車、工程車或其他電客車連掛時(shí)，在車鉤處將產(chǎn)生一定的推-拉力，但是都遠(yuǎn)小于1 200 kN，且發(fā)生次數(shù)很少，車鉤設(shè)計(jì)的最大作用力僅為1 000 kN，計(jì)算工況考慮了較大的冗余量，正常情況下牽引梁受力小于計(jì)算應(yīng)力，不會(huì)出現(xiàn)裂紋。車輛出廠時(shí)在（1 200 kN＋AW3）工況下做拉壓試驗(yàn)，應(yīng)變片測(cè)量得到牽引梁側(cè)板附近最大應(yīng)力分別為21 MPa，遠(yuǎn)低于測(cè)量許用應(yīng)力。如圖4所示。因此，車體結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)力水平較低，如果不考慮實(shí)際焊接工藝和材料加工的影響，牽引梁結(jié)構(gòu)為無限壽。

圖4 牽引梁應(yīng)力云圖（1 200 kN＋AW3）

2.2 運(yùn)行環(huán)境

為了了解車輛受到的外部激勵(lì)情況，進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。國內(nèi)城軌車輛附屬設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)主要依據(jù)IEC61373標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行［12］，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了從線路測(cè)試數(shù)據(jù)獲得功能性隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的計(jì)算方法，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本均方根的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算振動(dòng)量級(jí)，與標(biāo)準(zhǔn)加載譜進(jìn)行對(duì)比。線路數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示，軸箱垂向振動(dòng)最大2.50g，橫向最大1.66g，小于標(biāo)準(zhǔn)最低振動(dòng)量級(jí)。垂向平穩(wěn)性最大2.48，橫向平穩(wěn)性最大2.30，均為優(yōu)。該批次列車同時(shí)在兩條線運(yùn)營，且都出現(xiàn)裂紋，外部運(yùn)行環(huán)境不是決定因素。

表1 軸箱IEC61373振動(dòng)量級(jí)統(tǒng)計(jì)（×g）

2.3 材質(zhì)及工藝

鋁合金車體以焊接結(jié)構(gòu)為主，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到整車的運(yùn)行安全，然而，生產(chǎn)中影響焊接質(zhì)量的因素較多，焊接產(chǎn)生缺陷后的處理較為困難［13］。為了分析焊接質(zhì)量，找出裂紋原因，從焊縫裂紋區(qū)域取一塊樣件進(jìn)行分析。如圖5所示，電子顯微鏡下觀察到許多子裂紋垂直于斷裂面，材料存在比較高的內(nèi)應(yīng)力。焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材的硬度變化梯度顯著，母材硬度最高，其次為熱影響區(qū)、焊縫區(qū)硬度最小，焊縫平均硬度為母材的54%，相當(dāng)于在焊縫區(qū)存在冶金缺口，具體結(jié)果如圖6和表2所示。因此焊縫裂紋原因可能是焊接過程的不恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚瑢?dǎo)致在焊縫附近存在較高的殘余應(yīng)力，附近存在很高的硬度梯度。

圖5 主裂紋旁的子裂紋

圖6 焊縫硬度測(cè)試

表2 焊接區(qū)硬度檢測(cè)

對(duì)于牽引梁母材上的分層裂紋，這種現(xiàn)象在運(yùn)營一段時(shí)間之后顯現(xiàn)，且表現(xiàn)一定的隨機(jī)性。從應(yīng)力分析可知分層現(xiàn)象不是強(qiáng)度不足或疲勞引起的，鋁材料在焊接時(shí)不合適的熱輸入量是原因之一，另外7系列材料應(yīng)力抗腐蝕能力不足［14］，導(dǎo)致在車體底架區(qū)域易出現(xiàn)裂紋萌生和擴(kuò)展。

3 修復(fù)方法

3.1 補(bǔ)焊修復(fù)

2012年首次發(fā)現(xiàn)裂紋之后，為了盡快修復(fù)裂紋，采用了切除裂紋焊縫再補(bǔ)焊的修復(fù)方法，如圖7所示。焊接要求有資質(zhì)的焊工進(jìn)行，焊接活動(dòng)滿足EN15085要求。用直磨機(jī)打磨去除所有裂紋，探傷確保所有裂紋被去除，用酒精清洗坡口和打磨區(qū)域確保焊接表面清潔，焊接時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，焊接完成后進(jìn)行著色探傷和超聲波探傷，確認(rèn)焊接無氣孔、裂紋等缺陷。

圖7 補(bǔ)焊修復(fù)法

曾任英國焊接研究所所長之職的EdgarFuchs通過大量試驗(yàn)證明，焊縫返修會(huì)造成接頭或結(jié)構(gòu)使用性能的降低［15］。由于再次焊接對(duì)原始組織進(jìn)行了重新加熱，在冷卻過程中可能有粗大的析出相生成，導(dǎo)致軟化，進(jìn)而使接頭的強(qiáng)度和硬度降低［16］。實(shí)踐表明通過補(bǔ)焊修復(fù)的牽引梁運(yùn)用1～2年后大部分都再次出現(xiàn)裂紋。

3.2 開孔去裂紋修復(fù)

受力分析結(jié)果表明，在最嚴(yán)苛的工況在風(fēng)險(xiǎn)最大的焊縫區(qū)域僅產(chǎn)生40 MPa的計(jì)算應(yīng)力，僅占許用應(yīng)力27%。整個(gè)車鉤和司機(jī)室載荷是通過車鉤板的4根加強(qiáng)筋傳導(dǎo)。其中一根加強(qiáng)筋變?nèi)酰蟛糠州d荷仍然能夠通過加強(qiáng)筋上部和下部的板材傳導(dǎo)至牽引梁。車鉤箱的板材能夠進(jìn)一步優(yōu)化分配載荷傳導(dǎo)至牽引梁。而且如果再采用焊接修復(fù)，存在不同厚度板材搭接，焊接坡口加工復(fù)雜，焊接帶來的再次熱處理也可能導(dǎo)致很高的殘余應(yīng)力和硬度梯度風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，制定了挖除裂紋不補(bǔ)焊的修復(fù)方案。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，沒有焊接熱量產(chǎn)生，因此不會(huì)產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)因?yàn)楹附訐p壞附近的螺栓連接。

2014年7 月針對(duì)A53端左側(cè)牽引梁豎直焊縫附近的母材再次出現(xiàn)裂紋，且已貫穿母材，采用開孔清除所有裂紋且不焊補(bǔ)的方式進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)效果如圖8所示。但是到同年12月在挖空箱型板上部焊縫處又出現(xiàn)新裂紋。

圖8 開孔去裂紋修復(fù)

在牽引梁一側(cè)對(duì)裂紋進(jìn)行開孔去除裂紋的維修，雖然一定程度上可以減小裂紋尖端的應(yīng)力集中［17］，但鑒于原來焊縫和熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的存在，開孔導(dǎo)致的截面剛度的削弱將對(duì)同側(cè)和對(duì)側(cè)的隔板連接焊縫以及開孔附近母材的受力產(chǎn)生不利影響，引起了新的裂紋的出現(xiàn)。實(shí)踐表明開孔去裂紋的方式不適合此類裂紋的修復(fù)。

3.3 鉚接修復(fù)

3.3.1 方案介紹

針對(duì)補(bǔ)焊和開孔修復(fù)效果不佳問題，制定了鉚接改造方案。切除原有的牽引梁立板和底板，采用強(qiáng)度更高的S355角鋼替代。用螺栓將角鋼和車鉤座固定，用短尾鉚釘將其與牽引梁立板連接，用鉚釘?shù)倪B接方式替代原有的焊接形式，解決7系鋁合金母材重復(fù)焊接性能性能下降、焊接工藝難把控問題。根據(jù)切除板筋數(shù)量細(xì)分為兩種方案。

方案1：將司機(jī)室底架與車鉤牽引梁的固定螺栓拆掉，將原有裂紋的外側(cè)牽引梁立板、底板都切割掉，將S355角鋼用兩排鉚釘與牽引梁立板固定，具體如圖9所示。

圖9 方案1結(jié)構(gòu)

方案2：切除裂紋側(cè)牽引梁內(nèi)、外兩側(cè)立板、端板及底部連接板，使用兩塊S355角鋼鉚接替代，外側(cè)用兩排、內(nèi)側(cè)用三排鉚釘固定，具體如圖10所示。

圖10 方案2結(jié)構(gòu)

3.3.2 力學(xué)性能比較

為了評(píng)估兩種修復(fù)方案的牽引梁的應(yīng)力情況，采用了非線性有限元模型進(jìn)行計(jì)算，車體模型劃分成殼單元，修復(fù)區(qū)域則采用三維體單元。以圖11方案1的有限元模型為例，修復(fù)角鋼與切割后的牽引梁母板通過18個(gè)鉚釘連接，用M24的螺栓連接司機(jī)室底架與修復(fù)角鋼。建模時(shí)在修復(fù)部位定義了4個(gè)無摩擦接觸面，模擬通過鉚釘與牽引梁孔接觸，傳遞車鉤載荷產(chǎn)生的剪力。外部載荷由1 200 kN的車鉤壓縮沖擊力與AW3的垂向載荷組合而成。

圖11 有限元模型

如圖12所示，有限元計(jì)算結(jié)果表明，牽引梁最大受載約102 MPa，修復(fù)處與母材受力均遠(yuǎn)小于275 MPa。如圖12所示，鉚釘所受最大剪切力為9 617 N，遠(yuǎn)小于該鉚釘可承受的最大抗剪切力43 226 N。

圖12 方案1應(yīng)力云圖

方案2中使用14顆鉚釘連接外側(cè)板材，18顆鉚釘連接內(nèi)側(cè)板材。如圖13所示，有限元計(jì)算結(jié)果表明鋁板最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋁材鉚釘孔附近應(yīng)力241 MPa，大于方案1，仍在許用應(yīng)力范圍。鉚釘所受最大剪切力20 438 N，最大許用剪切力為43 226 N，安全余量2.1。由于該計(jì)算工況屬于破壞性工況，日常運(yùn)營應(yīng)力將遠(yuǎn)小于此。如果內(nèi)、外側(cè)都存在裂紋則必須采用方案2，如果僅僅一側(cè)有裂紋則可采用方案1。

圖13 方案2應(yīng)力云圖

3.3.3 運(yùn)用效果跟蹤

2013年A63端左側(cè)牽引梁外側(cè)焊縫裂紋，經(jīng)過修復(fù)后再次出現(xiàn)裂紋。2017年將外側(cè)牽引梁切除后鉚接角鋼修復(fù)，如圖14所示。至今5年該側(cè)未再出現(xiàn)裂紋。2017年至今陸續(xù)采用鉚接修復(fù)裂紋12處，未發(fā)生重復(fù)裂紋，由于采用鉚接修復(fù)不需要焊接，不存在焊接熱處理和焊接缺陷問題，修復(fù)工藝容易控制，修復(fù)效果穩(wěn)定。

圖14 鉚接修復(fù)

4 結(jié)束語

地鐵全自動(dòng)車鉤牽引梁承載司機(jī)室和車鉤質(zhì)量，部分工況需要傳遞牽引或壓縮力，其結(jié)構(gòu)可靠性關(guān)系到車輛運(yùn)行安全，由于生產(chǎn)過程焊接質(zhì)量控制及材料性能問題導(dǎo)致陸續(xù)出現(xiàn)牽引梁裂紋。嘗試了補(bǔ)焊修復(fù)、開孔去裂紋修復(fù)以及鉚接修復(fù)3種方式，經(jīng)過10年的跟蹤比較，采用鉚接修復(fù)牽引梁裂紋的方法比較可行，該方法由于無需焊接，修復(fù)工藝易于掌控，不會(huì)對(duì)周邊母材產(chǎn)生熱影響，修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定，最早修復(fù)車輛已經(jīng)過50余萬km的運(yùn)營檢驗(yàn)，修復(fù)部位未再出現(xiàn)裂紋。對(duì)牽引梁裂紋原因的分析和修復(fù)方法的整理，希望對(duì)軌道交通車輛檢修及維護(hù)有一定借鑒意義。