位移傳感器安裝座斷口分析

蔣江明

（株洲九方裝備股份有限公司，湖南 株洲 412001）

位移傳感器安裝座各組件采用混合氣體（80%Ar+20%CO2）保護(hù)焊進(jìn)行焊接，起到將位移傳感器固定在地鐵車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的作用。安裝座加強(qiáng)筋焊趾存在焊接未熔合、咬邊等焊縫外觀缺陷[1]，2013年3月發(fā)現(xiàn)4例在固定位置發(fā)生早期疲勞裂紋。經(jīng)過(guò)表面磁粉探傷和更換后，車輛運(yùn)行兩年后近35.3%的安裝座在固定位置再次發(fā)生開(kāi)裂。安裝座開(kāi)裂位置位于加強(qiáng)筋焊趾位置和母材等離子切割面拐角處，裂紋緩慢擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致底板斷裂。利用Hypermesh10.0有限元軟件建立安裝座的整體模型，經(jīng)過(guò)模擬分析和計(jì)算，安裝座疲勞強(qiáng)度滿足車輛運(yùn)行要求。為查找焊縫開(kāi)裂的原因，對(duì)發(fā)生開(kāi)裂的失效件斷口進(jìn)行了取樣分析，并找到造成產(chǎn)品固定位置大量發(fā)生開(kāi)裂的主要原因，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 位移傳感器安裝座受力情況分析

地鐵車輛運(yùn)行過(guò)程中位移傳感器安裝座和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間由4個(gè)螺栓連接，安裝座所受到的力主要來(lái)自于位移傳感器安裝座和傳感器的靜態(tài)重力和車輛運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)沖擊力，產(chǎn)品組裝情況見(jiàn)圖1.

1.2 斷口宏觀觀察

發(fā)生開(kāi)裂的產(chǎn)品裂紋位置基本上位于圖2中位置1和位置2所示處，裂紋情況見(jiàn)圖3、圖4.由圖3、圖4可知，發(fā)生開(kāi)裂的位置焊縫及母材沒(méi)有明顯的目視外觀缺陷。開(kāi)裂位置斷口周圍沒(méi)有明顯的塑性變形，即產(chǎn)品在車輛運(yùn)行過(guò)程中所受載荷和應(yīng)力較小。

圖1 產(chǎn)品組裝圖

圖2 產(chǎn)品開(kāi)裂位置

圖3 位置1裂紋形貌

圖4 位置2裂紋形貌

位移傳感器安裝座兩處開(kāi)裂位置裂紋均已擴(kuò)展，并貫穿底板。線切割取樣時(shí)，斷口自動(dòng)分離，且斷口表面光滑、平整和已銹蝕，斷口形貌見(jiàn)圖5、圖6.斷口雖然銹蝕，但仍有明顯的疲勞斷口“貝殼花樣”特征[2]，兩個(gè)斷口焊縫根部和熔合區(qū)沒(méi)有目視焊接缺陷。圖5、圖6中斷口有明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，其中圖6斷口單一裂紋源位于焊縫根部[3]，圖5因斷口表面銹蝕不能確定裂紋源具體位置和數(shù)量。宏觀斷口形貌顯示，斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大，圖6幾乎整個(gè)斷口都為裂紋擴(kuò)展區(qū)，表明車輛運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)品承受的應(yīng)力較小，該斷口應(yīng)屬于高周低應(yīng)力疲勞斷裂斷口[4]。

圖5 位置1斷口形貌

圖6 位置2斷口形貌

1.3 化學(xué)成分分析

采用發(fā)射光譜儀對(duì)接近傳感器安裝座各焊接組件進(jìn)行化學(xué)成分分析，材質(zhì)分析結(jié)果滿足現(xiàn)行GB3531中16 MnDR的技術(shù)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

1.4.1 低倍金相分析

距離開(kāi)裂位置2斷口30 mm處焊縫截面存在未熔合缺陷，但未融合處未發(fā)現(xiàn)微裂紋，見(jiàn)圖7.其他焊縫截面熔合情況良好，未發(fā)現(xiàn)未熔合、氣孔、夾渣或咬邊等焊接缺陷，見(jiàn)圖8.

圖7 焊接未熔合

圖8 未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷

1.4.2 斷口微觀形貌

斷口經(jīng)過(guò)超聲波清洗后，通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行觀察。因斷口表面覆蓋銹跡或污物無(wú)法完全清洗干凈，無(wú)法觀察裂紋源區(qū)的微觀形貌特征。位置1斷口擴(kuò)展區(qū)微觀形貌見(jiàn)圖9，位置2斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌見(jiàn)圖10，斷口均存在明顯的韌性疲勞輝紋[5]，并且輝紋間距較小即最大應(yīng)力幅較小[6]。

圖9 疲勞輝紋（2000×）

圖10 疲勞輝紋（2000×）

2 分析與討論

車輛運(yùn)行2年后，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)探傷和目視檢查沒(méi)有表面缺陷的產(chǎn)品再次大量的發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂比例達(dá)到35.3%.通過(guò)分析，斷口附近焊縫和母材未發(fā)現(xiàn)外觀缺陷，并且因車輛運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)品表面所受應(yīng)力較小，裂紋緩慢擴(kuò)展，斷口呈現(xiàn)高周低應(yīng)力疲勞斷口特征。利用Hypermesh10.0有限元軟件進(jìn)行受力分析時(shí)，模擬產(chǎn)品上下安裝面存在組裝應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)品在車輛運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力環(huán)境將會(huì)顯著惡化、進(jìn)而影響產(chǎn)品的疲勞壽命，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行優(yōu)化才能避免該問(wèn)題反復(fù)產(chǎn)生。

[1]朱水珍，蔣江明.感應(yīng)器安裝座斷裂分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].失效分析與預(yù)防，2013，8（2）：104-106.

[2]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]王仁智，吳培遠(yuǎn).疲勞失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4]航天航空工業(yè)部航空裝備失效分析中心.金屬材料斷口分析及圖譜[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[5]崔約賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[6]G.亨利（法國(guó)），D.豪斯特曼（德國(guó)）.宏觀斷口學(xué)及顯微斷口學(xué)[M].曾祥華，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.