洗車機外框架焊縫裂紋成因分析及維護優(yōu)化

楊 威

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 511430）

0 引言

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

鎮(zhèn)龍21洗車機一側(cè)頂弧刷框架某處焊縫產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)裂紋的框架為右側(cè)#1側(cè)頂弧刷保護框架，框架左下與右下均出現(xiàn)裂紋，左側(cè)裂紋較淺，右側(cè)裂紋較深并且進一步擴大，產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。而當框架出現(xiàn)裂紋、裂縫時，會導致框架在側(cè)頂弧刷往復擺動中出現(xiàn)應(yīng)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(jīng)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(wěn)定，消除可能的安全隱患，需要對21洗車機出現(xiàn)的裂紋進行分析，對發(fā)生裂紋的原因進行排查，并對焊縫進行合理優(yōu)化。

在查閱有關(guān)焊縫疲勞強度的文獻時，發(fā)現(xiàn)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(jié)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(shè)備，也可以通過鎮(zhèn)龍21號線洗車機的裂紋分析與優(yōu)化舉一反三，結(jié)合各設(shè)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(shè)備在使用壽命周期內(nèi)因為焊縫裂紋而發(fā)生的故障。在分部內(nèi)需要因制作工裝、對設(shè)備進行加強而進行焊接作業(yè)時，優(yōu)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(xiàn)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(xiàn)具體位置為焊縫與母體連接處。結(jié)合上文分析，得出可能導致21洗車機框架裂紋出現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生裂紋；（3）裂紋焊縫出現(xiàn)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(xiàn)場情況以及重要參數(shù)進行整理。

1.1.1 側(cè)頂弧刷外圍框架尺寸測量質(zhì)量計算

側(cè)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(jù)洗車機說明書可知鋼材材質(zhì)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(zhì)量約為74.16 kg，陽光板總質(zhì)量5.318 kg，則整體外圍框架質(zhì)量為79.478 kg。框架固定噴水管約3.317 kg，所以總體框架質(zhì)量約為82.8 kg。

1.1.2 焊縫數(shù)據(jù)

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，洗車機側(cè)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(zhì)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(yè)中焊縫所受切向力。左焊縫裂縫發(fā)生點距離洗車機弧頂刷轉(zhuǎn)軸距離R1=732 mm；右焊縫裂縫發(fā)生點距離洗車機弧頂刷轉(zhuǎn)軸距離R2=946 mm；弧頂刷轉(zhuǎn)動角速度α1=1.570 80 rad/s；弧頂刷框架質(zhì)量

m=82.8 kg=811.44 N。

則裂縫發(fā)生點轉(zhuǎn)動慣量為：

裂縫點轉(zhuǎn)矩：

則對于裂縫發(fā)生點受到的切向力，由（1）（2）得：

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

通過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[2]，根據(jù)焊縫性質(zhì)計算焊縫可最大承受切應(yīng)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(jù)力平衡，有：

根據(jù)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(yīng)力σ1max=19.14 MPa＜σ0；右裂縫承受最大拉應(yīng)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(jù)分部內(nèi)保存的質(zhì)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(fā)現(xiàn)，累計進行洗車作業(yè)共3 222車/次，進行過大小檢修共105次。洗車作業(yè)側(cè)頂弧刷擺出擺回，焊縫處受來回兩次應(yīng)力變載荷作用，同理，檢修作業(yè)中按照規(guī)程中有開機試機、側(cè)頂弧刷單個使用、最終試機等運用到側(cè)頂弧刷的步驟。通過使用記錄進行計算，出現(xiàn)裂紋前焊縫至少受到7 002次應(yīng)力作用。

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

當然，也可以通過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準GB50017-2017》來計算在設(shè)備使用壽命內(nèi)焊縫疲勞強度是否符合要求。當滿足時，結(jié)構(gòu)疲勞強度符合國標。

有焊縫處應(yīng)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(shù)γt1=γt2=1.0。因為焊縫采用對接焊縫，為《標準》中規(guī)定的類別Z2，查圖3所示的正應(yīng)力幅的疲勞計算參數(shù)，可得焊縫疲勞截止限：

圖3 正應(yīng)力幅的疲勞計算參數(shù)

則有：

兩焊縫疲勞強度均滿足要求。21洗車機在設(shè)備使用壽命內(nèi)不會因焊縫疲勞發(fā)生焊縫裂紋。

1.3 焊縫銹蝕情況分析

以2020年質(zhì)量報告為例，2020年洗車次數(shù)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(qū)環(huán)境極度潮濕。潮濕環(huán)境加上長期暴露在大氣當中，鋼材同時發(fā)生電化學反應(yīng)與化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生鐵銹。

右側(cè)焊縫裂紋的現(xiàn)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(jīng)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(tài)，洗車機也不存在通風設(shè)施，電化學腐蝕的三要素：電極電位差（鐵與其中雜質(zhì)）、電解質(zhì)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(jīng)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(fā)生處因為銹蝕導致部分銹蝕金屬從焊縫剝離，焊縫變薄；銹蝕破壞金屬力學性質(zhì)，導致焊縫處強度降低，最終形成焊縫裂縫。

圖4 右側(cè)焊縫裂紋

圖5 框架右梁

左側(cè)焊縫情況則與右側(cè)焊縫不一樣，如圖6～7所示，雖然其裂紋處也有銹蝕發(fā)生，但銹蝕大量出現(xiàn)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(zhì)在原子組成上相近但是化學性質(zhì)存在差別，有電位差，易發(fā)生電化學腐蝕。加上左焊縫加工工藝質(zhì)量一般，焊縫凹陷的同時未經(jīng)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(zhì)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(cè)焊縫裂紋

圖7 框架左梁

圖8所示為#2側(cè)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(cè)頂弧刷右焊縫

1.4 分析結(jié)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(fā)生原因是裂焊縫處發(fā)生銹蝕，力學性質(zhì)改變，生銹部分也發(fā)生表面剝離與脫落，從而導致裂紋產(chǎn)生。

2 裂紋優(yōu)化

2.1 規(guī)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(shù)規(guī)程中得到體現(xiàn)。陰影處焊縫在檢查中容易忽略，尺寸較小的焊縫容易出現(xiàn)裂紋而不易被發(fā)現(xiàn)。隨著設(shè)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(guī)程制定中需要考慮的點。結(jié)合廠家的使用說明書，可以從這些紀錄文件、技術(shù)文件中分析出工作頻率、工作強度較大的部件位點，結(jié)合工件質(zhì)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(huán)境對焊縫的壽命也有巨大影響，根據(jù)所在環(huán)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(huán)境，就可以對其進行噴漆作業(yè)，抑制其在大氣環(huán)境中銹蝕損壞。

上述幾點可以結(jié)合實際情況，對部分現(xiàn)有規(guī)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(fā)現(xiàn)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(yōu)化

焊接作業(yè)中首先要考慮的是焊縫的強度，在焊接作業(yè)前應(yīng)結(jié)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(chǎn)生一定影響。焊縫材質(zhì)決定了焊縫的物理特性。在焊接作業(yè)時，選擇物理性質(zhì)更為優(yōu)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(shè)備的壽命。

3 結(jié)束語

鎮(zhèn)龍21洗車機裂紋本質(zhì)上是因化學銹蝕產(chǎn)生的焊縫裂紋。本文以鎮(zhèn)龍21洗車機裂紋的例子，通過力學校核、鋼結(jié)構(gòu)疲勞、設(shè)備使用環(huán)境等多個方面分析了3種可能的焊縫裂紋產(chǎn)生原因。有別于傳統(tǒng)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(jié)合分析過程提出對設(shè)備焊縫的安全管理優(yōu)化以及焊接作業(yè)時的工藝優(yōu)化。有助于針對焊縫問題進一步形成規(guī)范檢查，并及時對員工進行相關(guān)的知識培訓，盡可能消除因焊縫裂紋問題產(chǎn)生的安全隱患。