高速列車車頂銅導(dǎo)體壓接開裂原因分析及改進(jìn)措施①

魯海洋， 刑孟哲， 陳建芳， 崔志國(guó)， 王 森， 任鵬禾， 蔡圳陽(yáng)，3， 肖來(lái)榮，3

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111； 2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

高速列車工作環(huán)境惡劣，承受大氣腐蝕、溫度循 環(huán)、載荷振動(dòng)等多種綜合服役條件［1］。 車頂銅導(dǎo)體承擔(dān)為高速列車輸送電力的關(guān)鍵任務(wù)，直接影響著高速列車運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性［2］。 TP2 銅是車頂銅導(dǎo)體關(guān)鍵材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和力學(xué)性能［3-6］。目前車頂銅導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)主要通過(guò)彎曲、壓接等步驟將TP2 銅管加工到規(guī)定形狀和尺寸，再進(jìn)行表面防腐處理后得到車頂銅導(dǎo)體。

針對(duì)壓接后車頂銅導(dǎo)體壓接處出現(xiàn)微裂紋的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)壓接后微裂紋與顯微組織分析，結(jié)合有限元模擬，確定了銅導(dǎo)體壓接開裂原因，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與去應(yīng)力退火處理，提高加工質(zhì)量，解決壓接處開裂問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料TP2 銅的化學(xué)成分符合GB／T 5231 規(guī)定，銅元素含量大于99.90%，磷元素含量0.015%～0.040%，其他元素含量小于0.1%［7］。

圖1為銅導(dǎo)體壓接過(guò)程示意圖。 如圖1（a）所示，銅管放置在模具之間，上模具與下模具平行。 如圖1（b）所示，壓接過(guò)程中，下模具固定，上模具沿Y軸向下運(yùn)動(dòng)，直至銅管完全壓扁。 如圖1（c）所示，依據(jù)壓接后銅導(dǎo)體變形程度，將銅導(dǎo)體劃分為壓平區(qū)、邊緣區(qū)。

圖1 銅導(dǎo)體壓接過(guò)程示意圖

采用LEICAMC120 金相顯微鏡、200HVS-10 型數(shù)顯小負(fù)荷維氏硬度計(jì)、X 射線衍射儀對(duì)銅導(dǎo)體顯微組織、硬度及殘余應(yīng)力進(jìn)行分析［8］。 通過(guò)ABAQUS 有限元軟件對(duì)銅導(dǎo)體壓接后等效應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行模擬［9］。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅導(dǎo)體壓接裂紋分析

圖2為壓接后銅導(dǎo)體表面。 由圖2（a）可知，壓接后銅導(dǎo)體邊緣區(qū)內(nèi)表面不平整，呈凹凸?fàn)?，存在多條獨(dú)立微裂紋，微裂紋沿不同方向延伸，主裂紋寬度3～5 μm，裂紋長(zhǎng)度100～300 μm。 裂紋附近的顯微組織呈現(xiàn)顯著壓縮變形特征，晶粒被壓扁，從等軸多邊形變成線條狀。 壓縮變形組織在銅導(dǎo)體內(nèi)壁產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓應(yīng)力集中，當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)了銅導(dǎo)體材料的極限強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生微裂紋進(jìn)而導(dǎo)致開裂失效現(xiàn)象［10］。 由圖2（b）可知，壓接后銅導(dǎo)體外壁顯微組織呈現(xiàn)拉伸變形特征，晶粒拉長(zhǎng)，產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。 由組織變形特點(diǎn)可知，從銅導(dǎo)體內(nèi)壁到外壁由嚴(yán)重壓應(yīng)力集中轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力集中［11］。 由圖2（c）、（d）可知，銅導(dǎo)體壓平區(qū)晶粒較為均勻，未出現(xiàn)明顯的變形形貌。 壓接后銅導(dǎo)體邊緣區(qū)外表面及壓平區(qū)內(nèi)外表面均呈現(xiàn)光滑平整的特點(diǎn)，未發(fā)現(xiàn)微裂紋。

圖2 壓接后銅導(dǎo)體表面

2.2 銅導(dǎo)體壓接應(yīng)變應(yīng)力分析

圖3為壓接后銅導(dǎo)體等效應(yīng)變?cè)茍D。 銅導(dǎo)體經(jīng)壓接變形后，在內(nèi)壁產(chǎn)生了最大等效應(yīng)變，最大處達(dá)0.985；在外壁產(chǎn)生了第二大等效應(yīng)變，達(dá)0.25 ～0.33。銅導(dǎo)體內(nèi)壁與外壁產(chǎn)生的劇烈應(yīng)變將相應(yīng)地產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 壓接后銅導(dǎo)體等效應(yīng)變?cè)茍D

圖4為壓接后銅導(dǎo)體應(yīng)力云圖。 與等效塑性應(yīng)變相對(duì)應(yīng)，壓接后銅導(dǎo)體內(nèi)壁產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大等效應(yīng)力達(dá)到458 MPa，外壁產(chǎn)生了次嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 由于模具下壓的方向?yàn)閅方向，對(duì)Y方向的S22 應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖4（b）所示，銅導(dǎo)體外壁處形成拉應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到319 MPa；在銅導(dǎo)體內(nèi)壁處形成壓應(yīng)力集中，達(dá)到758 MPa。 這與銅導(dǎo)體壓接顯微組織分析得到的“內(nèi)壁產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，外壁產(chǎn)生拉應(yīng)力集中”相符，可以確定是壓接過(guò)程中銅導(dǎo)體內(nèi)壁產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)變，產(chǎn)生壓應(yīng)力集中超過(guò)材料極限強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致開裂。

圖4 壓接后銅導(dǎo)體應(yīng)力云圖

2.3 銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)“大管套小管”方法改進(jìn)銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在銅導(dǎo)體內(nèi)增加小管以減小壓接應(yīng)變，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且壓接后的“大管套小管”結(jié)構(gòu)提高了銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而提高銅導(dǎo)體安全性和使用壽命。

圖5為套入不同壁厚小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力。 與未套小管的銅導(dǎo)體對(duì)比，套小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力均明顯下降。 小管外徑Φ17 mm 且壁厚從0.5 mm 增加至4 mm 時(shí)，壓接等效應(yīng)力從398 MPa下降至306 MPa。 套管壁厚為0.5 mm 和1 mm 時(shí)，壓接最大等效應(yīng)力仍存在于銅導(dǎo)體內(nèi)壁。 套管壁厚為2 mm 和4 mm 時(shí)，壓接最大等效應(yīng)力存在于小管內(nèi)壁，此時(shí)小管有效降低了銅導(dǎo)體的等效應(yīng)變，顯著緩解了銅導(dǎo)體的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 由此可知，小管外徑不變，在一定范圍內(nèi)增加小管壁厚可有效降低銅導(dǎo)體應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 套入不同壁厚小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力

圖6為套入不同外徑小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力。 由圖6 可知，與未套小管的銅導(dǎo)體相比，套小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力均明顯下降。 小管壁厚2 mm 且外徑分別為15 mm、17 mm、19 mm 時(shí)，銅導(dǎo)體最大等效應(yīng)力緩慢降低，分別為340 MPa、338 MPa、323 MPa。 最大等效應(yīng)力均存在于小管內(nèi)壁，去除小管后，銅導(dǎo)體最大等效應(yīng)力仍存在于內(nèi)壁。 由此可知，小管壁厚不變，在一定范圍內(nèi)增加小管外徑對(duì)改善應(yīng)力集中現(xiàn)象影響較小。

圖6 套入不同外徑小管的銅導(dǎo)體壓接最大等效應(yīng)力

通過(guò)有限元模擬“大管套小管”結(jié)構(gòu)，在銅導(dǎo)體內(nèi)套入外徑19 mm、壁厚2～4 mm 的小管進(jìn)行壓接加工，可以達(dá)到無(wú)間隙無(wú)過(guò)盈的良好配合，有效降低銅導(dǎo)體的應(yīng)力應(yīng)變，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，解決銅導(dǎo)體壓接開裂問(wèn)題。

2.4 去應(yīng)力退火優(yōu)化

壓接后銅導(dǎo)體存在較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致后續(xù)使用過(guò)程中發(fā)生尺寸變化、變形甚至開裂失效［12-15］。 因此，在壓接后進(jìn)行去應(yīng)力退火，降低殘余應(yīng)力的影響，提高銅導(dǎo)體服役穩(wěn)定性和安全性。 圖7 為300 ℃退火后銅導(dǎo)體壓平區(qū)與邊緣區(qū)的顯微組織。 300 ℃退火1 h、2 h、3 h 后的銅導(dǎo)體壓接組織沒(méi)有明顯變化，保持了之前的原始未變形態(tài)和變形態(tài)，表明300 ℃未發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。

圖7 300 ℃退火后銅導(dǎo)體冷壓顯微組織

表1為去應(yīng)力退火前后的壓接銅導(dǎo)體平均顯微硬度和最大殘余應(yīng)力。 300 ℃退火使銅導(dǎo)體發(fā)生回復(fù)現(xiàn)象，硬度出現(xiàn)了明顯下降。 退火2 h 后，壓平區(qū)平均硬度由98HV 下降至81HV，邊緣區(qū)硬度由118HV 下降至93HV。 銅導(dǎo)體平均硬度在半硬態(tài)70 ～100HV 范圍內(nèi)，與未壓接處80 ～90HV 的硬度相當(dāng)，仍具備較高的力學(xué)性能。 繼續(xù)增加退火時(shí)間至3 h，硬度下降速度減緩。 經(jīng)過(guò)300 ℃退火2 h 后，銅導(dǎo)體最大殘余應(yīng)力明顯下降，壓平區(qū)與邊緣區(qū)最大殘余應(yīng)力分別由152 MPa、294 MPa 下降至57 MPa、105 MPa，達(dá)到了較好的去除應(yīng)力效果；繼續(xù)增加退火時(shí)間至3 h，最大殘余應(yīng)力繼續(xù)緩慢下降。 由此可知，壓接后銅導(dǎo)體進(jìn)行300 ℃退火2 ～3 h 可以有效消除殘余應(yīng)力并保持較高硬度及力學(xué)性能，提高銅導(dǎo)體的加工質(zhì)量。

表1 去應(yīng)力退火前后的壓接銅導(dǎo)體平均顯微硬度和最大殘余應(yīng)力

綜上所述，為避免高速列車車頂銅導(dǎo)體壓制過(guò)程中出現(xiàn)微裂紋等失效行為，在工程實(shí)際中建議在銅導(dǎo)體內(nèi)套入外徑19 mm、壁厚2 ～4 mm 的小管后再進(jìn)行壓接，可以達(dá)到無(wú)間隙無(wú)過(guò)盈的良好配合，有效降低銅導(dǎo)體的應(yīng)力應(yīng)變，解決銅導(dǎo)體壓接開裂問(wèn)題；壓接后銅導(dǎo)體進(jìn)行300 ℃退火2 ～3 h，可有效消除殘余應(yīng)力并保持較高硬度及力學(xué)性能，提高銅導(dǎo)體的加工質(zhì)量。

3 結(jié) 論

1） 壓接后銅導(dǎo)體邊緣區(qū)內(nèi)表面存在多條獨(dú)立微裂紋，裂紋附近組織呈現(xiàn)顯著壓縮變形特征，在銅導(dǎo)體內(nèi)壁產(chǎn)生的嚴(yán)重壓應(yīng)力集中超過(guò)了銅導(dǎo)體材料的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致開裂失效現(xiàn)象。

2） 銅導(dǎo)體經(jīng)壓接變形后，在內(nèi)壁產(chǎn)生了最大等效應(yīng)變達(dá)0.985，最大等效應(yīng)力達(dá)458 MPa，S22 方向上壓應(yīng)力達(dá)758 MP，驗(yàn)證了銅導(dǎo)體壓接顯微組織分析得到的開裂原因。

3） 通過(guò)有限元模擬“大管套小管”結(jié)構(gòu)，在銅導(dǎo)體內(nèi)套入外徑19 mm、壁厚2 ～4 mm 的小管進(jìn)行壓接加工，可以達(dá)到無(wú)間隙無(wú)過(guò)盈的良好配合，有效降低銅導(dǎo)體的應(yīng)力應(yīng)變，解決銅導(dǎo)體壓接開裂問(wèn)題。

4） 壓接后銅導(dǎo)體進(jìn)行300 ℃退火2 ～3 h，可以有效消除殘余應(yīng)力并保持較高硬度及力學(xué)性能，提高了銅導(dǎo)體的加工質(zhì)量。