7系鋁合金在上海軌道交通車輛的應(yīng)用現(xiàn)狀及適用性分析

顧愷迪 高志良 李世江 高偉民

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，200030，上海；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

近年來，隨著我國軌道交通事業(yè)的快速崛起與發(fā)展，鋁合金已經(jīng)成為軌道車輛車體的主要材料。同時，鋁合金成分與組織的易調(diào)控性，使得鋁合金種類已從1系發(fā)展到8系，其可以滿足高速列車不同部位承載的壓力及使用性能的需求。

在車輛承載件中，牽引梁、枕梁和底架等是車輛底架結(jié)構(gòu)的重要受力構(gòu)件，起到承載和傳遞車輛牽引力、制動力與沖擊力的作用，其服役安全對列車的正常運(yùn)維與服役壽命意義重大。因此，牽引梁、枕梁和底架等承載件的服役性能要求決定了其構(gòu)成材料必須具備足夠的強(qiáng)度與塑性。在鋁合金系列中，7系(Al-Zn-Mg)鋁合金因其具有良好的性能，已被廣泛用作牽引梁、枕梁和底架等承載件的主要構(gòu)成材料。

上海軌道交通部分車型的牽引梁、枕梁與底架均采用7系(7020 T6)鋁合金作為主要材質(zhì)。截至2019年4月，某種車型共計13輛車輛存在裂紋。此種車型的車體底架高強(qiáng)度區(qū)域均采用了7020 T6鋁合金，裂紋問題嚴(yán)重制約了列車的服役安全。以往項目也發(fā)現(xiàn)部分服役列車出現(xiàn)過車體裂紋的情況。為確保列車行車安全以及避免后續(xù)新車型出現(xiàn)類似此類裂紋情況，本文針對上海軌道交通車輛進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)裂紋的車型均采用7020 T6鋁合金作為車體底部關(guān)鍵受力構(gòu)件的制備材料，且構(gòu)件均采用了焊接成形技術(shù)進(jìn)行服役前加工。另外，基本所有車型的車底受力件都存在相同的裂紋位置。顯然，作為車體底部關(guān)鍵構(gòu)件材質(zhì)的7020 T6鋁合金是引起7系鋁合金車型裂紋的潛在共性因素。

因此，本文立足于當(dāng)前上海軌道交通車輛7系鋁合金車體出現(xiàn)裂紋的情況，選取7系鋁合金應(yīng)用的兩個典型案例，即牽引梁下蓋板與司機(jī)室車鉤端牽引梁為研究對象，調(diào)查其裂紋狀況，從靜載荷強(qiáng)度、層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕等因素著手分析裂紋產(chǎn)生的主要原因。此外，本文還對7系鋁合金在類似車體牽引梁等高強(qiáng)度位置的適用性進(jìn)行了評價，同時提出優(yōu)化策略，為7系鋁合金在車體關(guān)鍵位置的使用提供了工程經(jīng)驗。

1 7020 T6 鋁合金組織成分與性能

根據(jù)BS EN 485-2：2004《鋁和鋁合金——薄板，卷板和板材——第2部分：機(jī)械性能》(最新版為BS EN 485-2：2016),7020 T6鋁合金滿足T6、T651、T62回火等級要求，其機(jī)械性能如表1所示。

表1 7020 T6鋁合金的機(jī)械性能Tab.1 Mechanical properties of aluminum alloy 7020 T6

根據(jù)7020 T6鋁合金的實際應(yīng)用情況，判斷其屈服現(xiàn)象不明顯，因此其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)參照Rp0.2(規(guī)定非比例延伸率為0.2%時的延伸強(qiáng)度)。當(dāng)板材厚度為12.5～40.0 mm時，鋁合金7020 T6鋁合金的屈服強(qiáng)度為280 MPa，其抗拉強(qiáng)度為350 MPa，最小延伸率為9%，硬度為104 HBW。

2 典型案例

2.1 牽引梁下蓋板裂紋

2.1.1 中間端牽引梁靜力分析

由于牽引梁下蓋板裂紋均出現(xiàn)于中間端牽引梁，根據(jù)上海軌道交通某型車車體靜強(qiáng)度報告，對中間端牽引梁做靜載荷強(qiáng)度分析。在車輛載荷為AW3(超常載荷)工況下，當(dāng)車鉤上施加的牽引力為1 200 kN時，對4個空氣彈簧施加約束，中間端牽引梁區(qū)域的應(yīng)力如圖1所示。當(dāng)車鉤上施加的拉伸力為1 200 kN時，對4個空氣彈簧施加約束，中間端牽引梁區(qū)域的應(yīng)力如圖2所示。

圖1 AW3工況下，當(dāng)車鉤施加壓縮力時的中間端牽引梁應(yīng)力圖

圖2 AW3工況下，當(dāng)車鉤施加拉伸力時的中間端牽引梁應(yīng)力圖

由圖1可知，在AW3工況下，車鉤施加壓縮力，牽引梁下蓋板位置所受的應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于AW3工況下,車鉤施加拉伸力的牽引梁下蓋板所受應(yīng)力值。除去圖1中虛線圈內(nèi)的位置(此處未出現(xiàn)裂紋)，在AW3工況下，車鉤施加壓縮力，牽引梁區(qū)域應(yīng)力最大位置應(yīng)為圖1中的虛線圈位置，其應(yīng)力值為126 MPa。

根據(jù)EN 12663：2000《鐵道應(yīng)用——軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》，在僅利用計算來驗證設(shè)計結(jié)構(gòu)的屈服或彈性極限強(qiáng)度的條件下，安全系數(shù)S應(yīng)取為1.15。牽引梁下蓋板采用7020 T6鋁合金，其屈服強(qiáng)度Rp0.2=280 MPa。根據(jù)計算可得：

(1)

式中：

σC——計算應(yīng)力。

由式(1)可知，僅從靜載荷強(qiáng)度而言，中間端牽引梁區(qū)域的結(jié)構(gòu)是安全的，且有較大的安全冗余。根據(jù)靜載荷強(qiáng)度分析，可以確定牽引梁區(qū)域的應(yīng)力最大位置。經(jīng)分析對比，該應(yīng)力最大位置與牽引梁側(cè)邊下蓋板裂紋位置基本吻合。某型車M1(動車1)一位端牽引梁側(cè)邊下蓋板裂紋如圖3和圖4所示。

圖3 某型車M1一位端牽引梁側(cè)邊下蓋板裂紋位置設(shè)計圖截圖

圖4 某型車M1一位端牽引梁側(cè)邊下蓋板裂紋照片

綜上，本文推斷較大的外部載荷應(yīng)力是某型列車牽引梁下蓋板處裂紋產(chǎn)生的必要條件之一。

2.1.2 宏觀形貌特征及焊接結(jié)構(gòu)分析

對打磨前后的裂紋長度(見圖4)進(jìn)行測量，可獲得打磨前的裂紋長度為100 mm，打磨后的裂紋長度為240 mm，裂紋延伸至貼近焊縫位置。這主要是由于貼近焊縫位置，即焊接熱影響區(qū)時，鋁合金熱影響區(qū)域的結(jié)構(gòu)晶粒粗大且焊接殘余應(yīng)力較大，導(dǎo)致其內(nèi)部裂紋長度更長。據(jù)此初步判斷，此位置裂紋應(yīng)由內(nèi)向外開裂。

對牽引梁下蓋板處的裂紋宏觀形貌作觀察。某型車MP1(帶受電弓的動車1)、MP2及牽引梁下蓋板裂紋典型宏觀形貌如圖5所示。由圖5 a)和圖5 b)可知，牽引梁下蓋板裂紋表面清洗后未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡。裂紋位置光亮，形貌呈流線狀且裂紋平坦，邊界清晰且裂紋方向平行于板材表面，與正應(yīng)力方向垂直。根據(jù)上述情況判斷，該處裂紋應(yīng)為典型的脆性開裂。由圖5 c)可知，試樣剖面存在小裂紋，與主應(yīng)力方向垂直且首尾相連構(gòu)成階梯狀。裂紋位置貼近板材表面，其擴(kuò)展方向無分支，其形貌特征與文獻(xiàn)[1]提出的層狀撕裂宏觀形貌特征一致。

本文對牽引梁下蓋板處的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，確認(rèn)其焊接結(jié)構(gòu)符合層狀撕裂的5種典型結(jié)構(gòu)之一。厚板材料的角接接頭、T型接頭和十字接頭是最常發(fā)生層狀撕裂的位置。下蓋板區(qū)域的焊接結(jié)構(gòu)為典型的厚板角接接頭，如圖6所示。層狀撕裂典型焊接結(jié)構(gòu)[2]厚板角接接頭如圖7所示。因此，本文初步認(rèn)為牽引梁下蓋板裂紋的產(chǎn)生原因為層狀撕裂。

圖5 裂紋宏觀形貌圖Fig.5 Macroscopic topography of cracks

圖6 下蓋板位置焊接結(jié)構(gòu)圖截圖Fig.6 Screenshot of welding structure of lower cover plate position

圖7 層狀撕裂典型厚板角接接頭焊接結(jié)構(gòu)

2.1.3 層狀撕裂原因分析

一般而言，造成層狀撕裂的原因有：

1) 厚板材料的力學(xué)性能各向異性造成其板厚方向塑性較差，且隨著板厚的增加，其力學(xué)性能各項異性越強(qiáng)，板厚方向塑性越差；

2) 存在較大的加工殘余拉應(yīng)力或焊接殘余拉應(yīng)力，其方向垂直于板材厚度方向。

在以上兩個因素協(xié)同作用下，母材表層部分就會產(chǎn)生層狀撕裂裂紋。

某型車牽引梁下蓋板采用的是厚度為20 mm的7020 T6鋁合金板材。一般可采用板厚方向斷裂延伸率來判斷層狀撕裂的傾向性。板厚方向斷裂延伸率越大，材料板厚方向的塑性就越強(qiáng)，層狀撕裂傾向性越低。高強(qiáng)度7020 T6鋁合金的最小延伸率僅為9%，顯然其塑性較低，接近脆性材料最小延伸率為5%的條件。而國內(nèi)外對鋁合金板厚方向成分均勻性的研究較少，且無可靠的均勻性生產(chǎn)工藝[3-4]，其板厚方向塑性必然小于其縱橫向的塑性，層狀撕裂傾向性高。

在7020 T6鋁合金焊接成形過程中，由于熔池的快速凝固，造成焊縫區(qū)域鋁合金體積收縮嚴(yán)重，進(jìn)而產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。而目前國內(nèi)尚無鋁合金焊接殘余應(yīng)力釋放的可靠工藝。由2.1.1節(jié)中所確認(rèn)的最大應(yīng)力位置與裂紋位置吻合可知，裂紋位置處較大的載荷拉應(yīng)力與焊接殘余拉應(yīng)力是造成層狀撕裂的主要拉應(yīng)力因素。

綜上所述，本文推斷在對牽引梁進(jìn)行焊接的過程中，存在較大的焊接殘余拉應(yīng)力，且由于7系鋁合金本身對層狀撕裂的高傾向性，導(dǎo)致了7系鋁合金層狀撕裂，板材內(nèi)部出現(xiàn)肉眼不可見的微小裂紋，尤其當(dāng)列車運(yùn)營時面臨的早晚高峰循環(huán)載荷沖擊，引發(fā)了鋁合金牽引梁內(nèi)部微小裂紋的擴(kuò)展，最終形成了牽引梁下的蓋板裂紋。

2.2 司機(jī)室車鉤梁裂紋

近些年，已有文獻(xiàn)開展針對車鉤梁開裂現(xiàn)象的研究。文獻(xiàn)[5]通過宏觀形貌觀察，顯微組織分析、斷口形貌分析以及應(yīng)力腐蝕試驗，認(rèn)為車鉤梁開裂是7020 T6鋁合金受到應(yīng)力腐蝕所導(dǎo)致的。一般來說，金屬材料出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂狀態(tài)需要以下3種條件[6]：

1) 金屬材料本身具有應(yīng)力腐蝕敏感性。

2) 金屬材料處于特定的腐蝕環(huán)境中，對鋁合金材料而言，主要是潮濕、悶熱環(huán)境、含有Cl-、Br-、I-離子的溶液以及腐蝕環(huán)境。在干燥環(huán)境下，無論何種壓力下均不會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。

3) 金屬材料受拉應(yīng)力作用。拉應(yīng)力可以是外部施加的載荷或是焊接殘余應(yīng)力等。

因此，7020 T6鋁合金在含Cl-溶液中對應(yīng)力腐蝕敏感，符合敏感材料的條件。當(dāng)鋁合金受到X-Z方向的載荷，對應(yīng)力腐蝕最為敏感；Y-Z方向次之；X-Y方向未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。外部載荷施加方向如圖8所示。

圖8 外部載荷施加方向Fig.8 Direction of external load application

上海地區(qū)為沿海氣候，在潮濕、悶熱的環(huán)境下，車體底部牽引梁區(qū)域容易凝結(jié)水汽，從而滿足特定腐蝕介質(zhì)的條件。根據(jù)2.1.3節(jié)所述，鋁合金焊接后產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力較大，滿足拉應(yīng)力條件。因此，7020 T6鋁合金在車鉤梁服役時，滿足應(yīng)力腐蝕的全部條件，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

3 適用性評價及優(yōu)化策略

3.1 適用性評價

1) 7020 T6鋁合金具有高強(qiáng)度、低塑性、板厚方向成分不均勻等特性，造成其對層狀撕裂的高傾向性；鋁合金的高延展性導(dǎo)致的較大焊接殘余拉應(yīng)力，以及由車輛運(yùn)營過程中產(chǎn)生的較大外部載荷拉應(yīng)力，兩者結(jié)合產(chǎn)生的拉應(yīng)力是造成層狀撕裂的主要原因。在采用7020 T6鋁合金作為材質(zhì)的前提下，防止層狀撕裂的產(chǎn)生可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接工藝的角度進(jìn)行優(yōu)化。從結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，使焊接殘余應(yīng)力的方向不垂直于板厚方向或減小焊縫尺寸及優(yōu)化牽引梁結(jié)構(gòu)等措施均能避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；從焊接工藝而言，通過恰當(dāng)?shù)暮附託堄鄳?yīng)力釋放工藝可以將殘余應(yīng)力降至較小值。目前，國內(nèi)整車廠尚無有效的鋁合金殘余應(yīng)力釋放工藝，工藝優(yōu)化仍需開拓創(chuàng)新。

2) 造成某型車輛車鉤梁應(yīng)力腐蝕的主要因素為：①拉應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力與較大的外部載荷結(jié)合)；②含Cl-的腐蝕環(huán)境；③7020 T6鋁合金是應(yīng)力腐蝕敏感材料。上述三種因素中，缺少任意一種因素，應(yīng)力腐蝕即可避免。在確定使用7020 T6鋁合金的情況下，可從優(yōu)化焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計或車體表面改性的角度來防止應(yīng)力腐蝕。

從車體表面改性而言，可以采取磷化處理和噴丸前處理，再噴涂潮氣固化型聚氨酯重防腐涂料，將環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)與車體隔離，以避免應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。但這實際上增加了架大修中的工作(在原有的架大修規(guī)程中，對列車底部牽引梁等位置不做涂裝處理)，即周期性地對車底關(guān)鍵位置噴漆，以確保車體的防腐蝕能力。此外，定期噴漆的工作也增加了油漆選型、噴涂工藝乃至均衡修中增加車底結(jié)構(gòu)表面維護(hù)規(guī)程等問題。

3.2 優(yōu)化策略

根據(jù)前文分析，造成車體開裂的共同關(guān)鍵因素為：7系鋁合金對層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕的敏感性(內(nèi)因)和板材受到拉應(yīng)力作用(外因)。因此，在現(xiàn)有車輛仍采用7系鋁合金的情況下，可對拉應(yīng)力因素進(jìn)行優(yōu)化。

1) 噴丸表面強(qiáng)化工藝。對現(xiàn)有車體底架等受力位置板材預(yù)先做特殊噴丸改性處理，通過大量彈丸對板材表面做多方位、高速、重復(fù)沖擊，使板材表面塑性變形，板材內(nèi)部受到的應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度只產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)彈丸離開板材表面，板材內(nèi)部會有恢復(fù)到原來狀態(tài)的趨勢，從而壓迫板材表層，在板材表面制造殘余壓應(yīng)力。當(dāng)板材焊接成型時受到的焊接殘余拉應(yīng)力和人為制造的殘余壓應(yīng)力相互抵消，去除或減少造成層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕的主要拉應(yīng)力因素，從而阻礙板材開裂。

2) 焊接工藝評定。要求整車廠對牽引梁等關(guān)鍵位置做焊接工藝評定，以減小焊接殘余應(yīng)力，從而提升焊接質(zhì)量。對關(guān)鍵位置焊接前，提交焊接工藝評定試驗方案，其中包括：①母材牌號、級別、厚度；②焊接材料的型號、等級、規(guī)格；③焊接設(shè)備的型號和主要參數(shù)；④坡口設(shè)計和加工要求；⑤焊道布置和焊接順序；⑥焊接位置；⑦焊接規(guī)范參數(shù)；⑧焊前預(yù)熱和道間溫度控制、焊后熱處理、殘余應(yīng)力釋放措施。請第三方合規(guī)機(jī)構(gòu)對焊接工藝評定試驗方案進(jìn)行審核、修改及確認(rèn)，并由整車廠根據(jù)第三方確認(rèn)的方案在現(xiàn)場做焊接工藝試驗，在第三方現(xiàn)場檢驗通過后，方可對列車關(guān)鍵位置進(jìn)行焊接處理。

4 結(jié)語

本文分析了靜載荷強(qiáng)度、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕三種可能產(chǎn)生裂紋的因素，推斷層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕是產(chǎn)生裂紋的主要原因，并從材料角度論證了7020 T6鋁合金對層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕均為敏感性材料。此外，結(jié)合當(dāng)前實際情況評價了7系鋁合金在車體關(guān)鍵位置的適用性，并針對引起裂紋產(chǎn)生的拉應(yīng)力因素，提出了采用噴丸強(qiáng)化工藝以及焊接工藝評定方式減小拉應(yīng)力的影響，以避免7系鋁合金的車體產(chǎn)生層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕，為7系鋁合金在車體關(guān)鍵位置的使用提出了優(yōu)化建議。