地鐵鋁合金車體牽引梁裂紋原因分析及修復

盧 勇，黎 澍，申天亮

（廣州地鐵集團有限公司運營事業(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)計壽命30年［1］。司機室是由型鋼構(gòu)成，車體焊接型材和司機室端通過機械緊固裝置相互連接。“安全性”和“可靠性”是軌道交通運營維護的基本需求和首要標準，地鐵車輛全自動車鉤牽引梁承載著司機室重量并且在車輛連掛時傳遞牽引制動力，車體牽引梁裂紋的出現(xiàn)對車輛運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)，裂紋原因及修復方法成為了許多學者的研究對象。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］，焊接工藝不當將在焊縫附近產(chǎn)生很大殘余應(yīng)力，甚至達到材料屈服極限［4］，導致材料強度下降。曹彬彬等［5］運用有限元法計算出最大的殘余應(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為焊接裂紋，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號線列車車鉤安裝座焊縫裂紋原因為焊接缺陷，重新設(shè)計車鉤安裝座替換修復。徐立廣等［8］介紹了鋁合金動車枕梁與牽引梁三角補強板焊縫氣孔修復工藝。王富強等［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，更換鋁材型號并補焊修復。胡偉等［10］分析地鐵鋁合金牽引梁翼板裂紋的原因為鋁合金Z向強度不足，通過更換鋁材型號、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度不足導致，通過采用補強和優(yōu)化焊接工藝修復了裂紋。

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，少量因為強度不足導致裂紋，其修復方法以優(yōu)化焊接工藝或更換鋁材重新補焊為主。但是當補焊修復無法徹底解決問題時，采用挖孔去裂紋修復以及改用鉚接修復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種修復方法，為地鐵車輛牽引梁裂紋的修復提供參考借鑒。

1 裂紋概述

該車2003年投入運營，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，裂紋擴展速度快，最長達到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）連接承載著司機室和車鉤座的重力，在連掛時還需承擔牽引力。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

牽引梁鋁材型號為AW 7020 T6（AlZn4，5Mg1），屈服強度275 MPa，泊松比0.34。為了了解材料應(yīng)力情況，進行了有限元計算。分別計算了（1 200 kN＋AW0）和（1 200 kN＋AW3）工況，如圖4所示，最高計算應(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，二者計算應(yīng)力遠遠低于許用應(yīng)力。

在正常的車輛運營中，全自動車鉤沒有推-拉作用力，但在車輛段鏇輪或者非自身動力轉(zhuǎn)軌跟輪對小車、工程車或其他電客車連掛時，在車鉤處將產(chǎn)生一定的推-拉力，但是都遠小于1 200 kN，且發(fā)生次數(shù)很少，車鉤設(shè)計的最大作用力僅為1 000 kN，計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算應(yīng)力，不會出現(xiàn)裂紋。車輛出廠時在（1 200 kN＋AW3）工況下做拉壓試驗，應(yīng)變片測量得到牽引梁側(cè)板附近最大應(yīng)力分別為21 MPa，遠低于測量許用應(yīng)力。如圖4所示。因此，車體結(jié)構(gòu)實際運用時應(yīng)力水平較低，如果不考慮實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 運行環(huán)境

為了了解車輛受到的外部激勵情況，進行了振動測試。國內(nèi)城軌車輛附屬設(shè)備隨機振動試驗主要依據(jù)IEC61373標準進行［12］，該標準中規(guī)定了從線路測試數(shù)據(jù)獲得功能性隨機振動量級的計算方法，通過實測數(shù)據(jù)樣本均方根的平均值及標準差，計算振動量級，與標準加載譜進行對比。線路數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示，軸箱垂向振動最大2.50g，橫向最大1.66g，小于標準最低振動量級。垂向平穩(wěn)性最大2.48，橫向平穩(wěn)性最大2.30，均為優(yōu)。該批次列車同時在兩條線運營，且都出現(xiàn)裂紋，外部運行環(huán)境不是決定因素。

表1 軸箱IEC61373振動量級統(tǒng)計（×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?shù)臒崽幚?，導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 焊縫硬度測試

表2 焊接區(qū)硬度檢測

對于牽引梁母材上的分層裂紋，這種現(xiàn)象在運營一段時間之后顯現(xiàn)，且表現(xiàn)一定的隨機性。從應(yīng)力分析可知分層現(xiàn)象不是強度不足或疲勞引起的，鋁材料在焊接時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］，導致在車體底架區(qū)域易出現(xiàn)裂紋萌生和擴展。

3 修復方法

3.1 補焊修復

2012年首次發(fā)現(xiàn)裂紋之后，為了盡快修復裂紋，采用了切除裂紋焊縫再補焊的修復方法，如圖7所示。焊接要求有資質(zhì)的焊工進行，焊接活動滿足EN15085要求。用直磨機打磨去除所有裂紋，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，焊接時進行預熱，焊接完成后進行著色探傷和超聲波探傷，確認焊接無氣孔、裂紋等缺陷。

圖7 補焊修復法

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

3.2 開孔去裂紋修復

受力分析結(jié)果表明，在最嚴苛的工況在風險最大的焊縫區(qū)域僅產(chǎn)生40 MPa的計算應(yīng)力，僅占許用應(yīng)力27%。整個車鉤和司機室載荷是通過車鉤板的4根加強筋傳導。其中一根加強筋變?nèi)?，大部分載荷仍然能夠通過加強筋上部和下部的板材傳導至牽引梁。車鉤箱的板材能夠進一步優(yōu)化分配載荷傳導至牽引梁。而且如果再采用焊接修復，存在不同厚度板材搭接，焊接坡口加工復雜，焊接帶來的再次熱處理也可能導致很高的殘余應(yīng)力和硬度梯度風險。鑒于此，制定了挖除裂紋不補焊的修復方案。此方案的優(yōu)點是，沒有焊接熱量產(chǎn)生，因此不會產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力的風險，也不會因為焊接損壞附近的螺栓連接。

2014年7 月針對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的方式進行修復，修復效果如圖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

在牽引梁一側(cè)對裂紋進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，開孔導致的截面剛度的削弱將對同側(cè)和對側(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)。實踐表明開孔去裂紋的方式不適合此類裂紋的修復。

3.3 鉚接修復

3.3.1 方案介紹

針對補焊和開孔修復效果不佳問題，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)量細分為兩種方案。

方案1：將司機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 力學性能比較

為了評估兩種修復方案的牽引梁的應(yīng)力情況，采用了非線性有限元模型進行計算，車體模型劃分成殼單元，修復區(qū)域則采用三維體單元。以圖11方案1的有限元模型為例，修復角鋼與切割后的牽引梁母板通過18個鉚釘連接，用M24的螺栓連接司機室底架與修復角鋼。建模時在修復部位定義了4個無摩擦接觸面，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，有限元計算結(jié)果表明，牽引梁最大受載約102 MPa，修復處與母材受力均遠小于275 MPa。如圖12所示，鉚釘所受最大剪切力為9 617 N，遠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。由于該計算工況屬于破壞性工況，日常運營應(yīng)力將遠小于此。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，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)采用鉚接修復裂紋12處，未發(fā)生重復裂紋，由于采用鉚接修復不需要焊接，不存在焊接熱處理和焊接缺陷問題，修復工藝容易控制，修復效果穩(wěn)定。

圖14 鉚接修復

4 結(jié)束語

地鐵全自動車鉤牽引梁承載司機室和車鉤質(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致陸續(xù)出現(xiàn)牽引梁裂紋。嘗試了補焊修復、開孔去裂紋修復以及鉚接修復3種方式，經(jīng)過10年的跟蹤比較，采用鉚接修復牽引梁裂紋的方法比較可行，該方法由于無需焊接，修復工藝易于掌控，不會對周邊母材產(chǎn)生熱影響，修復質(zhì)量穩(wěn)定，最早修復車輛已經(jīng)過50余萬km的運營檢驗，修復部位未再出現(xiàn)裂紋。對牽引梁裂紋原因的分析和修復方法的整理，希望對軌道交通車輛檢修及維護有一定借鑒意義。