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）保護焊進行焊接，起到將位移傳感器固定在地鐵車輛轉向架構架上的作用。安裝座加強筋焊趾存在焊接未熔合、咬邊等焊縫外觀缺陷[1]，2013年3月發現4例在固定位置發生早期疲勞裂紋。經過表面磁粉探傷和更換后，車輛運行兩年后近35.3%的安裝座在固定位置再次發生開裂。安裝座開裂位置位于加強筋焊趾位置和母材等離子切割面拐角處，裂紋緩慢擴展進而導致底板斷裂。利用Hypermesh10.0有限元軟件建立安裝座的整體模型，經過模擬分析和計算，安裝座疲勞強度滿足車輛運行要求。為查找焊縫開裂的原因，對發生開裂的失效件斷口進行了取樣分析，并找到造成產品固定位置大量發生開裂的主要原因，為產品的結構設計提供優化建議。

1 試驗過程與結果

1.1 位移傳感器安裝座受力情況分析

地鐵車輛運行過程中位移傳感器安裝座和轉向架構架之間由4個螺栓連接，安裝座所受到的力主要來自于位移傳感器安裝座和傳感器的靜態重力和車輛運行時的動態沖擊力，產品組裝情況見圖1.

1.2 斷口宏觀觀察

發生開裂的產品裂紋位置基本上位于圖2中位置1和位置2所示處，裂紋情況見圖3、圖4.由圖3、圖4可知，發生開裂的位置焊縫及母材沒有明顯的目視外觀缺陷。開裂位置斷口周圍沒有明顯的塑性變形，即產品在車輛運行過程中所受載荷和應力較小。

圖1 產品組裝圖

圖2 產品開裂位置

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裂位置裂紋均已擴展，并貫穿底板。線切割取樣時，斷口自動分離，且斷口表面光滑、平整和已銹蝕，斷口形貌見圖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]，兩個斷口焊縫根部和熔合區沒有目視焊接缺陷。圖5、圖6中斷口有明顯的疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區，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量。宏觀斷口形貌顯示，斷口裂紋擴展區面積較大，圖6幾乎整個斷口都為裂紋擴展區，表明車輛運行過程中，產品承受的應力較小，該斷口應屬于高周低應力疲勞斷裂斷口[4]。

圖5 位置1斷口形貌

圖6 位置2斷口形貌

1.3 化學成分分析

采用發射光譜儀對接近傳感器安裝座各焊接組件進行化學成分分析，材質分析結果滿足現行GB3531中16 MnDR的技術要求。

1.4 金相檢驗

1.4.1 低倍金相分析

距離開裂位置2斷口30 mm處焊縫截面存在未熔合缺陷，但未融合處未發現微裂紋，見圖7.其他焊縫截面熔合情況良好，未發現未熔合、氣孔、夾渣或咬邊等焊接缺陷，見圖8.

圖7 焊接未熔合

圖8 未發現明顯焊接缺陷

1.4.2 斷口微觀形貌

斷口經過超聲波清洗后，通過掃描電鏡進行觀察。因斷口表面覆蓋銹跡或污物無法完全清洗干凈，無法觀察裂紋源區的微觀形貌特征。位置1斷口擴展區微觀形貌見圖9，位置2斷口擴展區的微觀形貌見圖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

車輛運行2年后，產品經過探傷和目視檢查沒有表面缺陷的產品再次大量的發生開裂，開裂比例達到35.3%.通過分析，斷口附近焊縫和母材未發現外觀缺陷，并且因車輛運行過程中產品表面所受應力較小，裂紋緩慢擴展，斷口呈現高周低應力疲勞斷口特征。利用Hypermesh10.0有限元軟件進行受力分析時，模擬產品上下安裝面存在組裝應力時，產品在車輛運行過程中的應力環境將會顯著惡化、進而影響產品的疲勞壽命，因此產品結構必須進行優化才能避免該問題反復產生。

[1]朱水珍，蔣江明.感應器安裝座斷裂分析與結構設計優化[J].失效分析與預防，2013，8（2）：104-106.

[2]鐘群鵬，趙子華.斷口學[M].北京：高等教育出版社，2015.

[3]王仁智，吳培遠.疲勞失效分析[M].北京：機械工業出版社，1987.

[4]航天航空工業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：科學出版社，1991.

[5]崔約賢，王長利.金屬斷口分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

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