TSG19A型受電弓上框架焊接裂紋故障分析及改進(jìn)措施

■ 陳貞韜，肖偉良

掃碼了解更多

受電弓作為軌道交通車(chē)輛受裝置，承擔(dān)著接觸網(wǎng)與車(chē)載電氣設(shè)備之間的接口作用。TSG19A型受電弓應(yīng)用于CRH380A高速動(dòng)車(chē)組上，近期陸續(xù)出現(xiàn)多起上框架肘節(jié)焊縫熔合線處開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋如圖1所示。

TSG19A型受電弓是2007年從西門(mén)子公司引進(jìn)的高速受電弓（國(guó)外型號(hào)為SSS400+），上框架采用φ60mm×3mm的7020 T6材質(zhì)鋁合金圓管焊接而成。

1. 裂紋原因分析

（1）上框架受力仿真分析 仿真計(jì)算結(jié)果顯示，故障部位是上框架焊縫最大應(yīng)力部位，在350N接觸力下應(yīng)力為160.1MPa。

圖1 上框架肘節(jié)焊縫熔合線處裂紋

（2）故障件試驗(yàn)檢測(cè)及分析 針對(duì)上框架肘節(jié)焊縫處裂紋，中車(chē)株機(jī)委托中車(chē)戚墅堰工藝研究所試驗(yàn)檢測(cè)中心、中南大學(xué)對(duì)故障上框架進(jìn)行了檢測(cè)，如圖2~圖4所示。

檢測(cè)結(jié)果分析如下：①斷面貝紋線清晰可見(jiàn)，為典型的疲勞擴(kuò)展斷裂，裂紋源位于管外焊接處的焊腳部位。②微觀形貌顯示裂源處存在坑狀缺陷，能譜分析顯示坑狀缺陷處具有腐蝕跡象。③在開(kāi)裂部位，表層發(fā)生以應(yīng)力腐蝕為主的腐蝕開(kāi)裂，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂后發(fā)展為疲勞裂紋。

（3）裂紋原因分析 根據(jù)對(duì)既有上框架受力仿真分析結(jié)果和故障上框架試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告的結(jié)論，認(rèn)為仿真分析和試驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果相吻合，可以認(rèn)定故障發(fā)生的原因是：①由于應(yīng)力集中導(dǎo)致故障部位表面產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋。②產(chǎn)生表面應(yīng)力腐蝕裂紋后，在交變載荷作用下形成疲勞裂紋。③上框架由7020 T6鋁合金材料焊接而成，且開(kāi)裂處是最大應(yīng)力部位，在拉伸應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 應(yīng)力腐蝕裂紋形成的疲勞臺(tái)階

2. 改進(jìn)措施

（1）焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化 結(jié)合前述故障現(xiàn)象和原因分析，提出了肘節(jié)部位設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，即采用管材整體折彎成形，避免了該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，尾部采用整體加工件，焊縫數(shù)量由10條減少至2條，降低了焊縫集中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)方案及效果如圖5所示。

改進(jìn)后上框架肘節(jié)處在極端工況下（350N接觸力）的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示，該區(qū)域最大應(yīng)力降低到101.6MPa，且焊縫處最大應(yīng)力為38.8MPa，焊縫處應(yīng)力有很大改善。

（2）焊接接頭優(yōu)化 原焊接接頭為45°管管對(duì)接焊縫，焊接難度大，容易產(chǎn)生錯(cuò)邊、未焊透缺陷。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，焊接接頭變更為管管平對(duì)接，降低了焊接難度。接頭形式如圖6所示，宏觀金相如圖7所示，焊接參數(shù)如附表所示。

3. 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)TSG19A型受電弓肘節(jié)部位焊縫熔合線處開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)和接頭形式，將工件最大應(yīng)力部位設(shè)置在原材料上，消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并有效降低了焊縫部位的最大應(yīng)力和焊接工藝難度，從而解決了開(kāi)裂問(wèn)題。目前裝配新結(jié)構(gòu)上框架的TSG19A型受電弓已在長(zhǎng)沙動(dòng)車(chē)段進(jìn)行運(yùn)行考核。

圖5 肘節(jié)部位改進(jìn)前后對(duì)比

圖6 焊縫接頭形式

圖7 焊接工作試件宏觀金相

鋁管平對(duì)接焊接參數(shù)表