铝合金结构7系材料母材裂纹分析处理的探讨

铝合金结构 7 系材料母材裂纹分析处理的探讨

张春林 陈国玉 王慧双

中车长春轨道客车股份有限公司，130062 长春

摘 要： 基于地铁车辆铝合金结构 7 系材料母材裂纹的处理过程，首先对裂纹信息进行描述；其次对裂纹的原因进行分 析，最后对处理方案进行说明。通过本文的分析介绍和说明， 可对地铁车辆铝合金结构 7 系材料母材裂纹的处理过程有基本认知和了解。 关键词：地铁车辆 铝合金焊接结构 7 系材料母材裂纹 地铁车辆铝合金焊接结构 7 系材料主要应用于 枕梁、牵引梁等关键部件。其可靠性越来越受到关 注，铝合金结构 7 系材料母材裂纹直接关系到车辆的行车安全，母材裂纹的分析思路及处理方式同样 也需要系统的梳理说明。 一、裂纹信息描述 地铁车辆发现枕梁裂纹共计有 31 列 72 辆车枕 梁处出现了裂纹，裂纹共计有 128 处，累积扣车 19 列，出现裂纹的车辆最短运营里程 9 万公里，最长 运营里程 90 万公里。 裂纹的分布位置如下： 空簧旁裂纹 空簧旁裂纹在外部沿车体宽度方向发展。将裂 纹刨开后对裂纹情况进行观察，裂纹出现分层 并沿车体长度方向向内发展。 空簧安装座四周裂纹 空簧安装座四周的裂纹从枕梁所开圆孔边缘向外延伸，沿车体宽度方向发展。 空簧旁立板处裂纹 空簧旁立板处裂纹沿立板方向垂向发展，分布 在空气弹簧上部的制动管通过孔附近。 中心销旁裂纹 中心销旁裂纹呈 45°角斜向发展，严重位置已贯 穿下盖板。裂纹刨开后，裂纹在 45°角方向延伸分层开裂。 中心销旁立板处裂纹 中心销旁立板处裂纹沿立板方向垂直发展，该处裂纹从型腔内开始发展并向外延伸，严重位置贯穿立板，并向底架和下盖板两个方向扩展。 裂纹刨开后，呈现垂直贯穿的情况。 中心销安装位置裂纹 中心销安装位置的裂纹沿车体宽度方向发展， 在中心销安装平面和旁边的枕梁下盖板面均存在裂纹。 空簧与中心销之间裂纹 裂纹出现在中心销与空簧之间的枕梁下盖板上，在枕梁两气孔之间，裂纹沿车体宽度方向发展。 图 1-枕梁母材裂纹

二、裂纹的原因分析

1、设计结构：

车体枕梁结构与引进车辆结构一致，引进车辆

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MPa

5

0

-5

MPa

5

和一期车辆未出现裂纹现象。

2、选用选材和车体强度要求：

材料选择的牌号与引进车辆一致， 均为A7N01S-T5 材料。车体强度计算和车体静强度试验均满足强度要求。

3、制造及施工工艺：

3. 
   
   1. 
      

   2. 、所有后续车辆的制造及施工工艺与原来一期车辆保持一致。

   3. 、裂纹出现在枕梁型材上，不在焊缝区域。

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4、材料供应商及批次：

枕梁材料批次或供应商不同。

5、断口分析：

通过对裂纹断口检测，属低周疲劳断裂。

图 2-裂纹断口分析6、计算及试验分析

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2. 对车体结构进行了有限元分析及静强度试验，最大应力值为 91MPa, 远低于材料自身强度 245MPa 要求，安全余量较大。

3. 针对车体枕梁裂纹问题，在新造的三号线增购车上进行了动应力测试， 最大值为12.3MPa，满足许用值 22MPa 要求，可以达到

25 年的使用要求。

0

MPa ₅

0

-5

^MPa 5

0

-5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

10^3 s

图 3-动应力测试及仿真分析裂纹成因结论

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2. 枕梁结构设计没有改变，材料要求没有变化，制造工艺没有变化，裂纹位置在型材母材上，不在焊接接头区域，因此推测型材内部因素时是产生裂纹的主要原因。

3. 根据裂纹表象推测，裂纹由型材内部向外扩展，有应力腐蚀开裂趋势。

4. 从断口分析，属低周疲劳断裂。

三、处理方案

1、裂纹现场解决方案：

首先沿裂纹长度方向剖开，剖开过程中注意裂纹走向。如果裂纹深度方向垂直于板厚方向，则将裂纹剖成V 型坡口进行焊接；如果裂纹在剖开的过程中，裂纹走向发生变化，即不垂直于板厚方向，则沿裂纹的发展方向继续打磨切割，将缺陷清除后再实施焊接。

2、更换枕梁方案：

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   1. 
      

   2. 、制定新枕梁方案，枕梁结构改进，材料由 7

3. 
   

系铝合金型材改为 6 系，并对铝型材进行抗剥落腐蚀、抗疲劳腐蚀、抗应力腐蚀等相关检测，对新枕梁结构进行有限元仿真分析。

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   3. 、制造新枕梁，并将其更换到原型车上，针对更换枕梁后的车体进行静强度试验与疲劳试验， 以及现场动应力检测。

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3 、 新枕梁材料选用 6082-T6 ， 相比原材料

7N01S-T5 的分析如下：

1. 
   

2. 从机械性能上分析-性能较为接近。

图 4-材料性能对比表2）7N01 与 6082 化学成分对比表

从化学成分上可以看出：

7N01 强化相元素以 Zn\Mg 为主，Zn 的强化相为低熔点，容易腐蚀，合金比例大，含量 5%， 总合金含量为 7.7%，制造工艺性差，韧性差。6082 强化相元素以 Si\Mg 为主，Si 的强化相为高熔点，不容易腐蚀，合金比例小，含量 1.3%， 总合金含量为 3.5%，制造工艺性好，韧性好。

4、材料检测

车体用铝合金型材 6082-T6 检测：

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   2. 抗剥落腐蚀检验；依据标准：GB/T 6892-2006

检测结果：腐蚀等级 N（无腐蚀）。

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   2. 
      

   3. 抗疲劳检验：依据标准：GB/T 6892-2006

检测结果：循环周次内未发生断裂。

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   3. 
      

   4. 抗疲劳检验；依据标准：GB/T 6892-2006

检测结果：溶液中全浸 90 天后未出现裂纹。

四、结语

为了系统研究此课题，可继续对轨道车辆的 7 系板材材料的化学成分、性能、可焊性研究。可继续对既有重庆单轨车辆开展线路测试，分析线路运营载荷谱，开展车体疲劳试验，完成剩余寿命评估。