铁路客车车辆导流罩支架焊缝断裂失效分析

铁路客车车辆导流罩支架焊缝断裂失效分析

钟静静

中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000

摘要：导流罩是铁路客车车辆推动与控制系统的重要构件，基于此，本文详细探讨了铁路客车车辆导流罩支架焊缝断裂失效分析。

关键词：铁路客车；导流罩支架；焊缝；断裂

裂纹出现在钢板和U形板间的焊缝根部，并沿焊缝方向延伸至U形板的“U”形底部。在“U”形底部产生一个新的疲劳裂纹源，并沿钢板横向扩展，最终致使钢板断裂。钢板与U形板焊缝尺寸不足，导致强度达不到设计要求，是支架开裂和最终断裂的主要因素。因此，应加强焊接作业管理，要求焊工严格按图样及工艺文件要求焊接，并且焊后加强焊缝外观和尺寸的焊工自检、互检、焊接检验验收工作。

一、断裂失效分析

断裂失效是指零件完全断裂，而且在工作中丧失或达不到预期功能称为断裂失效。断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效。断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)等之间的关系,揭示断裂失效机理、原因与规律,进而采取改进措施与预防对策。

二、导流罩制作工艺流程

组成导流罩的主要零件有上支撑、下支撑、内壳板、外壳板、鱼形板、圆钢和圆管、环向加筋板等，其外形如水滴。导流罩制作工艺流程为：模具制作(严格按设计图纸)→曲面瓣片轧制→胎架制作(尺寸核验)→圆钢和圆管安装(焊缝磁粉检测)→内壳板拼接(焊缝渗透检测、超声波检测、射线检测)→鱼形板安装→环向加筋板安装(焊缝渗透检测、磁粉检测)→上下支撑安装→外壳板安装(焊缝磁粉检测、超声波检测)→外形尺寸测量→气压试验→整体冲砂与油漆→机加工→完工测量→对外交验。

三、导流罩焊接质量要求与检验程序

1、外形尺寸和线型控制。为保证铁路客车车辆的顺利安装与运行，导流罩在制作加工过程中应严格控制尺寸偏差和线型．模具的制作应符合设计图纸中产品线型，制作完毕后需用样箱检查，检查合格后方可用于曲面瓣片轧制，上下支撑在安装时严格做到中心对齐，罩体前后端曲面应用模板套靠，不得超出允许偏差，内壳板内侧的拼接焊缝余高需打磨平滑。

2、焊前准备与工艺要求。所有焊缝在焊接前应进行焊接坡口或端口的制作与清理，焊接端口两侧各30mm范围内的母材表面应予以打磨，去除氧化皮、油污等，焊接施工应按适合于本项目的焊接工艺进行，焊接操作人员、焊接设备、焊接材料和环境条件均应符合工艺要求。

3、焊缝质量要求。根据设计文件要求，焊接完毕，应进行焊缝外观质量检查，焊缝及焊接热影响区不得存在气孔、夹渣、裂缝、焊瘤等缺陷，焊角高度应不小于0.4 。所有主要焊缝经外观检查合格并达到时效要求后进行无损检测，焊缝内部质量检测要求为：内壳板不锈钢对接焊缝20％射线检测，100％渗透检测，100％超声波检测；外壳板对接焊缝20％超声波检测，100％磁粉检测；内壳板与鱼形板、环向加筋板的角焊缝20％渗透检测；鱼形板与环向加筋板的角焊缝20％磁粉检测。

4、焊缝磁粉检测。磁粉检测是利用漏磁场吸附磁性介质形成磁粉堆积的原理，从而揭示焊缝不连续，适用于检查铁磁性材料表面及近表面的缺陷，具有检测速度快、成本低、灵敏度高和缺陷显示形象直观的优点。导流罩制作加工过程中，需对鱼形板和环向加筋板的角焊缝进行20％磁粉检测，对外壳板拼接焊缝进行100％磁粉检测。检测时可适当使用反差增强剂，对出现成磁粉堆积的地方必须采用砂轮打磨，打磨到无磁痕堆积出现为止，然后按原焊接工艺补焊，再次实施磁粉检测，以彻底消除检测区域内的缺陷。由于磁粉检测出的缺陷以裂纹居多，所以修补时尽量减少碳弧气刨的使用，防止裂纹的扩张，避免出现更大危害。

5、焊缝渗透检测。渗透检测用于发现表面开口的缺陷，如气孔、裂纹等。检验方法分为水洗型、溶剂清洗型和后乳化型三种，若选用溶剂清洗型的渗透液，内壳板在拼接时采用单面坡口反面清根形式，先对内壳板外侧施焊，焊毕外观检查合格后进行渗透检测，内侧焊接部位清根打磨后仍需对焊接坡口进行渗透检测，以免缺陷埋藏于焊缝内部，内侧焊缝施焊完毕进行外观检查，防止非相关显示的出现，合格后进行渗透检测，渗透检测操作时，每次只能使用同一厂家的渗透检测材料，为保证渗透检测的可靠性，环境温度必须控制在12～52℃，如遇冬季气温低于12℃，应对焊缝及热影响区予以适当加热。

不管采用何种检测方法，其目的都是为尽可能将焊缝中的缺陷检测出来，然后进行必要的返工或修补，以保证产品质量。对于检测出来的缺陷应予以认真对待，必须按返修或修补工艺处理，待外观检查合格后进行对应的无损检测。

四、宏观检查

车辆检修人员在检查某铁路客车时，发现导流罩的三角支架断裂。根据技术文件提供的资料，导流罩支架材质为06Cr19Ni10，支架上钢板与U形板焊接，焊缝设计尺寸为Z3，焊缝质量等级为ISO 5817 D级。

断裂部位位于钢板与U形板连接焊缝处，支架无明显碰撞痕迹。

钢板和U形板间的断口形态如图1a所示，局部放大如图1b所示。从图中可看到多条断裂棱线，根据棱线形态，可看出裂纹起源于焊缝根部。同时，可看到一些断口已磨损，表明此处裂纹出现较早，并且在断口处有断裂塑性变形痕迹。测量此处焊缝尺寸，由于钢板厚度为4mm，图中所示位置宽度为5mm，通过计算，此处焊缝的Z值约为1mm。

图1 钢板与U形板之间焊缝处的断口形貌

钢板与U形板间U形底焊缝处沿钢板横向断裂的断口形貌如图2所示，可看到明显的贝壳线，这是一种典型的疲劳断口。裂纹起始位置位于焊缝根部。

图2 沿钢板横向断裂的断口形貌

五、材质分析

切割小块样品进行化学成分分析，化学成分测试结果表明，导流罩支架的化学成分满足GB/T 3280中06Cr19Ni10要求。支架化学成分为：支架C为0.02，Si为0.38，Mn为0.72，P为0.031，S为0.02，Ni为8.44，Cr为18.00，N为0.05；06Cr19Ni10 C为≤0.08，Si为≤0.75，Mn为≤2.0，P为≤0.045，S为≤0.030，Ni为8.00～10.50，Cr为18.00～20.00，N为≤0.10。

六、金相分析

在断口区域沿焊缝横向切割金相试样，并用氯化铁盐酸水溶液进行浸蚀，母材金相组织为奥氏体，基体上分布带状铁素体，焊缝金属为奥氏体+铁素体。此处测量的焊脚尺寸小于1.9mm。

七、结果与讨论

导流罩支架的化学成分应符合GB/T 3280中06Cr19Ni10要求。钢板与U形板焊缝处母材及焊缝金属为正常金相组织，表明材料本身无异常。

宏观检查导流罩支架上是否无明显的碰撞痕迹。钢板与U形板间的断口上可见多处断裂棱线，根据棱线的形态，裂纹起源于焊缝根部。同时，断口附近有塑性变形痕迹，部分断口已磨损，表明此处裂纹出现较早。钢板横向断裂的断口形貌可见明显的贝壳线，为典型的疲劳断口。裂纹起始位置位于焊缝根部。根据上述信息，可推断裂纹发生在钢板与U形板间的焊缝根部，并沿焊缝方向延伸至U形板的“U”形底部。在“U”形底部产生一个新的疲劳裂纹源，并沿钢板横向扩展，最终导致钢板断裂。

在宏观检查期间，在焊缝的某个位置计算出的焊脚尺寸约为1mm，金相分析时，金相试样处的焊脚尺寸小于1.9mm。根据图纸要求，设计焊脚尺寸为Z3，根据ISO 5817 D级规定的焊接缺陷限值计算，短缺陷情况下的最小焊脚尺寸为2.3mm(焊缝中缺陷的纵向尺寸小于焊缝长度的25%)，表明此处的焊缝尺寸不足。结合焊缝断口形貌可看出，焊缝尺寸不足，焊缝强度达不到焊缝设计强度，这是支架开裂和最终断裂的主要原因。

通过研究焊接工艺文件中的焊接参数，可知用于焊接4mm厚06Cr19Ni10材质角焊缝的焊接参数是正确的。焊缝尺寸不能满足设计要求的原因是焊工未按焊接参数进行焊接引起的。

参考文献：

[1]王大臣.铁路客车转向架构架横梁管焊缝处裂纹分析[J].工程与试验，2017(03).

[2]逯连文.铁路客车车辆导流罩支架焊缝断裂失效分析[J].金属加工(热加工)，2019(01).