B型地鐵構(gòu)架焊接殘余應力X射線衍射法測量

張世欣，鄧小軍，王明巖，張占嶺，馬傳平

(1.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000;2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

0 前言

轉(zhuǎn)向架作為機車車輛的主要部件之一，對行車安全起著至關(guān)重要的作用。構(gòu)架又是轉(zhuǎn)向架的重要承載和傳力構(gòu)件，同時也是轉(zhuǎn)向架上其他部件的安裝定位基礎(chǔ)，它不僅要支撐車體、電機和各種零部件，還要傳遞車體與輪對之間橫向、垂向和縱向的各種力［1］。為了保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架有足夠的強度、剛度和抗疲勞能力，減輕自重，實現(xiàn)低動力作用，目前絕大部分轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用焊接形式。但是，由于焊接過程是一個局部不均勻的加熱過程，不均勻的溫度場會導致受約束的熱變形和塑性變形，不可避免的產(chǎn)生殘余應力。殘余應力不僅影響構(gòu)架外觀尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性，還會降低焊接構(gòu)架的疲勞強度，對構(gòu)架的疲勞強度和疲勞壽命均有很大的影響［2－4］，特別是應力集中和高殘余應力疊加的焊接接頭，往往因此產(chǎn)生相當高的應變循環(huán)，若材料的韌性儲備不足，就有可能開裂。同時，由于組織性能的變化，還有可能提高裂紋的擴展速率［2］，產(chǎn)生安全隱患，影響機車運行安全可靠性。工廠一般采用構(gòu)架整體熱處理工藝消除焊接殘余應力，并在熱處理后采用整體噴丸工藝在構(gòu)架表面產(chǎn)生一定的殘余壓應力，以提高其抗疲勞破壞的能力。測定并掌握構(gòu)架焊接后、熱處理后及噴丸后的殘余應力分布規(guī)律十分必要。

裂紋是構(gòu)架上最為危險的缺陷，其直接原因是構(gòu)架殘余應力過大，裂紋從構(gòu)架薄弱環(huán)節(jié)起裂并擴展，最終導致構(gòu)架的失效。大部分裂紋最開始是由表面萌生，繼而擴展。針對構(gòu)架淺表層因應力過大造成的變形和起裂，X射線衍射法以其無損、便捷和數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特性成為研究構(gòu)架淺表層殘余應力分布規(guī)律的最佳選擇。結(jié)合X射線衍射殘余應力檢測方法，可以在較短時間內(nèi)獲得構(gòu)架在多種狀態(tài)下的殘余應力分布情況，為優(yōu)化構(gòu)架不同處理工藝提供測試技術(shù)的支持。本研究利用X射線衍射法對同一B型地鐵構(gòu)架相同部位的三種處理狀態(tài)(焊態(tài)、熱處理態(tài)和噴丸態(tài))的表面殘余應力進行測試，研究不同處理狀態(tài)下構(gòu)架殘余應力的大小和分布規(guī)律，為工廠優(yōu)化B型地鐵構(gòu)架的焊接工藝、熱處理工藝和噴丸工藝提供參考。

1 測試基本原理

當一束X射線照射入晶體材料表面時，將發(fā)生衍射現(xiàn)象，其衍射角2θ、晶面間距d和波長λ滿足布拉格公式2dsinθ=nλ。由于材料由大量隨機取向的晶粒組成，總會在一些位向有利的晶粒內(nèi)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。當由應力引起晶面間距d發(fā)生變化后，衍射角2θ也會相應發(fā)生變化。X射線應力儀可準確地測試晶面間距的變化量，從而根據(jù)彈性力學方程，利用式(1)～式(3)計算出某一方向的應力［5］

式中 K為應力常數(shù)

M為實驗測定

式中 E為材料的彈性模量;μ為泊松比;φ為所測應變方向與試樣表面法線的夾角;θ0為φ=0時的衍射半角。

2 測試方法

殘余應力測試采用加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD便攜式殘余應力儀，選用鉻靶。鉻靶測試參數(shù)為 CrKα，F(xiàn)e(211)晶面，2θ=156.40°，F(xiàn)e粉校準，φ2 mm準直管，多曝光模式，管電壓20 kV，管電流4 mA，曝光時間2 s，曝光次數(shù)12次。測試前先對焊縫測點進行表面平整及砂紙打磨，以去除氧化皮和結(jié)構(gòu)表面銹層，由粗而細均勻打磨，滿足表面粗糙度低于 10 μ m［6］的測試要求。然后采用8818－V2型電解拋光機進行拋光，電解拋光液為NaCl飽和溶液，電解拋光完畢后逐點進行測量。

測試對象為B型地鐵構(gòu)架，主要由橫梁和側(cè)梁兩大部分焊接而成，焊接后要進行熱處理，熱處理完成后進行噴丸處理，三種處理狀態(tài)依次進行。構(gòu)架焊態(tài)側(cè)梁、橫梁測點共97個測點，退火態(tài)和噴丸態(tài)測點與焊態(tài)相同。

3 測試結(jié)果及分析

焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)構(gòu)架的各測點的殘余應力如圖1～圖5所示，其中σx為平行于焊縫方向的應力，σy為垂直于焊縫方向的應力。

圖1 構(gòu)架側(cè)梁立面焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)縱向殘余應力

由圖1可見，構(gòu)架側(cè)梁立面上下兩道長焊縫經(jīng)過退火處理，縱向應力的峰值得到削弱，縱向應力的分布得到均勻化，但均勻化程度相對較低。大部分的應力值由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)閼χ递^小的拉應力或壓應力，應力值為－150～150 MPa。而經(jīng)過噴丸處理的縱向應力值均呈現(xiàn)壓應力，應力分布得到均化，但是應力值與焊態(tài)應力值相差不大。

圖2 構(gòu)架側(cè)梁頂面焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)縱向殘余應力

圖3 構(gòu)架側(cè)梁頂面焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)橫向殘余應力

圖4 構(gòu)架橫梁焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)縱向殘余應力

圖5 構(gòu)架橫梁焊態(tài)、退火態(tài)和噴丸態(tài)縱向殘余應力

由圖2和圖3可知，構(gòu)架側(cè)梁頂面經(jīng)過退火處理后縱向應力的峰值得到削弱，縱向應力的分布得到均勻化，應力值為－50～50 MPa。而橫向殘余應力由原來的壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)閼λ捷^低的拉應力，應力值0～100 MPa。經(jīng)過噴丸處理后，構(gòu)架側(cè)梁頂面的橫向殘余應力都變成較為均勻的壓應力，應力值－300～150 MPa。

由圖4可知，構(gòu)架橫梁對稱結(jié)構(gòu)的測試點60～72與測試點81～89經(jīng)過退火處理后，縱向應力的峰值得到削弱，縱向應力的分布得到均化，但是整體壓應力水平降低，部分測試點由壓應力轉(zhuǎn)向應力水平較低的拉應力，應力值－75～75 MPa，但是對于69、70、71三點退火后，應力值增加到200 MPa。經(jīng)過噴丸處理后，壓應力值變得均勻，大部分在－200 MPa左右。噴丸處理后增加的附加壓應力值并不明顯，可能是此處結(jié)構(gòu)架復雜，不利于獲得良好的噴丸效果。

而圖5中構(gòu)架橫梁對稱結(jié)構(gòu)的測試點73～80與測試點90～97，經(jīng)過退火處理后測試點90～97縱向應力的變化很小，應力值為50～150 MPa，只有97點應力值接近250 MPa;測試點73～80經(jīng)過退火處理后，拉應力值整體降低，為－75～75 MPa之間。經(jīng)過噴丸處理后，測試點90～97獲得較為均勻的壓應力，應力值－200～－100 MPa;測試點73～80經(jīng)過噴丸處理后產(chǎn)生的壓應力值并不均勻，應力值－300～－50 MPa。但同時可以看出噴丸產(chǎn)生的附加壓應力較大。

3 結(jié)論

(1)X射線衍射法操作方便、快捷、實用，可以測得轉(zhuǎn)向架構(gòu)架表層一定深度內(nèi)的殘余應力。

(2)構(gòu)架退火后能夠削弱殘余應力的峰值，縱向應力的分布得到均化，盡管構(gòu)架不同部位焊態(tài)殘余應力不盡相同，但經(jīng)過退火處理后，應力值一般分布在－75～150 MPa，部分測試點退火后應力值為150～250 MPa。

(3)噴丸處理后測試點的殘余應力值呈現(xiàn)壓應力，應力值主要分布在－300～－150 MPa，應力值也得到了局部的均勻化，但是由于構(gòu)架部分區(qū)域的結(jié)構(gòu)較為復雜，鋼丸并不能輕易到達這些部位，這就造成構(gòu)架因噴丸造成的附加壓應力因部位不同而有所差異，使噴丸處理不一定能達到理想的效果。

［1］黃小葉.焊接構(gòu)架側(cè)梁殘余應力數(shù)值模擬分析［D］.成都:西南交通大學，2008.

［2］李 強，劉志明，繆龍秀.高速客車轉(zhuǎn)向架殘余應力的試驗研究［J］.實驗力學，1999，14(2):260.

［3］方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:72－78.

［4］張家棟，李 強，王靈芝.利用巴克豪森效應測量轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架殘余應力［J］.機車車輛工藝，2009(2):1.

［5］呂克茂.殘余應力測定的基本知識—第四講X射線應力測定方法(一)［J］.理化檢驗 － 物理分冊，2007，43(7):349－351.

［6］GB7704－1998 X射線應力測定方法［S］.