試論焊后退火工藝對高速列車轉向架焊接接頭組織和性能的影響

馬征征　趙永州

[摘 要]隨著我國經濟建設的不斷發展，高速鐵路也逐漸成為備受人們歡迎的一種運輸方式，在高速列車中，轉向架是其中不可或缺的重要組成部分，其焊接質量會直接影響車體的承載情況以及牽引轉向情況。富氬基二氧化碳焊是當前運用比較廣泛的焊接工藝，在運用其焊接低合金控軋鋼板的過程中，焊后退火工藝的運用會在一定程度上對轉向架焊接接頭產生影響。本文便從焊后退火工藝的應用意義入手，運用實驗的方式，研究300—350千米高速列車轉向架焊接接頭，并論述該工藝在運用過程中的影響。

[關鍵詞]焊后退火；高速列車；轉向架；焊接接頭

中圖分類號：U270.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0041-01

前言：隨著國家對高速鐵路運輸服務要求的不斷提高，在高速列車建設過程中，對相關工藝的要求也在日益提升，時速為300—350千米的高速列車便是當前主要的鐵路動車組。轉向架是高速列車來運行過程中最核心的組成部分，需要有效承載車體重量，不僅如此，還承擔著高速列車運行過程中的牽引、轉向、緩沖以及制動等工作。隨著鐵路建設的不斷發展，轉向架在實現上述功能的基礎上，還需要更加輕量化，因此，對焊接過程中相關工藝的要求也更高。

一、焊后退火工藝的應用意義

焊接結構構架是當前高速列車建設體系中運用的主要部件，可以以實際運行要求為基礎，運用有針對性的建設材料，降低結構板厚度，在確保列車運行安全的基礎上，更多的節約建設原料與成本。時速在300—350千米的高速列車，其轉向架構架一般情況下是全焊結構，運用鋼板進行側架焊接，運用鋼板壓型件進行橫梁焊接，在完成側架與橫梁的焊接之后，再進行組焊，從而完成整個構架的焊接[1]。這種焊接方式具有節省焊接原料、焊接強度較高、焊接過程方便等優勢，但卻對焊接接頭的性能要求非常高。在焊接過程中，焊接接頭中會存在很高的焊接應力，這種焊接應力會在很大程度上降低接頭的韌性與可塑性，而運用焊后退火工藝，則能夠有效的消除接頭中存在的焊接應力，達到提升接頭性能的目的，因此，需要進一步研究該工藝對焊接接頭組織與性能的影響，從而提升接頭在使用過程中的質量。

二、實驗方法

本文通過實驗方法，主要研究的是時速在300—350千米高速列車轉向架中的焊接接頭，重點研究在運用焊后退火工藝以后，焊接接頭的彎曲性與沖擊性變化。實驗主要運用低合金控軋鋼板，通過富氬基二氧化碳這種焊接工藝來完成對高速列車轉向架的焊接，選用的鋼板長約500毫米、寬150毫米、厚12毫米，運用NiCul—IG焊絲進行焊接。

焊接接頭的形式為上寬下窄，通過四道次完成焊接，四個焊道所運用的焊絲直徑相等，都為1毫米；焊接過程中所運用的焊接電流，一焊道運用118安、二焊道與三焊道都運用的是248安、四焊道運用220安；焊接所運用的電弧電壓，一焊道運用18伏、二焊道與三焊道都運用的是28伏、四焊道運用27伏；焊接過程中的速度各不相等，一焊道3.20mm？s-1、二焊道5.33mm？s-1、三焊道5.41mm？s-1、四焊道3.85mm？s-1；保護氣體主要由82%的氬與18%的二氧化碳組成；氣體流量控制在15L？min-1。在完成焊接工作之后，需要對一部分試板做退火處理，處理時間為3個小時，整個過程需要將試板溫度保持在590℃，從而達到消除焊接接頭中應力的目的[2]。

實驗需要從焊接狀態下的接頭與退火狀態下的接頭中分別提取實驗樣品，對兩者的焊縫進行分析，重點放在金屬微觀組織的觀察上，依照相關標準，需要對接頭熱影響區域以及焊縫金屬缺口進行實驗與研究，并測試焊接接頭的彎曲性能，包括橫向正面與背面。對于V形缺口來說，在進行沖擊測試過程中的溫度可以設定為四個等級，包括0℃、-20℃、-40℃、-60℃等；在進行接頭背面三點彎曲測試的過程中，壓頭的直徑需要控制在40毫米，承輥與承輥距離需要控制在70毫米。

三、實驗結果與相關分析

（一）金屬微觀組織

由于實驗所運用的焊接方法為多道焊接，因此，焊接時不可避免的會受到焊接熱源的影響，后面的焊道在焊接過程中，對于前面的焊道會產生一定程度的熱處理作用，在這種作用的影響下，前面焊道中焊縫的組織也會產生一些變化。所以，在進行多道焊的過程中，焊縫中的金屬組織存在柱晶區與層間金屬區，其中，前者指的是經過高溫冷卻之后，發生γ向α轉變的區域；后者指的是受到后面焊道焊接過程熱處理影響的區域，且這兩個區域會呈現出交替堆砌的特點[3]。

柱晶區主要包含魏氏組織、塊狀先共析、針狀等鐵素體，還有粒狀貝氏體；層間金屬區因為會受到層間正火的影響，其中已經不存在柱晶形態，其所表現出來的形式為珠光體與等軸晶粒鐵素體向混合的狀態。在保持590℃3個小時之后，因為退火過程中的溫度相對較低，因此，兩個區域中的金相組織并沒有呈現出非常明顯的變化。

（二）接頭沖擊性能

根據測試結果顯示，如果沖擊溫度逐漸降低，那么無論是接頭熱影響區，還是焊縫金屬沖擊性能，都會呈現出比較明顯的降低趨勢；在進行退火處理之后，因為接頭中的焊接應力被消除，因此兩者都有明顯升高。

根據實驗可知，處于焊接狀態下金屬的沖擊斷口，與退火狀態相比，結晶區較大，纖維區較小。根據對實驗結果的觀察，纖維區絕大多數呈現出韌性斷裂狀態，在斷口處出現很多韌窩，因此，這部分區域具有相對較高的韌性與可塑性；而結晶區絕大多數呈現出脆性斷裂，在斷口處出現很多解理面，因此，這部分區域的韌性與可塑性都相對較差[4]。在完成退火工藝之后，斷口處的纖維區增大，結晶區減少，這說明金屬材料的韌性得到提升。

由此可見，運用焊后退火工藝對轉向架焊接接頭進行處理，可以在很大程度上使接頭沖擊韌性得到有效提升。

（三）接頭彎曲性能

實驗主要測試了焊接狀態下與退火狀態下焊接接頭的橫向正面與背面兩種彎曲狀態。從實驗結果來看，兩種彎曲之后，焊接接頭都不同程度的出現裂紋，在焊接狀態下，正面彎曲的接頭，裂紋主要出現在焊縫內部，裂紋長度為3毫米左右；背面彎曲的接頭，裂紋主要出現在熔合線部位，裂紋長度為0.5毫米左右。在進行退火處理以后，無論正面彎曲與背面彎曲，接頭都沒有出現裂紋。

由此可見，在轉向架焊接接頭中運用焊后退火工藝進行處理，能夠在很大程度上使接頭的彎曲性能得到有效提升。

結論

綜上所述，焊后退火工藝是當前焊接高速列車轉向架構架過程中的一個主要工藝，以其多方面的應用優勢，在我國相關領域運用得越來越普遍。本文通過實驗的方式，對時速在300—350千米高速列車轉向架的焊接接頭組織與性能進行了研究，得出運用焊后退火工藝，不僅不會影響到焊縫的金屬微觀組織，還能夠在很大程度上提升構架焊接接頭的沖擊韌性與彎曲性能，值得在相關領域中進行推廣，具有很大的應用前景。

參考文獻

[1] 魏世同，陸善平，李依依等.熱處理工藝對含Nb焊縫金屬組織與力學性能的影響[J].金屬學報，2009，09：1063-1069.

[2] 張勵忠，魏丹，杜志光等.焊后退火工藝對S355J2W鋼焊接接頭力學性能的影響[J].北京交通大學學報，2014，06：69-72+77.

[3] 何柏林，魏康.轉向架用SMA490BW鋼對接接頭應力集中系數有限元分析[J].表面技術，2015，10：74-78.

[4] 吳向陽，張志毅，劉擁軍等.高速列車轉向架SMA490BW耐候鋼焊接接頭低溫性能研究[J].熱加工工藝，2015，19：29—31+35.