超聲沖擊技術消除轉向架構架焊接殘余應力試驗方案分析

應之丁　高立群　范慶鋒

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

超聲沖擊技術消除轉向架構架焊接殘余應力試驗方案分析

應之丁1高立群1范慶鋒2

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.中國中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，副教授）

摘 要為消除轉向架構架焊接接頭殘余應力，嘗試應用超聲沖擊法消除焊接接頭殘余應力。給出了采用超聲沖擊測試轉向架構架焊接接頭殘余應力試驗方案，測試超聲沖擊前后工藝條件下，焊接接頭殘余應力的變化特征和規律。對超聲沖擊前后焊接接頭的微觀組織和常規力學性能進行了檢查測試。結果表明，超聲沖擊后焊縫區強度有所提高。

關鍵詞轉向架構架；焊接接頭；殘余應力；超聲沖擊

First-author＇s address Institute of Rail Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China

轉向架構架焊接殘余應力直接影響焊接結構的承載能力和服役壽命［1］。傳統消除轉向架焊接殘余應力的方法包括錘擊法、火焰矯正法等。近年來，超聲沖擊處理技術發展飛速。其核心技術是：將超聲波換能器的諧振轉換為超聲頻沖擊脈沖，對焊縫表面進行振動沖擊和能量輸入，使焊縫與母材的過渡區實現平滑過渡，從而改善焊件的應力集中狀況［2-4］；新調整焊接殘余應力場，把應力集中處的拉應力轉變為壓應力，以此來提高金屬表面層的強度和接頭的疲勞強度。但是，由于焊縫部位的表面狀態有一定的隨機性，超聲沖擊的能量輸出不穩定，導致產品批量加工中會出現一些問題。焊接過程中的質量是否穩定跟機器的配置有很大的關系［5］。

本文對SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭進行超聲沖擊處理，并對超聲沖擊處理前后以及不同沖擊工藝對耐候鋼焊接接頭殘余應力消除情況進行研究。

1　轉向架構架焊接試驗

1.1轉向架構架焊接材料

試驗轉向架構架是用材料為SMA 490 BW的耐候鋼焊接而成的，采用Φ1.2 mm CHW-550 CNH焊絲。SMA 490 BW耐候鋼應滿足的力學性能參數見表1。

表1　JISG 3114―2004中焊接結構用耐大氣腐蝕熱軋鋼材的力學性能

1.2轉向架構架試樣制備

選取尺寸為600 mm×200 mm×8 mm的SMA 490 BW耐候鋼板材，長邊開Y型坡口，角度為單邊30°、鈍邊1 mm。焊接前使用專用打磨工具清除坡口附近的金屬氧化物等污染物，并用丙酮擦拭坡口附近區域。

采用MAG（80﹪Ar＋20﹪CO2混合氣體保護焊）焊接方法、雙層焊。經反復調試后，獲得最佳焊接工藝參數，如表2所示。

表2　焊接工藝參數

1.3 轉向架構架試驗方案

為保證被測試部位的焊接殘余應力分布大體一致，在焊接試件的中心部位上選擇5個相鄰區域（編號依次為A、B、C、D、E）進行試驗（見圖1）。每個區域分別測試14點，測試布點圖如圖2所示。圖中，焊縫寬14 mm，焊縫上各測試點間隔距離為2 mm。其中，點5、6、7、8、9、10位于焊縫區域；點4、11位于焊趾上；點3、12位于熱影響區；點1、2、13、14位于母材上。

圖1　試件超聲沖擊測試布點區域

圖2　殘余應力測試點示意圖

以焊機試件焊縫平面的縱向殘余應力σx為研究對象，測試各區域超聲沖擊處理前（焊接后）、處理后的應力變化。超聲沖擊試驗前測試各區域的σx，然后分別對A、B、C、D、E 5個區域施以不同的激勵電流進行超聲波沖擊。其激勵電流分別為：A區1. 4 A，B區1.6 A，C區1.8 A，D區2.0 A，E區2.2 A。沖擊速度為400 mm∕min左右。沖擊完成后，再次對5個區域的σx進行測試并記錄。

2　轉向架構架超聲沖擊試驗效果評價

圖3　A區超聲沖擊處理前后殘余應力對比

圖4　B區超聲沖擊處理前后殘余應力對比

圖5　C區超聲沖擊處理前后殘余應力對比

圖6　D區超聲沖擊處理前后殘余應力對比

2.1超聲沖擊試驗數據測試與分析

A、B、C、D、E 5個區域超聲沖擊處理前后殘余應力對比如圖3～7所示（d為測試點距焊縫中心的距離）。可見，超聲沖擊處理前，焊接接頭焊縫、熱影響區和母材的縱向殘余應力為較大的拉應力，且應力起伏較大、分布不均。超聲沖擊處理后，不同大小的激勵電流對焊接接頭殘余應力消除效果有較大差異。其中，當激勵電流為2.0 A（D區）時，經過超聲沖擊處理后，接頭各區域應力都轉變為壓應力，且應力起伏較小，分布均勻，對殘余應力的消除效果最佳。

圖7　E區超聲沖擊處理前后殘余應力對比

2.2SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭微觀組織分析

采用GX 10型光學顯微鏡對焊接接頭進行組織形貌觀察。超聲沖擊處理前后，焊接接頭焊縫區的組織形貌如圖8所示。

圖8　超聲沖擊處理前后焊縫區組織形貌

由圖8a）可知，超聲波處理前的焊縫區微觀組織為柱狀鑄態組織，白色的片狀先共析鐵素體沿柱狀晶界分布，晶內為針狀鐵素體，有少量黑色的珠光體，還有少量的粒狀貝氏體。由圖8b）可知，超聲沖擊處理后，焊縫區微觀組織在成分上沒有太大變化，包括鐵素體和珠光體等成分，但在形貌上有較大的差異，表現在超聲沖擊后晶粒變得比沖擊前更加細長，尤其是白色的鐵素體最為明顯。這種形變織構的擇優取向對提高焊接接頭的表面強度有較大的作用。

由于焊接過程使得試件形成局部的非均勻的溫度場，導致焊件的組織、性能及應力都出現不均勻性。超聲沖擊對焊接件的高頻能量輸入，對焊接件表面產生了高頻的機械強化作用，使其發生較大的塑性變形；同時對焊接件內部的晶粒產生高頻振動作用，使其微觀晶格發生畸變，而超聲沖擊持續的高頻振動輸入致使晶格進一步發生位錯增值、晶界遷移等變化，最終使晶粒變得細化和均勻。

2.3SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭硬度分析

用HV-10 B型維氏硬度計對焊接接頭進行硬度測量。測試點布置如圖9所示，線a距離焊接接頭母材表面1 mm，從焊縫中心線向母材方向每0.5 mm測試一個點的硬度。SMA 490 BW耐候鋼焊接接頭同一深度不同區域硬度分布如圖10所示。

圖9　硬度測試點布置示意圖

圖10　板厚方向同一深度不同區域硬度分布

由圖10知：超聲沖擊前焊縫區硬度高于熱影響區，焊縫區平均維氏硬度為211，整體趨勢為硬度下降；超聲沖擊后焊縫區、熱影響區硬度均有提高，但整體趨勢仍然表現為硬度下降，焊縫區平均維氏硬度為220，且焊接接頭整體硬度較沖擊前均勻。

3　結語

（1）不同激勵電流下超聲沖擊對焊接接頭殘余應力的消除效果差異較大，綜合表面形態和殘余應力消除效果等因素，當激勵電流為2.0 A時，殘余應力消除效果最佳。

（2）超聲沖擊對焊接件的高頻能量輸入，對焊接件表面產生了高頻的機械強化作用，使其發生較大的塑性變形；同時對焊接件內部的晶粒產生高頻振動作用，使其微觀晶格發生畸變，而超聲沖擊持續的高頻振動輸入致使晶格進一步發生位錯增值、晶界遷移等變化，最終使晶粒變得細化和均勻。

（3）對于焊接接頭同一深度不同區域，其硬度分布為焊縫區硬度最高，熱影響區其次，整體趨勢為硬度下降。經超聲沖擊處理后，焊接接頭整體硬度較沖擊處理前有所提高，且硬度分布較沖擊前均勻。

參考文獻

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［5］ KANDIL F A，LORD J D，FRYETE A T.A review of stress measurement methods-A Guide to Technique Selection［R］. Teddington：National Physical Laboratory，2001.

Experiment Elimination Plan of Residual Stress on Bogie Frame Wlding Joint with Ultrasonic Impact Technology

Ying Zhiding，Gao Liqun，Fan Qingfeng

AbstractTo eliminate the residual stress on bogie frame welding joints，ultrasonic impact technology is attempted. An experiment plan is proposed to test the residual stresses of welded joints before and after UIT，the variation characteristics and laws of the residual stresses.The microstructure and conventional mechanical properties of welded joints are examined by using UIT，which shows that the strength of welded joints is improved to some extent.

Key wordsbogie frame；welding joint；residual stress；ultrasonic impact technology（UIT）

中圖分類號U 270.331

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.010

收稿日期：（2015-01-19）