鐵道客車轉向架構架焊接工藝與焊接試驗

鄭杰

摘 要：傳統的鐵道客車走行部的構架各部件之間通過焊接的方式固定在一起，焊接方式及其質量都將影響著列車的安全性。本文選取4種材料，通過使用不同的焊接方法和焊絲進行試驗，構架完成后再進行檢測試驗。

關鍵詞：轉向架構架；結構特點；焊接工藝；焊接試驗

1 我國轉向架構架材質及其焊接特點

我國傳統的主型轉向架的材質為A3鋼即Q235-C普通碳素結構鋼，但是其抗拉強度低，不能減輕構架自重以及疲勞強度低，這些缺點都導致它不能適應客車高速運行的要求。隨著客車的高速化成為了主流研究方向，轉向架材料得到了飛速的發展。

16MnR是壓力容器用鋼，PW-200型客車轉向架的橫梁、構架等關鍵部位材質為16MnR鋼，南京浦鎮車輛廠和長春客車廠均生產該型轉向架。

隨著氫的聚集傾向提高，16MnR鋼焊接接頭的顯微硬度也顯著增大。在不同的硬度下接頭都具有不同的開裂性能。焊接熱輸入的不同將導致開裂能力的變化。所以在焊接過程中我們要控制焊接線能量并進行焊后熱處理。

2 結構特點與焊接工藝分析

本文以準高速客車209HS型轉向架為例介紹其結構特點及其焊接工藝分析。

209HS型轉向架構架仍以傳統的H形構架，采用箱體焊接結構，材質為16MnR低合金鋼。構架由兩根側梁和兩根橫梁組焊而成。

焊接工藝性分析：

（1）要保持焊接接頭的整體性，盡量避免焊縫中任何缺陷所產生的應力集中牽連到結構車體。

（2）絕大多數焊接方法都采用局部加熱，故不可避免地產生內應力和變形，所以在焊接轉向架的工作之前應該充分考慮焊接應力和變形。

（3）焊接結構的應力變化范圍大，焊縫不僅連接元件，而且在外力作用下它與基本金屬一起變形，所以合理的工藝設計可以控制焊接結構的應力集中，以提高其強度和壽命。

3 轉向架構架技術要求

以209HS型轉向架為例進行分析。

（1）轉向架構架組經焊接后，兩側梁縱向和橫向的彎曲長度的允許誤差為3mm，橫梁的四角高度的誤差不得大于4mm。

（2）構架組焊后可采用低溫退火等方式消除焊接應力，退火后須進行噴丸處理。

（3）各加強板末端按角焊縫施焊，為使其與有關部件圓滑過渡，應在焊后進行修磨。

（4）構架組的側梁下蓋板為收拉面，應嚴格檢查焊接效果，不得有引弧和焊點凹坑、缺肉、劃傷等缺陷。

（5）壓型側梁、橫梁處不得有裂紋存在。當進行焊接效果檢查時發現有裂紋，則須將裂紋鏟除干凈，并開坡口進行焊補，最后將裂紋補焊處磨平。

（6）構架組焊完工后作整體退火處理。

4 轉向架構架焊接工藝的確定

4.1 氣體保護焊及實芯焊絲的應用

近年來氣體保護焊技術在各大重型機械廠、機車車輛廠取得廣泛使用，該工藝極大地提高了我國的機械制造水平和生產效率。

當材質的抗拉強度較低時，一般采用Mn-Si型等實芯焊絲進行焊接作業。而當焊接強度較高的合金材料時，則需要選用MnR、Mo等強度更高的焊絲。

4.2 焊絲的選用原則

（1）焊絲的物理力學性能應與所焊接的母材相匹配。

（2）選用焊絲時應考慮熔合比和冷卻速度的影響。由于熔合比或冷卻速度不同，即使采用相同的焊接材料進行焊接，所得焊縫的性能也會有較大區別。因此，應根據板厚和坡口形式選擇合適的焊絲成分。薄板焊接時熔合比較大，應選用強度較低的焊絲，而厚板、深坡口則相反。

（3）考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響。部分焊縫在焊后需進行正火處理，為確保焊接效果，應選擇強度較高的焊接材料。

4.3 混合氣體保護焊與保護氣體的選擇

混合氣體保護焊具有焊接效率高、焊縫質量好等優點，已在各大機械廠、機車車輛廠獲得了廣泛應用。綜合考慮CO2焊與氬弧焊的優缺點，最終采用Ar和CO2混合氣體保護，以充分發揮CO2焊與氬弧焊各自優點，既能減輕CO2氧化性，又能使電弧燃燒更穩定，減小飛濺，同時亦降低了使用成本。

5 焊接試驗

本試驗分別采用如下4種轉向架材質：16MnR、S355、S275、16MnR+Q235B鑄鋼。焊接工藝試驗采用JM-56實芯焊絲，焊絲直徑為1.2mm。保護氣體采用80%Ar+20%CO2混合氣體。

5.1 工藝試驗

焊接工藝試驗采用混合氣體保護焊，在Ar和CO2這兩種混合氣體的保護下，采用多層多道焊接的工藝方法，分別對16MnR、S355、S275、16MnR+Q235B鑄鋼進行焊接工藝試驗。

焊接工藝的主要參數有：材料、板厚、坡口角度、氣體流量、焊接電流、焊道層次、焊接電壓、焊接速度等。

為分析焊接接頭的性能，常采用接頭金相組織分析、硬度和旋轉彎曲疲勞等試驗。十字接頭試件用于拉伸試驗，一般分為開坡口和不開坡口兩種。

5.2 顯微組織與斷口分析

首先用水砂紙粗磨已切割好的金相試樣，然后將試樣在拋光機上進行機械拋光，再將試樣放置在4%含量的硝酸酒精溶液浸蝕，最后使用光學顯微鏡分別觀察不同材料焊接接頭的組織形態。

5.3 拉伸試驗

在液壓式萬能試驗機上分別對幾種材料的十字接頭進行了拉伸試驗。拉伸試驗試件分為開45°坡口和不開坡口兩種。

5.4 低速沖擊試驗

采用V型缺口分別在焊縫、熱影響區和母材上進行低速沖擊試驗，試驗溫度為-20℃到-40℃。

5.5 顯微鏡試驗

分別對4種材料的對接接頭和十字接頭焊縫、熱影響區和母材的硬度分布狀態進行測試。

6 結論

不同的焊接方法將對轉向架的穩定性產生影響，焊接接頭的處理對構架的穩定性起著至關重要的作用。通過焊接試驗，可分析不同的焊接方法和焊絲對轉向架構架焊接性能的影響。

參考文獻

[1]劉巖.車輛修造工藝與裝備[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]岳存良.209型轉向架焊接構架焊接工藝[J].鐵道車輛，1993，（3）；8-9.

（作者單位：西南交通大學機械工程學院）