CW200K轉向架構架焊接殘余應力無損測量

盧峰華，范　瑋，馬傳平

CW200K轉向架構架焊接殘余應力無損測量

盧峰華1，范瑋1，馬傳平2

（1.唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035；2.西南交通大學材料學院，四川成都610031）

轉向架構架在焊接過程中不可避免地會產生焊接殘余應力，焊接殘余應力的存在對構架的疲勞強度和疲勞壽命均有很大的影響，測定和掌握構架不同狀態下殘余應力的大小和分布規律十分必要。利用X射線衍射法測試CW200K轉向架構架熱處理前后的殘余應力。結果表明，構架焊縫區存在高值殘余拉伸應力；構架退火可以使縱向殘余應力的峰值得到削弱，分布得到均化。在保溫時間相同的條件下，提高退火溫度有利于提高構架焊接殘余應力的平均消除率。

轉向架構架；X射線衍射法；焊接殘余應力；熱處理

0　前言

轉向架是機車車輛的主要部件之一，對行車安全起著至關重要的作用，而構架又是轉向架的重要承載和傳力構件[1]。目前，絕大部分轉向架構架均采用焊接形式，焊接是轉向架的基本連接形式[2]。由于焊接過程是一個局部不均勻的加熱過程，不均勻溫度場會導致受約束的熱變形和塑性變形，不可避免的產生殘余應力[3-4]。殘余應力不僅要影響構架外觀尺寸精度和尺寸穩定性，還會降低焊接構架的疲勞強度，對構架的疲勞強度和疲勞壽命均有很大的影響[5]。針對構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、便捷和數據穩定等特性成為研究構架整體淺表層殘余應力分布的最佳選擇。X射線衍射殘余應力檢測方法可以在較短時間內獲得構架在多種狀態下的殘余應力的分布情況，為優化構架不同處理工藝提供了測試技術的支持。本研究利用X射線衍射法對CW200K轉向架構架熱處理前后的殘余應力進行測試，獲得兩種狀態下殘余應力的大小和分布規律以及熱處理溫度對殘余應力消除的影響。

1　試驗方法

1.1試驗材料

CW200K轉向架所用材料為Q345E低合金高強鋼，國標GB/T 1591-2008規定其基本化學成分見表1，基本力學性能見表2。

表1　Q345E低合金高強鋼化學成分％

表2　Q345E低合金高強鋼基本力學性能

殘余應力測試采用加拿大Proto公司生產的iXRD便攜式殘余應力儀，選用Cr靶。Cr靶測試參數為CrKα，Fe（211）晶面，2θ=156.40°，Fe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15次。測試前先對焊縫測點進行表面平整及砂紙打磨，以去除氧化皮和結構表面銹層，由粗而細均勻打磨，滿足表面粗糙度低于10 μm[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。

1.2試驗內容

測試對象為CWK200型轉向架構架，主要由橫梁和側梁兩大部分焊接而成，焊接后進行熱處理。側梁與橫梁連接處、橫梁與制動吊座連接處、制動吊座和牽引拉桿座等的根部疲勞應力較大[3]，所以選取這些部位布置測點。具體布點位置如圖1所示，其中制動吊座與橫梁連接焊縫12個測點（1～6號、16～21號測點），牽引拉桿與橫梁連接焊縫3個測點（10～12號測點），小縱向梁與橫梁連接焊縫12個測點（7～9號、13～15號、22～27號測點），側梁與橫梁連接焊縫4個測點（28～31號測點）。

圖1　構架殘余應力測點布置

1.3焊后熱處理

對于低合金鋼，焊后熱處理用于消除應力、顯微組織回復或再結晶的溫度為450℃～650℃，保溫時間1～3 h。為了研究轉向架焊后熱處理后的應力松弛效果，選定兩種加熱溫度（600℃和630℃），保溫時間均為1.5 h，選取兩個焊接結構相同的構架（編號為1＃和2＃，其中1＃構架加熱溫度630℃，2＃構架加熱溫度600℃）進行試驗。

2　試驗結果及分析

2.1熱處理前殘余應力

1＃和2＃構架熱處理前的焊接殘余應力如圖2所示。其中σx表示平行于焊縫方向的應力，縱向應力一般大于橫向應力[3-5]，且受設備尺寸和構架結構限制，很多部位的橫向應力無法測試到，所以只對縱向應力進行研究。由圖2可知，熱處理前構架所測殘余應力基本上為拉應力，有少量的壓應力存在，分布不均勻。1＃構架和2＃構架相同測點殘余應力值并不相等或相近，這是因為雖然兩個構架的生產制造工序、工藝相同，但不可能保證絕對的一致，例如不可能保證每一道焊縫的線能量完全一致，所以存在個體的差異性，使得不同構架相同部位的殘余應力值有所差別。

1＃構架和2＃構架均存在高值殘余拉伸應力。1＃構架中小縱向梁與橫梁連接焊縫處的15號測點殘余應力值最大，為493.57 MPa。其次為制動吊座與橫梁連接焊縫處的3號測點，殘余應力值401.04MPa，都超過材料的名義屈服極限。2＃構架中側梁與橫梁連接焊縫處的28號測點殘余應力值最大，為451.74 MPa。其次為小縱向梁與橫梁連接焊縫處的23號測點，應力值378.97 MPa，也都超過材料名義屈服極限。焊接殘余應力峰值的大小與材料本身屈服強度的大小相關，一般低合金鋼殘余應力峰值可達到σs。前面與所測數據比較的是名義屈服極限或抗拉強度，它們是鋼材合格出廠的最基本要求，也是最低要求，而實際所使用的鋼材的屈服極限和抗拉強度要比名義屈服極限和抗拉強度大，相應的焊后殘余應力也大。其次X射線衍射法的基本原理是基于彈性變形理論，當材料表面發生較大塑性變形時，所測得結果會有所偏大。

圖2　1#和2#構架熱處理前殘余應力比較

2.2熱處理后殘余應力

1#和2#構架熱處理前后所測殘余應力結果如圖3～圖5所示。由圖3和圖4可知，經過一定溫度熱處理后，殘余應力值得到了有效的降低，起到了明顯的“削峰”作用，1#構架熱處理后殘余拉應力峰值降為117.56 MPa，2#構架降為154.03 MPa，遠小于材料名義屈服極限，同時熱處理還能使殘余應力重新分布，整體應力分布更趨于均勻化。由圖6可知，1#和2#構架熱處理后殘余應力的整體分布區間基本一致，分布在-200～150 MPa之間，說明兩個構架的應力消除效果基本一致，但1#構架應力分布要更為均勻。不同熱處理溫度條件下對構架縱向殘余應力消除率的影響比較如表3所示。

由表3可知，在保溫時間相同的情況下，提高退火溫度有利于提高構架焊接殘余應力平均消除率，630℃退火溫度條件下的殘余應力平均消除率比600℃退火溫度條件下提高26.5％。在焊后熱處理過程中起主導作用的兩個因素是加熱溫度和保溫時間。為了保證這兩個因素重疊作用的程度，引入拉松-米勒參數（又稱回火參數），其表達式為

圖3　1#構架熱處理前后殘余應力

圖4　2#構架熱處理前后殘余應力

圖5　1#和2#構架熱處理后殘余應力比較

表3　兩種退火工藝條件下縱向殘余應力σx的消除率

式中T為加熱的絕對溫度（單位：K）；t為保溫時間（單位：h）；C為常數，C≈20。

由式（1）可知，溫度比時間起的作用大得多[7]。焊接殘余應力的一個重要特點是靠自身平衡，即材料內部的焊接殘余拉應力與材料本身屈服強度存在著一個平衡，其焊接殘余拉應力的最大值接近于材料本身的屈服強度。在退火處理過程中，高溫階段溫度的升高使材料屈服強度急劇下降，屈服強度的降低導致與殘余拉應力的平衡被打破，此時材料內部的焊接殘余應力隨之下降，下降程度取決于屈服強度的變化，理論上是加熱溫度越高，殘余應力降低得越多，且在高溫下殘余應力下降速度較快，蠕變在高溫時也起作用，但由于時間較短其作用較小[8]。

3　結論

（1）X射線衍射法可應用于現場轉向架構架焊接殘余應力測試。

（2）構架熱處理前所測殘余應力基本上為拉應力，有少量的壓應力存在，分布不均勻，這與不同構架焊接工藝參數不能保證絕對一致有關。

（3）構架熱處理前存在高值殘余拉伸應力，且應力值超過材料的名義屈服極限。焊態構架出現高值殘余拉伸應力的部位主要為小縱向梁與橫梁連接焊縫處、電機吊座與橫梁連接焊縫處及側梁與橫梁連接焊縫處。

（4）構架退火后可以削弱殘余應力的峰值，縱向應力的分布得到均化。在保溫時間相同的條件下，提高退火溫度有利于提高構架焊接殘余應力的平均消除率。

[1]黃小葉.焊接構架側梁殘余應力數值模擬分析[D].成都：西南交通大學，2008.

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

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Research on nondestructive measurement of welding residual stress for CW200K bogie frame

LU Fenghua1，FAN Wei1，MA Chuanping2
（1.Tangshan Railway Vehicles Co.，Ltd.，Tangshan 063035，China；2.School of Material Science and Engineering，Southwest JiaotongUniversity，Chengdu 610031，China）

The bogie frame is inevitable to produce the welding residual stress in welding manufacture process，which affected seriously fatigue life and fatigue strength.It is necessary to measure and grasp the distribution of the residual stress for bogie frame of different treatment conditions.In this paper，the residual stress of CW200K bogie frame is measured by X-ray diffraction method before and after heat treatment.The results show that high residual tensile stress exists on the bogie frame weld zone.The peak longitudinal residual stress of the bogie frame can get weakened and distribution are homogenized after annealing.At the same insulation time，increasing annealing temperature is conducive to improving welding residual stress average elimination rate of the bogie frame.

bogie frame；X-ray diffraction method；welding residual stress；heat treatment

TG404

A

1001－2303（2016）01－0036-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.08

2015-06-05；

2015-08-19

盧峰華（1977—），女，高級工程師，主要從事轉向架生產制造技術工藝管理和研發工作。