焊接轉向架典型焊接結構疲勞性能與焊接工藝研究

李鑫

摘 要：隨著交通運輸產業的興起，鐵路運輸行業的地位與作用與日突出，轉向架作為鐵道車輛行走的核心部件之一，不僅承擔著車輛行駛的重量級軌道的振動荷載，而且關系到列車行駛的穩定性與安全性。面對此，做好轉向架焊接與安裝施工十分重要，本文從影響焊接轉向架結構疲勞性的相關因素入手，著重分析了其焊接工藝。

關鍵詞：鐵道；轉向架；焊接；疲勞性

二十世紀，我國鐵路運輸領域因為焊接轉向架接頭在承受強烈振動和重力荷載雙重作用下發生疲勞斷裂的問題不在少數，給企業和社會帶來巨大的經濟損失。轉向架作為鐵道交通中的重要組成部分，一直以來都是采用鑄鋼構件焊接而成，但隨著鐵路運輸事業的迅速發展和高鐵時期的到來，傳統的鑄鋼轉向架已經無法滿足社會發展需要，高速、輕型化的轉向架已成為未來發展的主要方向。面對這種社會發展趨勢，做好轉向架焊接疲勞性分析及焊接工藝就顯得格外重要。

1 轉向架焊接疲勞性能分析

近些年來，隨著高鐵事業的發展，轉向架逐漸由原來的鑄鋼構件、搖枕組合轉變為取消搖枕，采用空氣彈簧結構，這種轉向架一定程度上滿足了列車行駛舒適度和行駛速度要求，但也為焊接工藝提出了新的挑戰。在新的轉向架焊接中，由于采用了焊接性能良好、質地薄的材料，如何控制焊接疲勞特性就顯得尤為重要。

1.1 焊接結構疲勞問題產生的原因

焊接結構疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；② 早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③ 工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④ 焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大； ⑤ 焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。

1.2 影響焊接結構疲勞強度的主要因素

疲勞事故的頻繁發生在一定程度上制約了焊接結構的進一步廣泛應用，使一些場合不得不放棄使用焊接結構，甚至懷疑焊接結構能否適用于承受動載的工程實際，故而焊接結構的抗疲勞問題引起國內外有關專家和工程技術人員，尤其是國際焊接學會疲勞專業委員會的普遍關注。在大量疲勞試驗與工程實踐的基礎上，焊接結構抗疲勞設計規范不斷出臺，如英國橋梁疲勞設計規范BS5400、歐洲鋼結構協會的疲勞設計規范、日本的鋼橋設計規范、美國鐵路橋梁以及高速公路設計規范、國際焊接學會的循環加載焊接鋼結構的疲勞設計規范IIW.DOC-639-8l以及我國的鋼結構設計規范GB-17-88。就目前的工作而言，造成轉向架焊接疲勞問題的主要因素包含有：靜載強度、接頭類型、焊縫形狀、焊接缺陷等因素。由于文章字數限制，這里我們就不一一闡述了。

2 轉向架焊接疲勞問題的改善工藝

一般來說，在轉向架焊接的過程中，焊接接頭產生焊接疲勞最為嚴重，通常都是在焊根和焊趾兩個位置發生，一旦焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強度，① 減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應力集中系數；③調節焊接殘余應力場，產生殘余壓縮應力場。

2.1 改善焊趾幾何形狀降低應力集中的方法

2.1.1 TIG熔修

國內外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強度提高。

熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5～1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因為這勢必影響重熔焊道的質量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國際焊接學會組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統一由英國焊接研究所制備的試樣進行了-些改善接頭疲勞強度方法有效性的統一性研究，證實經該方法處理后該接頭的2×106循環下的標稱疲勞強度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強度標稱值換算成相應的特征值（K指標）為144MPa。它己高出國際焊學會的接頭細節疲勞強度中的最高的FAT值。

2.1.2 機械加工

若對焊縫表面進行機械加工，應力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應提高，當焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應力集中要比焊縫表面的應力集中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。

2.2 調整殘余應力場產生壓縮應力的方法

2.2.1 預過載法

假如在含有應力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發生拉伸塑性變形處將產生壓縮應力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點的拉伸應力產生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗中，其應力范圍將與原始未施加預過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強度。研究結果表明，大型焊接結構（如橋梁、壓力容器等）投入運行前需進行一定的預過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。

2.2 擠壓法

局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應力提高接頭疲勞強度。但是其作用點是不同的，擠壓位置應位于需要產生殘余壓縮應力的位置。高強鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。

結束語

總之，焊接轉向架的焊接構架作為鐵道運輸的關鍵部件，其不僅承擔著鐵道車輛的重量以及震動帶來的荷載，還影響列車行駛安全。因此，在焊接的過程中，我們要采用科學、嚴謹的焊接工藝，改善焊接接頭處的疲勞強度，提高焊接轉向架運行的可靠性以及使用壽命，為我國鐵路事業的發展提供有力的設備基礎。

參考文獻

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