轉向架用S355J2W鋼MAG焊接接頭殘余應力研究

果 偉，張志毅，邱培現(xiàn)，馬傳平

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都 611031）

0 前言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，如何保障高速列車的安全可靠運行是目前關注的焦點之一。轉向架作為機車車輛的主要部件之一，起著支撐車體、轉向和制動的關鍵作用，直接關系到高速列車的行車安全[1]。目前高速列車轉向架多采用焊接構架，焊接方法多為熔化極活性氣體保護焊（MAG焊），由于轉向架構架結構比較復雜，焊縫數(shù)量較多，且分布密集，所以焊后構架會產(chǎn)生較大的殘余應力。S355J2W鋼是歐標耐候鋼，是一種低合金高強鋼，具有較高的強度、韌性、塑性和抗疲勞性等良好的綜合力學性能及抗腐蝕性能[2]，廣泛應用于軌道車輛的轉向架生產(chǎn)中[3]。目前國內外S355J2W鋼焊接接頭的研究主要集中在其微觀組織和力學性能[2-5]以及腐蝕性能[2]上，對其殘余應力的研究較少。而構架中焊接殘余應力的存在會影響焊接構架的疲勞壽命和服役安全可靠性[6]。因此，需了解和掌握S355J2W鋼MAG焊接頭的殘余應力大小和分布規(guī)律，為S355J2W鋼制造的轉向架構架的殘余應力評估積累基礎數(shù)據(jù)。

本研究利用X射線衍射法（簡稱X射線法）和超聲臨界折射縱波法（簡稱超聲波法）測量S355J2W鋼MAG焊對接接頭殘余應力，獲得并比較兩種測量方法下焊接接頭的殘余應力分布規(guī)律和大小。

1 試驗材料及測試方法

1.1 試驗材料及焊接工藝

試驗所用材料為S355J2W鋼板，尺寸300 mm×150 mm×12 mm，化學成分見表1，S355J2W鋼的力學性能指標為：屈服強度ReL≥355 MPa，抗拉強度Rm為470～630 MPa，斷后伸長率A≥20%。選用JM-55Ⅱ焊絲，其成分見表1。使用KempArc Pulse450焊機，采用其脈沖MAG焊接功能，通過送絲速度自動匹配焊接電流和電壓。焊接采用V型坡口，單邊坡口角度為30°，鈍邊1 mm，焊接間隙2 mm。采用多層多道焊，打底焊層焊接電流為120～140 A，焊接電壓為25.2 V，焊接速度為44 cm/min；填充及蓋面焊接電流為250～280 A，焊接電壓為28.2 V，焊接速度為50 cm/min。保護氣為富氬混合活性氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量 20 L/min。

1.2 殘余應力測試方法

超聲波測量殘余應力的原理為[7]：根據(jù)聲彈性基本原理，超聲波在各向同性彈性介質中傳播時，波速的改變量與殘余應力變化量成線性關系。在發(fā)射傳感器和接收傳感器之間距離L固定的條件下，被測介質內的聲速變化可用聲時變化等效代替。因此，在材料特性確定、傳播距離L固定的條件下，殘余應力變化量Δσ與臨界折射縱波傳播聲時的變化量Δt呈線性關系，即Δσ=KΔt，其中K為材料的應力系數(shù)。只需知道K和Δt值，就能得到Δσ，從而測得殘余應力。超聲應力測試設備采用HT1000型的超聲波殘余應力檢測系統(tǒng)，發(fā)射和接收超聲波的換能器頻率5 MHz，所用耦合介質為醫(yī)用超聲耦合劑。

X射線衍射法的原理為[8]：多晶體在應力作用下原子間的距離發(fā)生變化，其變化量與應力成正比。采用X射線照射多晶體，射線被晶體的晶格衍射并產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，可由此求出晶格的面間距，并根據(jù)晶格面間距的變化以及與無應力狀態(tài)下進行比較即可確定殘余應力。X射線法所用測試設備為加拿大PROTO公司生產(chǎn)的iXRD殘余應力儀，測試參數(shù)為：同傾固定Ψ0法，CrKα輻射，管電壓20 kV，管電流 4 mA，衍射晶面為（211），衍射角為 156.40°，準直管直徑2 mm，多曝光模式，曝光時間2 s，曝光次數(shù)15次，β角7個。電解拋光設備為8818-V2型電解拋光機，腐蝕介質為飽和NaCl水溶液。

試板焊接完成后，將試板焊縫打磨至與母材平齊。在距離試板邊緣20 mm處的起弧區(qū)和收弧區(qū)各布置一條應力測試線，分別為L1和L3測試線；在焊接試板中線處布置一條應力測試線，為L2測試線。每條測試線均沿平行于焊縫長度方向的焊縫中心線對稱布置測點：分別為距焊縫中心0 mm、±5 mm、±10mm、±20mm、±30mm、±50mm、±75mm、±100mm，每條測試線共15個測點。采用超聲波法和X射線法先后測量試板3條測試線的殘余應力。

表1 S355J2W耐候鋼和焊絲主要化學成分%

2 測試結果及分析

起弧區(qū)、中心區(qū)和收弧區(qū)3條測試線所測得的殘余應力分布曲線如圖1所示。其中σx和σy分別為平行于焊縫長度方向的縱向應力和垂直于焊縫長度方向的橫向應力。由圖1可知，無論是起弧區(qū)、中心區(qū)還是收弧區(qū)，所測縱向σx和橫向應力σy沿著中心線兩側近似對稱分布，在焊縫及近縫熱影響區(qū)為數(shù)值較大的殘余拉應力，隨著距焊縫中心距離的增加，殘余應力值逐漸降低，至母材為殘余壓應力。在焊縫及近縫區(qū)殘余應力對應于同一測點，平行焊縫方向的縱向拉應力σx大于垂直焊縫方向的橫向拉應力σy；對應同一條測試線，縱向殘余應力的峰值大于橫向殘余應力峰值。此外，由圖1還可知，同一測試線，超聲法所測縱向和橫向殘余應力的峰值高于X射線法。起弧區(qū)超聲波法所測縱向應力和橫向應力峰值分別為270 MPa和214 MPa，而X射線法所測縱向應力和橫向應力峰值分別為255 MPa和184 MPa，均低于超聲波法。同樣，中心區(qū)和收弧區(qū)超聲波法所測縱向應力和橫向應力峰值分別為368 MPa、266 MPa 和246 MPa、222 MPa，均大于X射線法所測的331MPa、238MPa和211MPa、188 MPa。這主要是由于兩種測試方法的基本原理不一樣，且測試的范圍大小不同，X射線法主要測量光斑照射區(qū)域內材料表面的殘余應力；而超聲波法是測量發(fā)射傳感器和接收傳感器之間超聲波傳播路徑上的平均應力，所測試的區(qū)域范圍大于X射線法。試樣表面處理是X射線殘余應力測量的關鍵問題之一，試樣表面狀態(tài)對測量結果有決定性影響[9]。而影響超聲波法測量結果的主要因素為試樣表面狀態(tài)和材料組織的非均勻性（比如焊接接頭各區(qū)域組織并不均勻）[10]，但超聲波法測量更為簡便、快捷，對現(xiàn)場測試的適應性較強。

不同測試線之間的縱向殘余應力分布曲線的比較如圖2所示。

圖1 接頭3個區(qū)域應力測試分布曲線

圖2 不同測試線之間的縱向殘余應力分布曲線

由圖2可知，無論是X射線法還是超聲波法，試板中線L2所測的殘余應力峰值均大于起弧區(qū)L1和收弧區(qū)L2所測的殘余應力峰值。這是因為[6]當平板對接焊縫較長時，焊縫中段會出現(xiàn)一個穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定區(qū)中的縱向殘余應力σx將接近或達到材料的屈服極限。而在焊縫端部存在應力過渡區(qū)域，縱向殘余應力σx逐漸減小，在板邊緣處為0，這是由于試板端面截面處是自由邊界，端面外沒有材料，其內應力自然為0。因而，起弧區(qū)測試線L1和收弧區(qū)測試線L3均距離端面20 mm，所以兩條測試線焊縫中的殘余應力值均小于試板中線L2焊縫中的殘余應力值。

3 結論

（1）X射線衍射法和超聲臨界折射縱波法均可用于測量S355J2W鋼MAG焊接接頭殘余應力。對于同一測試線的殘余應力峰值，超聲波法的測量結果比X射線法高約30～40 MPa。

（2）S355J2W鋼MAG焊接接頭的殘余應力沿著中心線兩側近似對稱分布，在焊縫及近縫熱影響區(qū)為較大的殘余拉應力，遠離焊縫中心的母材為壓應力。

（3）試板中線測得的殘余應力峰值大于起弧區(qū)和收弧區(qū)測得的殘余應力峰值，主要是由于試板中線處于應力穩(wěn)定區(qū)，而起弧區(qū)和收弧區(qū)處于應力過渡區(qū)。

參考文獻：

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