轉向架側梁生產及服役過程中的焊接殘余應力研究

張 迪，方孝鐘，董洪達

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031）

0 前言

轉向架作為軌道車輛走行的關鍵部件，在服役過程中承受著交變載荷的作用，其疲勞強度和疲勞壽命是設計者最關心的問題。目前，高速列車轉向架構架均采用焊接形式，焊接過程中不均勻的溫度場導致受約束的熱變形和塑性變形，不可避免地產生焊接殘余應力。焊接殘余應力的存在對高速構架的疲勞強度和疲勞壽命均有很大影響[1-2]。主機廠常采用焊后整體熱處理方式釋放焊接殘余應力，采用噴砂或者噴丸的制造工藝在構架表面形成有利的壓應力層，以提高其抗疲勞能力[3]。但由于構架表面殘余應力會隨轉向架工作時間的增加而逐漸釋放，最后趨于某一穩定值，而該值對構架的疲勞壽命起著決定性作用。為了解焊接殘余應力在轉向架制造及服役過程中的變化規律，選取具有代表性的典型測點進行分析，找出焊接殘余應力隨不同工序的變化規律以及在疲勞試驗過程中焊接殘余應力隨循環周次的變化規律，為改進制造工藝提供數據支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗構架所用板材為EN10028-3：P355NL1正火可焊接細晶粒鋼[4]，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 P355NL1化學成分Table 1 Chemical composition of P355NL1%

表2 P355NL1基本力學性能Table 2 Chemical composition of P355NL1

1.2 試驗方法

構架的焊接采用熔化極活性氣體保護焊（MAG/t135），保護氣體選擇富氬混合保護氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。

采用X射線衍射法測試焊接殘余應力[5]，依據GB 7704-2008無損檢測：X射線應力測定方法及歐盟殘余應力測試標準EN 15305-2008。殘余應力測試設備為加拿大Proto公司生產的i-XRD便攜式殘余應力測量儀；電解拋光設備采用鄭州機械研究所生產的DJP-II型和加拿大Proto公司生產的8818-V2型電解拋光機。

2 試驗結果與分析

選取具有代表性的典型測點，分別在側梁來料基礎件、側梁組焊后、側梁調修后、構架組焊后、構架熱處理后、構架噴砂后、構架疲勞試驗600萬次、疲勞試驗1 200萬次，且在側梁同一位置進行焊接殘余應力測試。測試位置為側梁外腹板處，測試點分布如圖1所示，測試結果如表3所示。

圖1 焊接殘余應力測試點分布Fig.1 Test point distribution of the weldingresidual stress

測試結果表明，側梁外腹板來料基礎件所有測試點縱向殘余應力均為壓應力，分布較均勻，且左右兩邊對稱性較好。這是因為側梁來料基礎件考慮到防腐及后續焊接，表面為噴砂狀態，而噴砂可以在鋼材表面形成一層壓應力層。

側梁組焊后，焊接殘余應力既有拉應力也有壓應力，個別位置的拉應力峰值較大，超過材料的名義屈服極限。由于側梁焊接時各個部位受熱不均勻，側梁上、下蓋板及側梁腹板相互之間形成約束，焊接變形與焊接殘余應力成反比關系，即焊接變形越小，焊接殘余應力越大[6]。

為了矯正側梁的焊接變形，側梁組焊后需對側梁進行火焰熱調修。火焰調修過程需要對側梁施加外力，同時產生塑性變形，所以會改變側梁原有的應力平衡狀態，側梁經過調修后應力重新分布。由于火焰調修對側梁有新的熱輸入，且施加外力強制變形，因此很多部位的焊接殘余拉應力會有所上升，甚至超過500 MPa。

表3 側梁縱向殘余應力бx測試值Table 3 Test value of longitudinal residual stress of side beam MPa

焊接殘余應力峰值的大小與材料本身屈服強度相關，一般低碳鋼殘余應力峰值可達名義屈服極限。名義屈服極限和抗拉強度是鋼材合格出廠的最基本要求，而實際所使用鋼材的屈服極限和抗拉強度要大于名義屈服極限和抗拉強度，相應的焊后殘余應力也大。其次，鋼材在焊接過程中會產生加工硬化層，使鋼材表面的屈服強度變大，從而導致焊后殘余應力值較大[5-6]。最后，X射線衍射法是基于彈性變形理論，當材料表面發生較大塑性變形時，所測得的結果會有所偏大。

構架組焊時，構架整體剛度增大，但由于組焊焊接量并不大，所以并未使側梁殘余應力變大，反而使得焊接殘余應力通過部分變形得到釋放，因此構架組焊后殘余應力值整體有所降低。

為了緩解焊接殘余內應力，焊后需對構架整體進行熱處理。熱處理能使構架內部殘余應力作用從而產生一定的塑性變形，然后利用高溫時材料蠕變速度加快應力的松弛，保溫一定時間后使構架均勻緩慢冷卻，最終使焊接殘余應力大幅度降低并均勻化。

構架熱處理后為了對構架的全部焊縫進行探傷以及后續表面油漆的涂裝，構架需整體進行噴砂處理。噴砂可以在構架表面形成一層壓應力層，大部分測試點由拉應力轉變為壓應力，部分保持拉應力的測點絕對值并不高，這是因為構架結構較復雜，個別部位噴砂時金剛砂粒不易達到，所以噴砂效果不明顯。壓應力有利于裂紋閉合，對提高構架的抗疲勞性能有利[7]。當轉向架在工作載荷情況下，表面承擔的拉應力會被噴砂層的殘余壓應力所抵消，此外噴砂產生的塑性變形會導致晶體滑移，晶格變形，并增加位錯密度，因而改善構架的疲勞性能。

對構架進行疲勞試驗，當加載到600萬次后，構架表面應力為較大的殘余壓應力，這是因為構架在噴漆前的噴砂處理使構架表面形成一層較大的壓應力層，而600萬次的循環加載并未使壓應力發生松弛；當循環加載到1 200萬次后，構架表面的殘余壓應力明顯大幅度下降至絕對值100 MPa以下，而且分布更為均勻，這是因為對構架施加交變載荷導致構架表面殘余壓應力逐漸松弛，應力重新分布和平衡。

同一測試點在不同工序下的縱向殘余應力變化曲線如圖2所示。由圖2可知，所有測點在不同工序下的應力變化趨勢相同，即先升后降，最后再升。控制好焊態和熱調修后的焊接殘余應力值，可以使轉向架構架在整個生產制造過程中維持殘余應力在較低水平。

3 結論

（1）絕大部分測點在不同工序下的焊接殘余應力變化趨勢相同，即由側梁來料基礎件、側梁組焊后、側梁調修后、構架組焊后、構架熱處理后、構架噴砂后、構架疲勞試驗600萬次、疲勞試驗1 200萬次，順序為先升后降，最后再上升。為了使轉向架構架整個生產制造過程中焊接殘余應力保持在較低水平，應控制好調修態和部件焊態的焊接殘余應力。

（2）殘余應力分布的均勻性和集中性隨熱處理、噴砂處理后、來料基礎件、調修后、組焊后的順序而依次遞減。

（3）與構架出廠后疲勞試驗之前相比，構架殘余壓應力在600萬循環周次內變化不大，保持在-100～-250 MPa，在經過1 200萬循環周次后大幅下降至-40～-70 MPa的穩定范圍。

圖2 側梁典型測點不同工序下縱向殘余應力演變曲線Fig.2 Longitudinal residual stress evolution curve of the typical test of side beam under different working procedure

參考文獻：

[1]莊偉.轉向架構架焊接殘余應力的變形和控制[J].機車車輛工藝，2013，8（4）：29-32.

[2]李強，劉志明.高速客車轉向架殘余應力的試驗研究[J].試驗力學，1999，14（2）：260-265.

[3]吳勝權，馬傳平，閆少華，等.焊前噴砂和焊后熱處理對焊接殘余應力的影響[J].機車車輛工藝，2011，8（4）：29-32.

[4]葛森.厚板焊接殘余應力試驗測量與計算[D].北京：北京工業大學，2002.

[5]張建鋒，張志昌，徐五一，等.轉向架副構架焊接接頭殘余應力無損測量及變形研究[J].電焊機，2011，41（11）：58-62.

[6]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[7]拉達伊.焊接結構疲勞強度[M].北京：機械工業出版社，1994.