焊補對轉向架用耐候鋼焊接接頭殘余應力的影響

王洪廣，岑升波

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616)

0 引言

構架是轉向架重要的承載和傳力構件，目前軌道車輛使用的轉向架構架多為焊接構架。在構架焊接生產過程中，焊縫處可能會存在焊接缺陷，如：氣孔、裂紋、夾渣等[1]。構架焊接后，因焊縫缺陷的存在而引起的裂紋源在應力集中或者交變載荷作用的情況下容易出現裂紋而導致構架破壞。如果直接選擇報廢存在焊接缺陷的構架會造成企業經濟上的浪費，增加生產成本，因此焊接修補(焊補)成為了重要的修復手段。由于焊接過程的固有特性，焊補部位不可避免地會再次產生殘余應力，而焊接殘余應力尤其是數值較大的拉應力的存在會影響構架的服役壽命[2-4]。因此研究焊補對轉向架構架用鋼焊接接頭殘余應力的影響具有重要的工程意義。本文采用X射線衍射法對車輛轉向架構架用SMA490BW耐候鋼MAG焊接頭焊補前后及熱處理后的殘余應力進行測試，分析焊補工藝對焊接接頭殘余應力的影響，為焊補工藝在構架焊縫缺陷修補中的應用提供試驗數據支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及焊接工藝

試驗采用轉向架用SMA490BW耐候鋼，試板尺寸為300 mm×150 mm×12 mm，所用焊絲為φ1.2 mm的高強度耐大氣腐蝕鋼焊絲JM-55Ⅱ。母材及焊絲的化學成分如下頁表1所示。焊接試板采用對接接頭形式MAG焊,采用Kemp Arc Pulse 450焊機完成，Y型坡口，坡口角度為60°，2 mm鈍邊，焊接間隙為1.2 mm，焊接工藝參數見下頁表2。兩種焊接方法的保護氣體均采用80%Ar+20%CO2的混合保護氣體。對于焊補工藝，先將接頭打磨去除原來的蓋面和填充層焊道，然后打磨坡口，按表2的填充和蓋面焊道的焊接工藝參數進行焊補。

表1 母材及焊絲化學成分表(%)

表2 焊接工藝參數表

1.2 熱處理工藝

對焊態和經過焊補的接頭進行去應力退火處理，其熱處理工藝為：試板入爐溫度≤200 ℃，升溫速度≤150 ℃/h，熱處理溫度為600 ℃±15 ℃，保溫2.5 h，冷卻速度≤130 ℃/h，出爐溫度≤200 ℃。待熱處理試板冷卻至室溫后進行熱處理態的殘余應力測量。

1.3 殘余應力測量方法

采用X射線衍射法對各種狀態下的焊接接頭進行殘余應力測試。所用測試設備為日本Pulstec公司生產的便攜式μ-X360n全自動殘余應力檢測系統，該設備為基于德拜環二維探測器，所用靶材為Cr靶，準直管φ為1 mm，功率為30 kV·mA，零應力鐵粉校準。在焊接試板中心垂直于焊縫長度方向布置一條測試線共17個測點，測點距離焊縫中心距離分別為0 mm、±5 mm、±10 mm、±15 mm、±20 mm、±30 mm、±45 mm、±70 mm、±120 mm。

2 試驗結果及討論

2.1 焊補態與焊態接頭熱處理前殘余應力對比分析

表3為不同處理狀態下接頭的殘余應力測試結果。表中σx表示平行于焊縫長度方向的縱向殘余應力，σy表示垂直于焊縫長度方向的橫向殘余應力，正值表示殘余拉應力，負值表示殘余壓應力。圖1為SMA490BW鋼焊態和焊補態對接接頭的殘余應力分布曲線，從圖中可以發現焊態和焊補態對接接頭的焊接殘余應力分布曲線和分布趨勢相同，左右兩邊呈現近似對稱關系，焊縫和近縫區存在數值較高的殘余拉應力，隨著遠離焊縫中心，殘余應力由拉應力逐漸降低直至母材區域變成壓應力。從圖1和表3可以看出，與焊態下相比，焊補后接頭的殘余拉應力作用范圍基本不變，應力分布曲線相近，但拉應力數值有所提高，高值縱向拉應力作用在焊縫區及焊縫附近熔合線部位，橫向高值殘余拉應力也集中在焊縫區及熔合線附近。不管是縱向殘余應力還是橫向殘余應力，焊補態接頭的拉應力峰值均要大于焊態接頭。焊態接頭的縱向殘余應力峰值為305 MPa，出現在距焊縫中心5 mm處的測點，橫向殘余應力峰值為233 MPa，出現在距離焊縫中心-5 mm處的測點；而焊補態接頭的縱向殘余應力峰值為341 MPa(較焊態峰值高11.8%)，橫向殘余應力峰值為256 MPa(較焊態峰值高9.9%)，均出現在距焊縫中心5 mm處的測點。焊補后接頭的縱向和橫向殘余應力峰值均有所提高的主要原因是由于焊接過程的固有特性，焊補部位因熱輸入和溫度場的不均勻不可避免地再次產生殘余應力，而且焊補區周圍金屬處于固態形式，拘束要比初次焊接時大，阻礙了焊補填充金屬的熱塑性變形，冷卻后導致殘余應力增加。

表3 不同處理狀態接頭殘余應力測試結果表

圖1 焊態與焊補態接頭熱處理前殘余應力分布對比曲線圖

2.2 焊補態與焊態接頭熱處理后殘余應力對比分析

圖2(a)～(b)分別為焊態和焊補態熱處理前后的殘余應力分布對比曲線。從圖2(a)中可以看出，熱處理方法消除焊接殘余應力的效果良好，熱處理后焊態接頭的整體殘余應力水平發生了明顯的下降，尤其是焊縫及近縫區域的高值拉伸應力降低了很多，縱向和橫向殘余應力峰值分別為89 MPa和67 MPa，起到了明顯的“削峰”作用。同時，熱處理后接頭的整體殘余應力分布變得更為均勻，所測的所有殘余應力絕對值均<100 MPa。圖2(b)中焊補接頭熱處理前后的整體殘余應力分布及變化規律與焊態接頭熱處理前后相同。熱處理消除鋼結構焊接殘余應力的原理是：把焊件的整體均勻加熱至材料相變點以下的溫度范圍，一般為550 ℃～650 ℃(本文為600 ℃)，經過一定時間保溫，此時金屬未發生相變，但在此溫度上，其屈服極限降低，其材料的彈性模量也會下降，使內部由于殘余應力的作用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，蠕變引起應力松弛，給予充分時間(一般保溫1～3 h，本文保溫時間為2 h)，使試件均勻緩慢地冷卻，最終使應力大幅度降低并得以消除。

圖3為焊態和焊補態接頭熱處理后的殘余應力分布對比曲線。可以看出，焊態和焊補態接頭熱處理后的殘余應力分布曲線和分布趨勢相同，左右兩邊呈現近似對稱關系，整體應力水平相當。焊縫和近縫區應力相對其他區域較高，但是均<100 MPa，隨著遠離焊縫中心，殘余應力由拉應力逐漸降低直至母材區域變成壓應力。焊態熱處理后的縱向和橫向殘余應力峰值分別為89 MPa和67 MPa，而焊補態熱處理后的縱向和橫向殘余應力峰值分別為95 MPa和68 MPa，說明經過熱處理后，不管熱處理前是焊態還是焊補態，熱處理后接頭的應力峰值接近，差異不大。這主要是由于兩者是在同一工藝參數條件下進行的熱處理，雖然熱處理前接頭的殘余應力水平有差異，但是熱處理后兩者應力水平是相當的，基本無太大差異，因此對于熱處理來講，加熱溫度的高低和保溫時間的長短是焊后熱處理的關鍵因素。這說明如果對于焊補后還要進行熱處理的焊件來說，焊補所引起的焊接接頭殘余應力的增大不會影響焊補后熱處理消除應力的效果，在這種條件下可以不用考慮焊補造成的應力增大問題。

(a)焊態

圖3 焊態和焊補態接頭熱處理后殘余應力分布對比曲線圖

3 結語

(1)焊態和焊補態對接接頭的焊接殘余應力分布趨勢相同，左右兩邊呈現近似對稱關系，焊縫和近縫區存在數值較高的殘余拉應力，隨著遠離焊縫中心，殘余應力均由拉應力逐漸降低直至母材區域變成壓應力。

(2)焊補后接頭的縱向和橫向殘余應力峰值較焊態均有所提高的主要原因是由于焊補區周圍金屬處于固態，拘束要比初次焊接時大，阻礙了焊補填充金屬的熱塑性變形，冷卻后導致殘余應力增加。

(3)焊態和焊補態對接接頭熱處理后的整體殘余應力水平相當，分布規律相同，且殘余應力峰值差異不大。對于焊補后還要進行熱處理的工件，焊補所引起的焊接接頭殘余應力的增大不會影響焊補后熱處理消除應力的效果。