機車構架拉桿座退火后變形分析及應對措施

楊旭宏，秦寶清，趙東波

（1.中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038；2.中國鐵路太原局集團公司大同機車車輛監造項目部，山西 大同 037038）

1 背景概述

電力機車轉向架構架為箱型梁焊接結構，各箱型梁由鋼板拼焊而成。拉桿座為鑄鋼材質，材質類型為E300-520-M，力學性能如表1所示。

表1 E300-520-M鑄鋼件基本力學性能

拉桿座整體焊接在構架側梁下蓋板外表面上，如圖1（a）所示。按照機車構架制造工藝，完成拉桿座等部分小件焊接后，要對構架整體進行去應力退火，退火溫度為（590±15）℃。構架完成退火后，在平衡檢測工序發現構架拉桿座發生變形，橫向尺寸增大9 mm，縱向尺寸增大7 mm，如圖1（b）所示，且拉桿座中間部位出現鼓起，如圖2（a）所示。

圖1 機車構架拉桿座退火后鼓包變形圖（單位：mm）

為了進一步探究變形缺陷的嚴重程度及缺陷產生原因，用碳弧氣刨的方法去除該拉桿座。去除后對該拉桿座與側梁下蓋板貼合面進行尺寸檢測，發現該鑄件下表面出現凹陷，凹陷深度達5 mm，如圖2（b）所示，側梁下蓋板未發生變形。

圖2 機車構架拉桿座退火后變形圖

通過對碳弧氣刨前后狀態進行對比分析可知，該拉桿座變形特征為“下凹上鼓”，這種變形特征反映出了該拉桿座變形前的受力狀態為受到來自貼合面的正應力作用，類似于壓縮變形。考慮到該變形出現在退火熱處理后，過程中未進行任何加載，因此做出以下猜想。

猜想一：拉桿座與鋼板的貼合面上存在某種物質，該物質在高溫退火過程中汽化體積膨脹，產生汽化應力，該應力值超過了鑄鋼件屈服極限ReL，而未超過下蓋板屈服極限，導致該鑄件發生不可恢復的塑性變形。

猜想二：拉桿座鑄件本身存在內應力，在高溫退火過程中，鑄件受熱膨脹和軟化后強度降低，導致變形。

因猜想二中針對鑄件自身應力釋放變形的猜想目前尚無規律可循，暫無模擬及試驗驗證手段，故本文僅針對猜想一，以貼合面存在水介質為例，進行汽化應力計算，并對計算結果進行試驗驗證。

2 猜想一模擬計算

基于猜想一構建了拉桿座在變形前的力學模型，如圖3所示。其下表面受到的力P來自于該面與下蓋板面形成的密閉空腔內存在的水介質在高溫退火時汽化為水蒸氣，因體積膨脹受到拘束而產生的壓力。假設該拉桿座在焊接完成前，其與側梁下蓋板貼合面上存在一層水膜，且水膜體積占據了貼合面全部空間；完成焊接后，貼合面形成密閉空腔，類似于小型儲水容器；退火過程中當溫度升高超過100℃時，密閉空腔內的水開始汽化，隨著溫度持續升高，水蒸氣體積膨脹受到貼合面約束，開始對貼合面產生持續的壓力作用，這是一個緩慢加載的過程。以最高溫度590℃時的汽化應力值進行計算。

圖3 受力分析圖

依據理想氣體狀態方程[1-3]，即：

水的質量為：

水的物質的量為：

汽化應力值為：

式（1）—式（4）中：R為氣體摩爾常數，取8.31 J/（mol·T）；T為開爾文溫度590+273.12=863.12 K；ρ為水的密度，取106g/m3；M為水的摩爾質量，取18 g/mol。

由汽化應力值公式可得：

由（5）式可知，當密閉空間中僅存在單一介質水時，鑄件底面受到的壓力大小與體積比成正比例相關，如表2所示。

表2 空腔內存在不同比例水時的汽化應力值

通過與表1中鑄件力學性能比較，當P＞Rp0.2，即密閉空間中水的體積達到空腔體積的75%以上時，該鑄件會發生超過屈服強度的塑性變形。

通過以上計算結果，本文給出了密閉空腔介質汽化的一般汽化應力值公式，可以按照此公式計算不同物質的汽化應力值，即：

式（6）中：ρ為介質的密度；R為氣體摩爾常數，取8.31 J/（mol·T）；T為開爾文溫度，取實際加熱溫度+273.12=873.12 K；M為介質的摩爾質量。

本文將按照公式（6）計算出的應力值定義為汽化應力。按照此方法，假設密閉空腔中干燥，可認為全部為空氣成分，則可以計算出空氣受熱膨脹時對貼合面的壓力值；當空腔中存在不同比例的空氣時，可以計算出對應的汽化應力值（空氣密度為1.2 9×103g/m3，摩爾質量為29 g/mol），如表3所示。

表3 空腔內存在不同比例空氣時的汽化應力值

通過比較表2和表3可知，空氣受熱膨脹產生的力比水受熱膨脹產生的力小得多，疊加后可忽略不計。實際工況中，如果存在其他介質，可參考上述計算后進行應力疊加。

假設封閉空腔內存在75%水分時，依據退火過程分析鑄件不同時刻受力情況，如表4所示。隨著退火溫度的升高，溫度緩慢增加，拉桿座（一）與鋼板貼合面之間壓力緩慢增大，在達到600℃時超過鑄鋼件的彈性極限，保溫3 h，類似于等溫膨脹，對于鑄鋼件持續加載，發生緩慢的塑性變形，如圖4所示。

表4 退火過程中應力變化值

圖4 退火過程中應力變化圖

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

基于上述計算結果，設計了焊接試板進行試驗驗證。焊接試板底板材質為S500MC，與構架梁體材質相同，試板尺寸為16 mm×300 mm×300 mm，焊接板材質為Q235A，直徑為220 mm，厚度為15 mm，焊接板與拉桿座底板厚度相同，材質相近。焊接板與底板通過a6角焊縫進行焊接，如圖5所示。分別取不同的3組試板，定義為1號、2號、3號，焊接前在1號試板貼合面上噴灑水，2號試板表面噴灑焊接防飛濺劑，3號試板不做任何處理，進行焊接。焊縫封閉后，置于退火爐中隨機車構架退火處理，觀察焊接試板變形情況。

圖5 試板焊接圖（單位：mm）

3.2 試驗結果

退火完成后，發現1號、2號試板出現不同程度的鼓包變形，3號試板基本無變形，如圖6所示。

圖6 試板變形圖

4 空腔內物質成分對變形的影響

通過以上分析計算與試驗驗證可知，在焊接件貼合面形成的密閉空腔內，不同種類物質汽化時對焊接件產生的作用力不同。因此，焊接件表面的清潔程度對焊縫質量與焊接件外形尺寸保證有一定影響。然而生產實際中，焊接件貼合面上可能存在的物質主要有焊接防飛濺劑、加工切削液、探傷耦合劑等，通過公式（6）可知，汽化應力值的大小除了與物質體積比有關外，物質的密度越大，分子量越小，汽化應力值就會越大。

焊接防飛濺劑是在焊接碳鋼、不銹鋼或者其他金屬時，在焊縫坡口及其兩側形成能降低熔滴附著力的保護膜，防止飛濺物傷到母材。防飛濺劑是一種化學液體，為水溶性表面活性劑涂料。目前市場上防飛濺劑品牌繁多，且沒有公開的配方和統一的質量標準[4]。由于防飛濺劑為水基溶液，因此對焊接質量可能的影響為產生氣孔、咬邊等的表面缺欠。焊接前噴涂在焊縫接頭處和附近，然后再焊接，可防止飛濺過多地黏在附近鋼板上。在焊件表面噴涂焊接防飛濺液后，無論干與濕都在飛濺的焊渣表面形成一層膜，隔離了焊渣與焊接材料的接觸，使得飛濺物容易清理。本文以常見的水基防飛濺劑為例，研究其主要成分的汽化應力值。

水基焊接防飛濺劑主要成分如下（以100質量份計）：純丙乳液44～46份，可膨脹石墨4～5份，硼酸3～4份，消泡劑0.2～0.5份，去離子水余量，計算各成分體積比，如表5所示。

表5 焊接防飛濺劑主要化學成分

其中，純丙烯酸的密度為1.051 1 g/cm3，沸點為140.9℃，摩爾質量為72 g/mol。與水的化學性質相似。按照公式（6）進行計算，不同體積比的丙烯酸汽化后產生的應力如表6所示。

表6 不同體積比丙烯酸汽化應力值

將表6與表2通過對比可知，丙烯酸汽化后產生的應力值相對于等體積比例的水的汽化應力值偏小，這與丙烯酸密度較小、分子量較大有關。當空腔內存在多種物質時，汽化應力值應按照各物質汽化應力值疊加計算。由于物質的分子量與物質密度成正相關，故一般水基物質中溶劑水的占比對汽化應力值的影響較大。

5 分析與討論

導致鑄件變形的原因主要分為2類：一類為內部原因，主要表現為鑄造應力變形及熱處理應力變形。鑄造應力變形是指鑄件在凝固過程中，不同部位凝固先后順序及凝固速率不同而產生的鑄造應力，這種應力會在鑄件打箱后的某個工序釋放出來，導致鑄件變形[5]。熱處理變形主要是由于鑄件在熱處理過程中受熱膨脹和軟化后強度降低，在自身重力作用下導致的鑄件變形[6]，以及組織轉變過程中蓄積在組織內部的應力釋放后導致的變形。一般前者對鑄件的尺寸、形狀影響較大。本文中鑄件在退火過程中可能出現了屈服極限降低的情況，也導致了汽化應力值超過了屈服極限而發生變形。另一類為外部原因，主要表現為焊接應力變形、鑄件局部受熱膨脹變形及鑄件加工后應力釋放而導致的機械變形[7-8]。焊接變形主要由于焊接產生的局部高溫導致鑄件膨脹變形以及焊縫凝固過程中產生的巨大拉應力作用于鑄件表面，當焊補量較大時，更會導致鑄件發生大的尺寸變形甚至鑄件整體變形，從而對整個鑄件尺寸、形狀產生巨大影響。熱膨脹變形主要由于鑄件在焊補前的預熱，其變形量的大小取決于預熱的溫度、預熱方式等。機械變形主要發生在鑄件加工后，由于加工去除了鑄件多余部分金屬，原本在鑄件內部的應力平衡狀態被打破，應力自然釋放后產生變形。

本文研究了焊接鑄鋼件在熱處理過程中因汽化應力導致的變形。通過面貼合在一起的2個零部件，通過角焊縫環形焊接完成后，將會在貼合面內形成一個密閉空腔。如果空腔內存在高溫時易汽化的液體，當液體體積占據空腔體積較大比例時，在受熱膨脹的過程中，會對空腔周圍產生擠壓應力作用，最先在材料屈服極限較低的部位產生突破，導致零部件發生塑性變形。

6 結論

通過角焊縫環焊形成封閉空間的2個面貼和焊接零部件，在退火過程中，密閉空腔內部物質在汽化后體積膨脹會對零部件產生擠壓應力作用，影響產品外形尺寸和焊縫質量。可以利用在貼合面增加通氣孔的工藝手段，預防汽化應力導致的變形。

在一般焊接面殘留物質中，水基物質或水的含量會產生較大的汽化應力。因此在焊接前應檢驗表面有無雜物殘留，或通過擦拭手段保證表面光潔度。進行焊接作業時，應減少焊接防飛濺劑的噴灑，或禁止防飛濺劑噴灑至貼合面內部。