機車轉向架無熱處理的焊接工藝及疲勞性能分析

陳建華　段連祥　劉紹湘　張茂森　翟鵬軍　于連玉??

摘要： 焊接轉向架是否需要熱處理，在世界范圍內尚有爭議。文中結合濟南軌道交通裝備有限責任公司生產的出口歐洲某型號轉向架的疲勞實驗結果、有限元模擬分析結果和制造工藝，對不進行熱處理的焊接轉向架疲勞強度的影響做了分析與探討。

關鍵詞： 焊接轉向架；殘余應力；熱處理

中圖分類號： TG454

Research on the welding bogie process without heat treatment

Chen Jianhua， Duan Lianxiang， Liu Shaoxiang， Zhang Maosen， Zhai Pengjun， Yu Lianyu

（Jinan Railway Transportation Equipment Co.， Ltd.， Jinan 250022， China）[JZ）]

Abstract：There are still controversial in the world whether the bogie welding heat treatment is needed. The influence of heat treatment on the fatigue strength of welded bogie were analyzed and discussed based on the bogie fatigue test results， the finite element simulation analysis and manufacturing processes.

Key words：welded bogie； residual stress； heat treatment

0 前言

轉向架作為機車車輛的主要承載部件之一，對行車安全起著至關重要的作用。隨著社會發展，對鐵路運輸的高速、重載要求越來越高，焊接轉向架以其自重小、具有足夠的強度剛度等優點，越來越受到人們的重視。但是由于焊接過程是一個局部不均勻的加熱過程，不均勻的溫度場會導致受約束的熱變形和塑性變形，不可避免的產生殘余應力。殘余應力不僅影響構架外觀尺寸精度和尺寸穩定性，還會降低焊接構架的疲勞強度，對構架的疲勞壽命有很大的影響[1]。

為了消除殘余應力和穩定結構尺寸，人們采取了許多調整殘余應力的方法，比如對焊接轉向架進行消除應力熱處理或振動時效，可以有效的降低或均化殘余應力。但是不論是熱處理還是振動時效，都大大降低了生產效率，提高了成本，尤其是熱處理，對設備要求高，需要配備構架整體熱處理爐，生產周期長還要耗費大量能源。

目前世界范圍內，焊接構架生產工藝分為兩種，一種是焊后進行熱處理，一種焊后不進行熱處理。根據出口歐洲的焊接轉向架結構特點，研究采用不進行整體熱處理的工藝保證了產品質量。文中通過對有限元分析結果及疲勞實驗數據、制造工藝及實際運行情況的探討了解不進行熱處理工藝對焊接轉向架疲勞壽命的影響。

1 有限元分析

此轉向架主要由構架、基礎制動裝置、軸箱彈簧懸掛裝置及輪對等組成，構架采用焊接式結構。采用有限元分析程序Ansys 9.0對此型號轉向架構架進行疲勞強度分析與評估，載荷條件和強度評估方法依據TSI（鐵路貨車附屬系統的聯運性能技術規范）的有關內容確定。根據TSI規程的要求，在模擬運營載荷作用下，結構上任意兩種載荷工況所產生的應力差及平均應力應在相應材料或接頭的Goodman極限線圖的界限之內。構架主體結構用材為 S355J2+N 鋼板，疲勞強度許用應力為母材/焊接接頭的Goodman疲勞極限，如圖1所示。對于焊接區域，考慮圖1中的 曲線a2 （適用于非完全焊透的連接），對于非焊接區域，考慮曲線b。在結構模型上施加表1中所列模擬運營載荷工況，通過Goodman圖表對構架的疲勞強度進行效驗，一些關鍵部位的疲勞強度評價結果一并列于表2中。

評價結果表明各模擬運行組合工況下構架的安全系數均大于1，該構架的疲勞強度滿足規范要求。模擬計算結果表明（圖2），該構架的疲勞薄弱部位為制動吊與端梁連接區﹑軸箱座與側梁連接區和側梁與端梁連接區等處。因此實際生產時，須對這些焊縫重點關注。

2 疲勞試驗分析

試驗在電液伺服疲勞試驗臺上進行，構架的疲勞試驗包括模擬曲線運行載荷試驗、制動載荷試驗和軌道扭曲試驗。

疲勞試驗包括3個階段，試驗載荷或位移量包括垂向載荷、橫向載荷、軌道扭曲位移及制動載荷（制動座載荷及構架縱向載荷）。

第一階段動態部分共循環6×106次，載荷值計算如下（Fz為靜態載荷，由側滾系數α產生的載荷為準靜態載荷，由浮沉系數β產生的載荷為動態載荷）：

由于軌道扭曲疲勞試驗時要將軸箱彈簧換為剛性彈簧，根據靜強度試驗，構架扭曲位移量取值為3.0 mm，為準靜態位移。

制動載荷峰谷值： -6～6 kN（每制動座），-24～24 kN（每車軸）。

第二階段動態部分共循環2×106次，載荷值為：第一階段載荷值或位移量的靜態部分不變，準靜態及動態部分均為第一階段的1.2倍。

第三階段動態部分共循環2×106次，載荷值為：第一階段載荷值或位移量的靜態部分不變，準靜態及動態部分均為第一階段的1.4倍。

進行垂向載荷、橫向載荷及扭轉載荷疲勞試驗時，每循環1×106次都對構架進行一次探傷檢查，沒有發現裂紋。制動載荷試驗分別在第一、二、三階段結束時進行探傷檢查，沒有發現裂紋。這說明此轉向架焊接構架疲勞試驗滿足相關要求。

3 工藝措施

公司經過前期對國內、外其它型號焊接轉向架制造工藝的摸索與研究，針對該焊接構架的結構特點，在保證產品質量的前提下采用了不進行熱處理和整體機加工的工藝方案，以降低成本、提高生產效率。主要工藝流程如下：

側梁組成：板材預處理→板材下料、校平→坡口加工→壓型→側梁組焊→檢測；

橫梁組成：板材預處理→板材下料、校平→坡口加工→壓型→橫梁組焊→檢測；

構架總成：構架組成組焊→無損檢測→構架調平→拋丸→涂裝→構架總成組焊→檢測。

在工藝方面采取以下措施，保證焊縫質量，降低接頭應力集中，保證構架焊縫疲勞壽命：

（1） 制定板材、零部件的工藝內控要求，控制板材下料、壓型加工精度符合要求。

（2） 采用機器人工作站并輔以工裝保證焊接質量。例如橫梁、側梁上下蓋板與腹板之間的焊縫、橫梁與側梁插接的焊縫，采用機器人進行焊接，同時對機器人焊接起弧收弧處進行打磨，消除焊接缺陷。焊接過程中將焊接變形始終控制在允許范圍內，確保焊后構架尺寸精度滿足要求。

（3） 嚴格控制側梁、橫梁及構架等的焊接順序，并嚴格控制層間溫度，減小內應力，控制變形量。

（4） 焊工上崗前焊接角接和對接焊縫AP試樣，檢測合格后才能上崗焊接。對于焊接重要焊縫的焊工，須對相應焊縫焊接專門的AP試樣，檢測合格后才能對相關焊縫進行焊接。

（5） 對構架焊縫加強磨修處理，包括：組焊前磨修、定位焊磨修、層間磨修、焊縫接頭磨修、焊縫成型磨修等（如圖3所示）。尤其是該構架的疲勞薄弱部位制動吊與端梁之間的焊縫﹑軸箱座與側梁之間的焊縫和側梁與端梁之間的焊縫，磨修焊趾處使焊縫與母材之間圓滑過渡。

4 結論

（1） 經過實踐證明，生產的此型號焊接轉向架雖未經熱處理和整體機加工，但是結構尺寸精度達到要求且穩定。經過近幾年上線運行未發生任何質量問題，說明未進行熱處理的工藝可行，同樣可以滿足車輛安全運行的需要。

（2） 采用不進行熱處理的工藝制造構架，既能保證產品質量又顯著提高生產效率、降低成本，為公司贏得了良好的經濟效益和社會效益，值得借鑒。

參考文獻

[1] [ZK（#]李慶慶，李曉延，楊東霞，等. 5E83鋁合金TIG殘余應力分布研究[J]. 焊接，2013（4） ：22-25.

[2] 李慶慶，宋建嶺，彭江濤，等. 2219鋁合金TIG焊接頭殘余應力分布[J]. 焊接，2016（1） ：54-57.