陳建華　段連祥　劉紹湘　張茂森　翟鵬軍　于連玉??

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

關(guān)鍵詞： 焊接轉(zhuǎn)向架；殘余應(yīng)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(zhuǎn)向架作為機(jī)車車輛的主要承載部件之一，對行車安全起著至關(guān)重要的作用。隨著社會發(fā)展，對鐵路運輸?shù)母咚佟⒅剌d要求越來越高，焊接轉(zhuǎn)向架以其自重小、具有足夠的強(qiáng)度剛度等優(yōu)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(dǎo)致受約束的熱變形和塑性變形，不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力不僅影響構(gòu)架外觀尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性，還會降低焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度，對構(gòu)架的疲勞壽命有很大的影響[1]。

為了消除殘余應(yīng)力和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸，人們采取了許多調(diào)整殘余應(yīng)力的方法，比如對焊接轉(zhuǎn)向架進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理或振動時效，可以有效的降低或均化殘余應(yīng)力。但是不論是熱處理還是振動時效，都大大降低了生產(chǎn)效率，提高了成本，尤其是熱處理，對設(shè)備要求高，需要配備構(gòu)架整體熱處理爐，生產(chǎn)周期長還要耗費大量能源。

目前世界范圍內(nèi)，焊接構(gòu)架生產(chǎn)工藝分為兩種，一種是焊后進(jìn)行熱處理，一種焊后不進(jìn)行熱處理。根據(jù)出口歐洲的焊接轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點，研究采用不進(jìn)行整體熱處理的工藝保證了產(chǎn)品質(zhì)量。文中通過對有限元分析結(jié)果及疲勞實驗數(shù)據(jù)、制造工藝及實際運行情況的探討了解不進(jìn)行熱處理工藝對焊接轉(zhuǎn)向架疲勞壽命的影響。

1 有限元分析

此轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、基礎(chǔ)制動裝置、軸箱彈簧懸掛裝置及輪對等組成，構(gòu)架采用焊接式結(jié)構(gòu)。采用有限元分析程序Ansys 9.0對此型號轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析與評估，載荷條件和強(qiáng)度評估方法依據(jù)TSI（鐵路貨車附屬系統(tǒng)的聯(lián)運性能技術(shù)規(guī)范）的有關(guān)內(nèi)容確定。根據(jù)TSI規(guī)程的要求，在模擬運營載荷作用下，結(jié)構(gòu)上任意兩種載荷工況所產(chǎn)生的應(yīng)力差及平均應(yīng)力應(yīng)在相應(yīng)材料或接頭的Goodman極限線圖的界限之內(nèi)。構(gòu)架主體結(jié)構(gòu)用材為 S355J2+N 鋼板，疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力為母材/焊接接頭的Goodman疲勞極限，如圖1所示。對于焊接區(qū)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(qū)域，考慮曲線b。在結(jié)構(gòu)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(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行效驗，一些關(guān)鍵部位的疲勞強(qiáng)度評價結(jié)果一并列于表2中。

評價結(jié)果表明各模擬運行組合工況下構(gòu)架的安全系數(shù)均大于1，該構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。模擬計算結(jié)果表明（圖2），該構(gòu)架的疲勞薄弱部位為制動吊與端梁連接區(qū)﹑軸箱座與側(cè)梁連接區(qū)和側(cè)梁與端梁連接區(qū)等處。因此實際生產(chǎn)時，須對這些焊縫重點關(guān)注。

2 疲勞試驗分析

試驗在電液伺服疲勞試驗臺上進(jìn)行，構(gòu)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(gòu)架縱向載荷）。

第一階段動態(tài)部分共循環(huán)6×106次，載荷值計算如下（Fz為靜態(tài)載荷，由側(cè)滾系數(shù)α產(chǎn)生的載荷為準(zhǔn)靜態(tài)載荷，由浮沉系數(shù)β產(chǎn)生的載荷為動態(tài)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(jù)靜強(qiáng)度試驗，構(gòu)架扭曲位移量取值為3.0 mm，為準(zhǔn)靜態(tài)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(tài)部分共循環(huán)2×106次，載荷值為：第一階段載荷值或位移量的靜態(tài)部分不變，準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)部分均為第一階段的1.2倍。

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

進(jìn)行垂向載荷、橫向載荷及扭轉(zhuǎn)載荷疲勞試驗時，每循環(huán)1×106次都對構(gòu)架進(jìn)行一次探傷檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。制動載荷試驗分別在第一、二、三階段結(jié)束時進(jìn)行探傷檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。這說明此轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞試驗滿足相關(guān)要求。

3 工藝措施

公司經(jīng)過前期對國內(nèi)、外其它型號焊接轉(zhuǎn)向架制造工藝的摸索與研究，針對該焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)特點，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下采用了不進(jìn)行熱處理和整體機(jī)加工的工藝方案，以降低成本、提高生產(chǎn)效率。主要工藝流程如下：

側(cè)梁組成：板材預(yù)處理→板材下料、校平→坡口加工→壓型→側(cè)梁組焊→檢測；

橫梁組成：板材預(yù)處理→板材下料、校平→坡口加工→壓型→橫梁組焊→檢測；

構(gòu)架總成：構(gòu)架組成組焊→無損檢測→構(gòu)架調(diào)平→拋丸→涂裝→構(gòu)架總成組焊→檢測。

在工藝方面采取以下措施，保證焊縫質(zhì)量，降低接頭應(yīng)力集中，保證構(gòu)架焊縫疲勞壽命：

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

（2） 采用機(jī)器人工作站并輔以工裝保證焊接質(zhì)量。例如橫梁、側(cè)梁上下蓋板與腹板之間的焊縫、橫梁與側(cè)梁插接的焊縫，采用機(jī)器人進(jìn)行焊接，同時對機(jī)器人焊接起弧收弧處進(jìn)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(nèi)，確保焊后構(gòu)架尺寸精度滿足要求。

（3） 嚴(yán)格控制側(cè)梁、橫梁及構(gòu)架等的焊接順序，并嚴(yán)格控制層間溫度，減小內(nèi)應(yīng)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(yīng)焊縫焊接專門的AP試樣，檢測合格后才能對相關(guān)焊縫進(jìn)行焊接。

（5） 對構(gòu)架焊縫加強(qiáng)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(gòu)架的疲勞薄弱部位制動吊與端梁之間的焊縫﹑軸箱座與側(cè)梁之間的焊縫和側(cè)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(jié)論

（1） 經(jīng)過實踐證明，生產(chǎn)的此型號焊接轉(zhuǎn)向架雖未經(jīng)熱處理和整體機(jī)加工，但是結(jié)構(gòu)尺寸精度達(dá)到要求且穩(wěn)定。經(jīng)過近幾年上線運行未發(fā)生任何質(zhì)量問題，說明未進(jìn)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(jìn)行熱處理的工藝制造構(gòu)架，既能保證產(chǎn)品質(zhì)量又顯著提高生產(chǎn)效率、降低成本，為公司贏得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] [ZK（#]李慶慶，李曉延，楊東霞，等. 5E83鋁合金TIG殘余應(yīng)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(yīng)力分布[J]. 焊接，2016（1） ：54-57.