動車組轉向架構架焊接工藝評定分析與討論

宮 平，常 力

（長春軌道客車股份有限公司轉向架制造中心，吉林長春130062）

動車組轉向架構架焊接工藝評定分析與討論

宮 平，常 力

（長春軌道客車股份有限公司轉向架制造中心，吉林長春130062）

在動車組轉向架焊接制造過程中，焊接工藝評定是強制性執行條款，因此，對于動車組轉向架焊接工作者來說，焊接工藝評定工作具有重要意義。以CRH3型車和CRH5型車動車組轉向架構架為例，結合EN 15085體系相關標準，分析和討論動車組轉向架構架焊接工藝評定的目的、意義和一般程序，以及焊接工藝評定的注意事項和評定過程中一些爭議問題的解釋，結合實際對動車組轉向架構架焊接工藝評定給出一些意見和建議。

動車組；轉向架構架；焊接工藝評定

0 前言

高速動車組轉向架是動車組的重要部件之一，具有支撐車體質量、引導車輛沿軌道運行、承受并傳遞車體至輪對、輪軌至車體間的各種載荷及作用力的作用。構架是轉向架的關鍵部件，高速動車組轉向架構架為鋼制焊接結構。根據EN15085-4要求，一定質量等級的焊縫需要根據ISO 15609系列標準編制焊接工藝規程（WPS），而每個焊接工藝規程都需要根據相應焊接工藝評定標準進行證明，即針對不同質量等級的焊縫應進行相應的焊接工藝評定。由此可見，焊接工藝評定是制定焊接工藝規程（WPS）和驗證焊接工藝的重要工作，也是控制轉向架構架焊接質量的重要步驟和環節。在此以CRH3型車和CRH5型車動車組轉向架構架為例，結合EN 15085體系相關標準，分析和討論高速動車組轉向架構架焊接工藝評定的一般程序和特點、焊接工藝評定的注意事項、以及焊接工藝評定過程中一些爭議問題的處理和解釋，最后結合實際對高速動車組轉向架構架焊接工藝評定給出意見和建議。

1 焊接工藝評定的目的和意義

焊接工藝評定的根本目的是制定焊接工藝規程，最終目的是保證產品焊接質量，提高企業經濟效益。

焊接工藝評定的目的有以下幾方面含義：（1）評定焊接制造企業是否有能力焊出符合標準和產品技術條件要求的焊接接頭；（2）驗證制定的焊接工藝規程的正確性；（3）為進一步編制焊接工藝文件提供依據。

焊接工藝評定是驗證焊接工藝正確與否的一項科學試驗工作，從焊接工藝評定的目的可見其意義重大，只有做好焊接工藝評定工作，才能保證產品質量和安全運行，這是企業焊接工藝管理的基礎工作，也是焊接質量控制的重要環節。

2 動車組轉向架構架焊接工藝評定

2.1 動車組轉向架構架結構特點

CRH3型車動車轉向架構架為H型焊接結構，主要由橫梁、側梁、橫側梁連接座和縱向梁組成。側梁采用四塊板箱型結構，橫側梁連接座采用鍛件變截面設計，一端與橫梁鋼管對接組焊，另一端與側梁組焊成箱形結構，兩個橫梁鋼管之間的縱向梁組成采用一體化設計，橫跨兩個橫梁鋼管[1]，如圖1所示。

圖1 CRH3型動車轉向架構架[1]

CRH5型車轉向架構架為H型焊接結構，主要由橫梁、側梁和橫側梁連接座（橫梁支座）組成。側梁為下凹形狀，側梁的橫側梁連接座采用鍛件變截面設計，一端與橫梁鋼管對接組焊，另一端與側梁上蓋板和下蓋板組焊成箱形結構[2]，如圖2所示。

圖2 CRH5型動車轉向架構架[2]

2.2 動車組轉向架構架焊縫類型

CRH3型車轉向架構架是以符合EN10025-5標準要求的改良型耐候鋼S355J2W+N為主；CRH5型車轉向架構架是以符合EN10025-2標準要求的非合金結構鋼S355J2G3為主。二者的轉向架構架的焊縫都以8～16 mm中厚度鋼板對接焊縫、填角焊縫、對接和填角的組合焊縫為主，如圖3所示，同時也包含3 mm以下薄板搭接填角焊縫、管-板接頭組合焊縫以及斜T型接頭組合焊縫等，如圖4所示。

圖3 動車組轉向架構架主要接頭形式

圖4 動車組轉向構架特殊接頭形式

2.3 動車組轉向架構架焊接工藝評定程序

焊接工藝評定的前提是產品結構分析，此部分工作應在設計圖紙工藝性審核過程中部分完成。產品結構分析中重要工作之一是焊接接頭分析統計，焊接接頭統計應包括接頭形式、坡口形式、焊縫形式、母材規格類型和焊縫質量等級等信息。完成焊接接頭分析統計工作后，需為每條焊縫制定唯一的焊接工藝規程（WPS），即開始編制和評定WPS的工作流程，開始進入焊接工藝評定程序。對于動車組轉向架構架，焊接工藝評定的程序依焊縫質量等級不同而有所差異。動車組轉向架構架的焊接工藝評定流程如圖5所示，可見不同質量等級焊縫的評定流程和標準有所不同。

圖5 動車組轉向架構架焊接工藝評定程序

2.4 工藝評定的注意事項

焊接工藝評定是驗證所擬定焊接工藝正確性的工作程序，同時也是焊接制造企業的能力考核和認證要求，因此對于從事動車組轉向架焊接制造的工藝人員來說，應理解評定的目的，認識評定的意義，掌握評定的流程，在合理、合法、優質、高效的條件下完成評定工作。

2.4.1 接頭設計

焊接工藝評定是具有針對性的試驗工作，試件接頭設計時首先要滿足當前車型結構的要求。在滿足當前要求的情況下，應盡可能考慮增大其覆蓋范圍，并盡量避免與已經生效的焊接工藝評定報告覆蓋范圍相重疊。

2.4.2 焊工要求

焊接工藝評定目的是驗證所制定焊接工藝的正確性，因此進行焊接工藝評定時要求焊工或操作工技能熟練以排除人為因素的干擾，注意必須由本單位的焊工或操作工進行操作。

2.4.3 制定pWPS

預焊接工藝規程（pWPS）是用來指導焊接工藝評定試驗的，也是生成焊接工藝評定報告（WPQR）的重要依據，因此制定pWPS時應注意各工藝參數的準確性和合理性，避免隨意編造，導致焊接工藝評定工作失敗或焊接工藝評定報告失真，從而無法通過評定，或即使通過評定，但與實際工藝不符，使依據生成的WPQR編制的WPS不符合生產實際，從而無法保證產品質量。

2.4.4 定位焊

定位焊在轉向架焊接制造中起著非常重要的作用，能夠同時反映部件的組對質量和焊接質量。在制定pWPS時應注意，若定位焊為最終焊縫的組成部分，則pWPS中應包含定位焊的工藝說明，在接下來的WPQR和WPS編寫中也應包含定位焊工藝說明。

2.4.5 試驗與檢驗

試件接頭不同試驗的種類也不同，如全熔透的對接焊縫要進行外觀、內部和表面裂紋3項無損檢測，同時進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和低倍金相5項破壞性試驗；而角焊縫只需進行外觀和表面裂紋2項無損檢測，以及硬度和低倍金相2項破壞性試驗。

無論是無損檢測還是破壞性試驗，其操作程序均有法可依，即依據指定標準進行，這就要求正確理解標準含義和正確應用標準進行試驗。以CRH5型車轉向架構架中的S355J2鋼板對接焊縫為例，根據EN 10025-2規定厚度3～40 mm的鋼板其延伸率應大于等于22％，再根據ISO 15614-1中7.4.3規定延伸率大于等于20％的母材其彎曲角度為180°，由此確定彎曲試驗的彎曲角度為180°。對于彎曲角度還需注意，彎曲試驗的彎曲角度是試件在試驗機上加載時達到的角度，試件卸載后從彎曲試驗機上取下時會有一定的回彈，導致試件永久變形的實際彎曲角度不足180°，為正?，F象，不需再進行任何操作。

試件接頭不同試驗的種類也不同，如全熔透的對接焊縫要進行外觀檢測（VT）、內部檢測（RT或UT）和表面裂紋（MT或PT）檢測3項無損檢測，進行橫向拉伸、橫向彎曲、沖擊、硬度和低倍金相5項破壞性試驗；而角焊縫只需進行外觀檢測（VT）和表面裂紋（MT或PT）檢測2項無損檢測，以及硬度和低倍金相2項破壞性試驗。

2.4.6 WPQR編制

焊接工藝評定報告一般由焊接試驗詳細內容、試驗結果和無損檢測報告、金相檢驗報告等部分組成，其中焊接試驗詳細內容部分體現了具體焊接工藝，其余部分則屬于證明類的文件資料。因此，焊接試驗詳細內容部分編寫應注意對原始數據的記錄和整理，尤其是焊接電流、電弧電壓等焊接工藝參數的編寫。焊接工藝評定報告（WPQR）中記錄的電流、電壓和焊接速度應是試件施焊時焊接電流、電弧電壓和焊接速度的實測值，基本是一個定值，而不應該是一個范圍[3]。

2.4.7 制定WPS

對于已經生效的WPQR，在滿足ISO 15614-1第8章規定的每個條件或因素的前提下，可以根據該WPQR制定相應的WPS，如果其中一個條件或因素不滿足第8章要求，就需要新的焊接工藝評定。第8章中有些條件或因素是否超出認可范圍很明顯，如母材組別和焊接方法等；而有些條件或因素是否超出認可范圍則需要分析或計算進行判斷。如對于MAG焊φ（Ar）80％+φ（CO2）20％的氣體配比，按照ISO 15614-1中規定，φ（CO2）應不超過評定試驗用量的10％，即允許混合氣體中φ（CO2）最高達到22％（20％±20％×10％），注意這個22％是CO2的名義百分比含量，即生產廠家在氣瓶標識上注明的氣體配比和含量。

制定的WPS中，焊接電流、電弧電壓和焊接速度等電特性因素最受關注。ISO 15614-1中沒有直接約束焊接電流、電弧電壓和焊接速度，但規定了熱輸入的認可范圍，即當有沖擊試驗要求時，認可的熱輸入上限比試件焊接使用的熱輸入大25％；當有硬度試驗要求時，認可的熱輸入下限可比試件焊接使用的熱輸入小25％。這就要求在制定WPS時需綜合考慮焊接電流、電弧電壓和焊接速度，并運用熱輸入公式進行計算。

式中Q為熱輸入（單位：kJ/mm）；k為熱效率（對于MAG焊，k=0.8）；U為電弧電壓（單位：V）；I為電流強度（單位：A）；v為焊接速度（單位：mm/s）

2.4.8 CRH3型車和CRH5型車評定的異同

CRH3型車和CRH5型車轉向架構架焊接工藝評定在工作程序上一致，焊接方法也基本一致，均主要采用MAG焊（135或v135），但是在評定的細節上有很多差別。

（1）母材材料不同。

CRH5型車轉向架材料主要為S355J2G3非合金結構鋼板，根據ISO 15608的分類屬于1.2組別，CRH3型車轉向架材料主要為S355J2W+N改良型耐候鋼板，根據ISO 15608的分類屬于1.4組別，雖然分別屬于不同組別，但由于強度級別一致，根據ISO15614-1表3規定，母材能夠互相覆蓋。

（2）填充材料不同。

CRH5型車轉向架構架焊接主要填充材料為符合ASME A-5.18標準的ER70S-6；CRH3型車轉向架構架焊接主要填充材料為符合EN440標準的G 42 4 M（C）G0。通過標準的對比分析，兩種填充材料屬于不同牌號和型號的焊絲，彼此不能互相覆蓋。

（3）沖擊試驗溫度不同。

CRH5型車轉向架材料主要為S355J2G3非合金結構鋼板，該鋼種要求在-20℃沖擊吸收功大于等于27J。CRH3型車轉向架材料主要為S355J2W+N改良型耐候鋼板，該鋼種同樣要求在-20℃沖擊吸收功大于等于27J，但由于CRH3型車尤其是CRH380BL高寒動車要求能耐受-40℃的環境，因此對材料性能的要求更高，即要求在-40℃沖擊吸收功大于等于27 J。

（4）焊后熱處理要求不同。

CRH5型車轉向架構架要求焊后整體進行去應力退火處理；CRH3型車轉向架構架焊后沒有熱處理要求。焊接工藝評定中，焊后熱處理屬于重要因素，不允許隨意增加或刪除，即評定范圍不能互相覆蓋。因此，在兩種鋼材構架評定時應注意區別，尤其是硬度試驗時，S355J2G3鋼焊接接頭允許的最大硬度值為320 HV10，S355J2W+N鋼焊接接頭允許的最大硬度值則為380 HV10。

2.5 焊接工藝評定中爭議問題的理解

2.5.1 驗收水平

驗收水平是判定試件合格與否的重要依據。ISO 15614-1中規定，如果試件內的缺欠在ISO 5817規定的B級限值范圍內，則判定焊接工藝合格，但以下缺欠如焊縫金屬過多、凸度過大、焊縫厚度過大和塌陷的限值為C級。由此認為試件內缺欠不超出ISO 5817 B級范圍就合格是不準確的，在EN 15085 -4中規定，質量等級為CP A的焊縫驗收水平應符合EN 15085-3中的相關規定，如表1所示。

表1 有關焊縫質量等級的鋼材缺欠質量等級[4]

由表1可知，質量等級為CP A的焊縫進行評定時，不允許諸如1.9（焊縫超高）和1.11（焊縫下塌）等缺欠，這與ISO 15614-1中規定的1.9和1.11等缺欠驗收水平為C級相矛盾，兩標準不一致時采用就高原則，因此，以EN 15085-3規定為準。質量等級為CP B的焊縫驗收水平為B級，其中1.9和1.11等缺欠驗收水平也為B級，同樣采用就高原則，以EN 15085-3為準。質量等級為CP C1、CP C2、CP C3和CP D的焊縫，由于EN 15085-3規定的驗收水平低于ISO 15614-1的規定，此處則以ISO 15614-1為準。

2.5.2 預熱溫度和道間溫度

正常預熱溫度應填寫焊接工藝評定試件施焊時預熱溫度下限值；多道焊時，道間溫度則填寫焊接工藝評定試件施焊時道間溫度的上限值。實際上，在施焊過程中道間溫度起預熱作用。對于預熱溫度和道間溫度的規定，一些行業標準之間也存在爭議，如AWS D1.1/D1.1M中5.6規定，除WPS指明另有要求外，最低道間溫度必須與預熱溫度相等；EN 1011-2中說明，最小的道間溫度推薦值常被作為多道焊縫場合的預熱溫度，但是多道焊縫能接受的道間溫度要低于這個預熱溫度，因為在這種場合，后續焊縫所需要的輸入熱量將比底部焊縫更大。對于以上規定或說明，更認同EN 1011-2的解釋，即多道焊時道間溫度應低于預熱溫度。

2.5.3 電特性

電特性一般包括電流種類和極性、熱輸入、焊接電流、電弧電壓、焊接速度以及熔滴過渡形式等。電特性是焊接工藝評定的重要因素，國內外各相關評定標準中都有相應說明。ISO 15614-1中對于電特性的說明主要是電流種類、極性和熱輸入。如8.4.7中規定，電流種類和極性認可范圍僅限于試驗中所用的電流種類和極性，但對于焊接方法111不要求沖擊試驗時，交流適合于直流。8.4.8中規定，有沖擊要求時，熱輸入上限大于25％，重做評定；有硬度要求時，熱輸入下限低于25％，重做評定。

由于ISO 15614-1中沒有給出焊接電流、電弧電壓和焊接速度等因素的認可范圍，因此，在確定已有WPQR覆蓋范圍上和根據已有WPQR制定WPS上容易存在爭議和分歧。而一些相關行業標準在電特性上都給出了明確的認可范圍，如AWS D1.1/D1.1M中規定，電流值變化超出10％，重做評定；電壓值變化超出7％，重做評定；焊接速度變化超出25％（GMAW），重做評定。JB 4708中規定熔滴過渡形式從噴射弧、熔滴弧或脈沖弧改變為短路弧，或反之（GMAW），重做評定。同時，也有一些行業標準把焊接電流、電弧電壓的變化定為次要因素，如ASME：2004第Ⅳ卷中規定，焊接電流、電壓變化15％不需重新評定，需重新制定WPS。

通過標準對比和分析可知，根據ISO 15614-1進行的轉向架構架焊接工藝評定，電流種類、極性和熱輸入是重要因素，因素變化超出認可范圍需要重新評定；焊接電流、電弧電壓和焊接速度等為次要因素，因素發生變化不需要重新評定，考慮到便于指導工人實際操作，當變化超出一定范圍時，可以重新制定WPS。由于熱輸入由焊接方法、焊接電流、電弧電壓和焊接速度共同決定，所以在根據已有WPQR制定WPS時，應綜合考慮幾個因素，并進行計算。而在WPQR中應具體給出每個焊道的熱輸入，以便于根據WPQR制定WPS，以及在應用WPS時更好地控制每道焊縫的熱輸入。

3 結論

（1）焊接工藝評定的根本目的是制定焊接工藝規程，最終目的是保證產品焊接質量，提高企業經濟效益，評定工作應在合理、合法、優質、高效的條件下進行。

（2）以CRH3型車和CRH5型車為例，動車組轉向架構架焊接工藝評定應根據符合EN 15085-3的不同焊縫質量等級按照EN 15085-4和ISO15610至ISO 15614-1系列標準進行。

（3）進行焊接工藝評定時，應認識、理解和應用評定標準，掌握與評定相關的各個標準之間的區別和聯系，從本單位實際出發，確保焊接工藝評定的有效性和適宜性。

[1]劉剛，梁樹林，陸海英，等.高速動車組的動車轉向架構架[P].中國專利：CN201189871，2009-02-04.

[2]牛得田，劉志泰，梁樹林，等.動力轉向架[P].中國專利：CN201189870，2008-08-15.

[3]戈兆文，康鴻雁.執行鋼制壓力容器焊接工藝評定標準時的若干問題（二）[J].壓力容器，2004，21（7）：1-5.

[4]EN 15085-3：2007，鐵路應用—鐵道車輛及部件的焊接—第3部分：設計要求[S].

Discussion and analysis on welding procedure qualification of EMU bogie frame

GONG Ping，CHANG Li
（Bogie Manufacturing Center，Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

In the EMU bogie welding manufacturing process,the welding procedure qualification is compulsory execution terms，therefore，to EMU bogie welding worker，welding technology evaluation work has the universal significance.Takes CRH5 and CRH3 emu bogie frame，for example，combined with the related standard EN 15085 system，this paper analyzes and discusses EMU bogie frame welding technology evaluation purpose，significance and general procedure，and welding technology assessment and evaluation of the matters needing attention in the process of the explanation of some debate，finally，gives some opinions and suggestions combining with actual EMU bogie frame of welding procedure qualification.

EMU；bogie frame；welding procedure qualification

TG457.2

A

1001－2303（2017）01－0086-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.16

獻

宮平，常力.動車組轉向架構架焊接工藝評定分析與討論[J].電焊機，2017，47（1）：86-91.

2014-10-28；

2016-10-18

宮平（1978—），男，吉林長嶺人，碩士，主要從事軌道客車轉向架焊接工藝與技術開發工作。