轉向架構架焊接熱應力缺陷分析

趙克磊++江昆

[摘 要]轉向架作為列車走行裝置，其性能直接影響著列車運行舒適性以及安全可靠性。構架作為轉向架骨架，將轉向架各個零部件組成一個整體，并且承受和傳遞各種力，因此在轉向架機構中起著舉足輕重的作用。對于現行CRH系列轉向架構架而言，均為鋼焊接結構，鋼焊接結構易出現裂紋、漏焊、焊縫外觀不規則等缺陷，因此對焊接構架質量檢測尤為重要。本文通過對焊接表面缺陷原因分析，選取了焊接構架裂紋、漏焊、焊縫外觀不規則等工件進行了焊接熱應力分析驗證，并提出了提高焊接構架強度的措施，對生產實際具有一定指導意義。

[關鍵詞]構架；焊接質量；類模型；缺陷分析

中圖分類號：U270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）20-0060-01

引言

轉向架構架作為支撐鐵路機車車輛的重要部件，一旦產生疲勞裂紋并在運行中擴展，會導致構架斷裂事故。就目前運營的列車而言，轉向架構架的裂紋幾乎全是構架焊縫焊接不當引起的或強度設計不夠而由焊縫產生的；疲勞裂紋主要從焊縫接頭處產生，因此對于焊接構架質量檢測尤為重要。

1 構架焊接缺陷分析

CRH系列轉向架構架就是一個焊接件，其焊接工藝復雜，焊接過程中易出現構架焊接裂紋、焊瘤、漏焊、焊縫外觀不規則、氣孔、夾渣等缺陷。對于轉向架構架焊接工況而言，焊接類型主要有T型焊、對接焊、弧焊等，本文選取對接焊和T型焊為研究對象。焊接缺陷影響分析如下。轉向架構架上產生的裂紋，多為剛性裂紋，幾乎全是由于焊接不當或強度設計不夠而由焊縫產生的。當焊縫中存在裂縫類高危害性缺陷時，結構受力后，由于縫尖處應力集中，裂縫較易繼續開展、延伸，從而導致結構的破壞。該類焊縫是不允許的。對于焊瘤缺陷，由于焊瘤剛度較大，其變形極小，將降低承受靜荷載節點的極限承載力，應徹底清理干凈。漏焊缺陷嚴重影響焊接質量，使母材工作性能降低，易出現漏焊處撕裂等現象。焊縫外觀不規則是指焊縫表面（水紋狀）不規則、焊縫偏離、藥皮未清理等。焊縫氣孔降低了焊縫的有效作用面積，使焊縫疏松，降低了焊縫強度，氣孔處亦產生應力集中，在轉向架構架焊接中是不允許的。焊縫夾渣與焊縫產生的氣孔一樣，易產生夾渣處應力集中，增大了裂紋產生可能性，危害較大，在焊接過程中，應該加以避免。

2 構架焊接熱應力分析

CRH1型轉向架構架由箱型結構梁組焊而成，各箱型結構梁在焊接過程中，焊縫附近最高溫度可高達材料的沸點，而離開熱源后溫度急劇下降，由于局部受熱不均勻的溫度場，造成焊縫附近的內應力達到材料的屈服極限，從而導致受約束熱變形和塑性變形，且不可避免的產生殘余應力。在焊接溫度升高時，局部金屬會發生相變，亦導致產生相變應力[4]。因此研究焊接區域的熱應力有重要意義。

2.1 焊接熱應力分析

構架焊接工藝多采用T型焊和對接焊，下蓋板和左右節點座之間的對接焊。下蓋板和左右立板之間的T型接頭。操作工人手工焊接側梁體內部焊縫。接著組對3個下蓋板，并進行組裝點固焊，最后采用焊接機械手焊接側梁體外焊縫。本文側重于側梁中部組裝4個縱向長T焊縫（包含兩端節點座處的弧焊縫）和兩個橫向對接焊焊縫進行分析。

2.2 分析模型建立

本文主要分析了正常焊縫、焊接裂紋、漏焊、焊縫外觀不規則等4種工況，以下采用ANSYS對焊接裂紋工況進行簡要分析。電腦配置為AMDA8-4500M（1.9GHz），2.74GB可用內存，軟件ANSYS14.0。具體步驟如下：（1）建立構架三維模型，采用solidworks軟件進行構建3D模型構建。構架整個側梁組裝焊接為反組對工藝，即在側梁組裝胎上先對上蓋板與兩個腹板及各內部筋板和加強板進行組裝點固焊，焊后在焊接變形器上，由接T型角焊。（2進入ANSYS Workbench14.0進行熱力學分析；首先進行熱力學模型的搭建。solidworks模型中，A部分為模型的穩態熱過程（Steady State Thermal），B為模型的瞬態熱過程（Transient Thermal），C為模型的結構靜力學分析（Static Structural）。（3）進行模型的Engineering Data設置，包含模型幾何參數、材料性能參數以及所施加的邊界條件，以供ANSYS軟件進行熱力學計算用，具體的Engineering Data材料屬性設置。

2.3 構架焊接熱應力分析

本文焊接接頭材料選用16Mn，焊接單元在單位體積、單位時間上的熱生成強度，材料的焊接最高溫度為1700。C[4]。建立類模型并劃分網格對該工件進行溫度場分析，采用空冷冷卻流體分析方法，經由穩態熱分析→瞬態熱分析→熱應力分析得到CRH1型焊接構架穩態溫度分布，其焊接自由變形及熱應變分布。

3 構架焊接強度提高措施

通過對構架焊接變形及殘余應力的熱應力分析，以及構架焊接成型的特點，在實際焊接工藝中，構架焊接工藝要避免焊接缺陷的發生，一般應滿足：（1）腹板和節點座處夾緊，并控制腹板與節點座位置間隙為2mm～3mm；（2）夾緊腹板，用壓板上的凸臺控制兩腹板開檔；（3）用卡蘭拉緊兩腹板斜線處，使腹板貼住節點座凸臺。對構架抗疲勞設計，為了提高焊接構架的疲勞強度，應從根本上考慮，盡可能消除缺陷，調整焊接殘余應力和減少應力集中。概括有以下3個方面：（1）從設計開始就盡可能做到接頭設計合理，降低缺口效應；（2）加強制造、施工的質量管理，防止或減少焊接缺陷的產生；（3）必要的焊后改善措施，調整殘余應力的分布，對構架運行過程進行狀態檢測，尤其是焊接部位的動態發展要高度關注。

結束語

在CRH系列轉向架焊接工藝中，由于系統、人為操作等因素影響，焊接構架易出現如焊接裂紋、漏焊、焊縫外觀不規則等缺陷，嚴重影響列車運行安全。本文選取了焊接裂紋、漏焊、焊縫外觀不規則等缺陷與正常焊縫進行熱應力對比分析，得出構架焊接缺陷處易產生應力集中，從而影響構架抗疲勞強度，影響轉向架工作性能。基于焊接缺陷影響，本文從構架焊接工藝、結構設計、提高焊接構架的疲勞強度出發，提出了合理性的提高措施。

參考文獻

[1] 袁博.高速動車組轉向架關鍵部件性能分析[D].大連：大連交通大學，2012.

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[3] 余剛.鋼制對接焊縫缺陷超聲相控陣檢測圖像特征與識別[D].南昌：南昌航空大學，201.