地鐵轉向架側梁焊接殘余應力的研究

周建強 孫貴舜 金亞平

摘 要：本文以轉向架的側梁焊接為中心展開論述，對側梁同一位置不同狀態下的焊接殘余應力做出了測試，通過測試得出在不同步驟與處理工藝的作用下，側梁殘余應力的實際分布與變化規律，還對熱處理與噴砂工藝對于焊接接頭當中關于殘余應力具體分布的制約與影響。通過研究可知，側梁的來料基礎表面絕大多數是壓應力，焊后與熱調修之后的側梁殘余應力整體范圍較寬，某些測試點出現了高值殘余拉伸型應力，使用噴砂工藝能讓構架的淺表面出現塑性變形，進而形成有積極作用的壓應力，通過熱處理工藝，能讓構架中出現的殘余應力峰值獲得一定程度的削減，使應力分布實現均化。

關鍵詞：轉向架側梁;焊接殘余應力;熱調修;噴砂處理

引言：

轉向架屬于軌道車輛當中的重要部件之一，在列車的行車安全中扮演著關鍵的角色，構架又屬于轉向架的基本承載與傳力構件。目前，大多數的轉向架構架絕大部分都選擇焊接形式，也就是說，焊接屬于轉向架當今的主要連接方式。焊接中殘余應力的實際存在會嚴重影響與制約架構的疲勞壽命與疲勞強度，某些焊接接頭的實際應力較為集中或是高殘余應力疊加，通常會出現較高程度的應變循環，如果材料的實際韌性儲備偏差，就可能會出現開裂的情況。與此同時，因為組織性能的轉變，如果殘余應力偏高就會提升裂紋的實際擴展速率。所以，針對構架焊接開展殘余應力相關的探究活動，并利用科學的方案有效降低與清除某些部位存在的殘余應力，對于防止裂紋生長與構架失效甚至是提升構件的實際疲勞壽命都有極高的現實意義與價值。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

筆者以實驗為基礎展開本文的論述環節，筆者在實驗中使用的材料是EN028-3： P355NL1正火焊接型細晶粒鋼，它的化學屬性與力學性能就不做過多的闡述了。

1.2試驗方法

在側梁焊接中可選擇熔化極活性較強的氣體保護焊，保護氣體要選用富氬混合型保護氣體。在殘余應力的測試中，可選擇I-XRD型殘余應力測量儀，在電解拋光設備的選擇中，DIP-II與8818-V2式電解拋光機的優勢更為突出。在殘余應力的實際測試中，要以歐盟有關的測試標準為準則，在體測試參數的選擇中，從實際情況及相關規則與標準出發，確保所得數據的科學性與準確性。

2實驗結果及分析

2.1側梁基礎件殘余應力測試

針對側梁的來料基礎件來說，要在側梁完成組裝前開展殘余應力有關測試活動，測試區域要選擇側梁的外腹板，測試點分布要科學合理確定（如圖一）。

筆者通過觀察可知，在側梁外腹板的來料基礎件中，全體測試點的縱向殘余應力都是壓應力，分布在-120 MPa到-220 MPa間，此時的殘余應力呈現出均勻分布。這是由于側梁來料的基礎件在制造時考慮防腐與后期的焊接，對表面進行了噴砂，噴砂會在鋼材的表面形成壓應力層。同時各區域的噴砂都較為均勻，因此，通過噴砂構成的殘余應力同樣也較為均勻。

2.2側梁組焊后殘余應力測試

側梁完成組焊之后，要對側梁的外腹板做出焊接殘余應力測試活動。筆者通過測試與分析得出，完成組焊之后，焊接的殘余應力總體分布不均勻，同時存在拉應力與壓應力，某些區域的拉應力峰值偏高，完全超過材料自身的屈服極限。此外，高值殘余拉伸型應力會集中于側梁、腹板連接長焊縫以及下蓋板當中，這是由于側梁的上下蓋板同腹板在焊接中相互約束，當焊接的熱輸入達到特定值時，焊接變形就會同焊接殘余應力構成反比關系。

2.3側梁熱調修后殘余應力測試

當完成側梁的調修之后，還要針對側梁的外腹板展開殘余應力測試活動。通過筆者的測試與分析可得，調修之后的殘余應力在具體的分布中還是不均勻，并且在縱向的殘余拉應力值還是偏高，通過測試最高值大于600MPa，嚴重大于材料自身的屈服極限。

2.4構架噴砂后殘余應力測試

在落實側梁組焊工作之后，還要對構架做出組裝和焊接。完成構架組焊之后為有效開展焊縫探傷活動，要對構架整體做出噴砂處理。完成噴砂后還要對上文完成測試的區域展開殘余應力測試活動，測試點的具體分布可見圖二。

當構架整體完成噴砂之后，除開個別特殊點之外，焊接的殘余應力大多是壓應力，但是此時的壓應力分布不均，在-200MPa到-400 MPa間波動。應力可協助裂紋閉合，能有效提升構架抗疲勞性?，F于構架當中的疲勞裂紋大多源于構架的表面，拉伸應力可導致疲勞失效，通過噴砂處理，可讓表層壓應力高于內層的拉應力，轉向架在不同負載情況時，表面的拉應力可以被噴砂層當中的殘余應力抵消。

2.5制造過程中不同階段殘余應力的對比

筆者通過測試與剖析可知，相同的測試點在各階段當中的殘余應力分布不同。通過上文闡述可知，側梁完成組焊、調修以及構架噴砂之后，這三階段中殘余應力的實際變化趨勢相差不大。其余階段由于測試區域不同，可以通過測試結果發現，這幾個階段中殘余應力主要由拉應力和壓應力組成。值得注意的是，在以上幾個階段中，在側梁來料的基礎件測試中獲得的殘余應力實際分布情況最均勻，和前面文中闡述的觀點相一致的。

3結論

筆者在本文撰寫中，對來料的基礎件、噴砂、組焊以及調修這四種情況下，殘余應力的實際分布進行了觀察與剖析。第一，當側梁來料的基礎件進行噴砂后，它的表面都是壓應力，并且殘余應力呈現均勻分布，有較好的對稱性。第二，當側梁完成組焊與熱調修之后，通過觀察殘余應力的實際分布呈現出不均勻性，由拉應力和壓應力這兩種力組成，某些區域的拉應力值偏高，已經大于材料自身的速度極限了。第三，噴砂在某種程度上可以轉變側梁表面中的殘余應力狀態，也就是說通過噴砂，可以把表面的拉應力轉為壓應力，大部分的應力波動在- 250 MPa這一定值附近，它上應力分布向均勻性轉變，因為壓力可以讓裂紋閉合，所以它可以有效提升構架的實際抗疲勞性。通過筆者的闡述，希望能為該行業今后的發展奠定基礎，促進該行業的持續穩步發展。

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