轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接熱應(yīng)力缺陷分析

余勝威， 范志勇

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 機械工程系，峨眉 614202）

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接熱應(yīng)力缺陷分析

余勝威1， 范志勇2

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 機械工程系，峨眉 614202）

轉(zhuǎn)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(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架骨架，將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架機構(gòu)中起著舉足輕重的作用。對于現(xiàn)行CRH系列轉(zhuǎn)向架構(gòu)架而言，均為鋼焊接結(jié)構(gòu)，鋼焊接結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂紋、漏焊、焊縫外觀不規(guī)則等缺陷，因此對焊接構(gòu)架質(zhì)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(gòu)架裂紋、漏焊、焊縫外觀不規(guī)則等工件進行了焊接熱應(yīng)力分析驗證，并提出了提高焊接構(gòu)架強度的措施，對生產(chǎn)實際具有一定指導(dǎo)意義。

構(gòu)架；焊接質(zhì)量；類模型；缺陷分析

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為支撐鐵路機車車輛的重要部件，一旦產(chǎn)生疲勞裂紋并在運行中擴展，會導(dǎo)致構(gòu)架斷裂事故。就目前運營的列車而言，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的裂紋幾乎全是構(gòu)架焊縫焊接不當引起的或強度設(shè)計不夠而由焊縫產(chǎn)生的[1]；疲勞裂紋主要從焊縫接頭處產(chǎn)生，因此對于焊接構(gòu)架質(zhì)量檢測尤為重要[2]；為了較好地模擬構(gòu)架焊縫焊接溫度場，吉林大學(xué)王蓉[3]、西南交通大學(xué)盧耀輝[4]等人模擬構(gòu)架 T 型接頭焊接溫度場與應(yīng)力場數(shù)值，為轉(zhuǎn)向架焊接結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計和焊接結(jié)構(gòu)疲勞可靠性提供了參考依據(jù)。轉(zhuǎn)向架零部件焊接件成型后，均需進行必要的無損檢測[5]。本文采用類模型法[4]對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫焊接熱應(yīng)力分析，提出了提高焊接構(gòu)架強度的措施。

1 構(gòu)架焊接缺陷分析

CRH系列轉(zhuǎn)向架構(gòu)架就是一個焊接件，其焊接工藝復(fù)雜，焊接過程中易出現(xiàn)構(gòu)架焊接裂紋、焊瘤、漏焊、焊縫外觀不規(guī)則、氣孔、夾渣等缺陷。對于轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向架構(gòu)架上產(chǎn)生的裂紋，多為剛性裂紋，幾乎全是由于焊接不當或強度設(shè)計不夠而由焊縫產(chǎn)生的[1]。當焊縫中存在裂縫類高危害性缺陷時，結(jié)構(gòu)受力后，由于縫尖處應(yīng)力集中，裂縫較易繼續(xù)開展、延伸，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(jié)點的極限承載力，應(yīng)徹底清理干凈。漏焊缺陷嚴重影響焊接質(zhì)量，使母材工作性能降低，易出現(xiàn)漏焊處撕裂等現(xiàn)象。焊縫外觀不規(guī)則是指焊縫表面（水紋狀）不規(guī)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(chǎn)生應(yīng)力集中，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接中是不允許的。焊縫夾渣與焊縫產(chǎn)生的氣孔一樣，易產(chǎn)生夾渣處應(yīng)力集中，增大了裂紋產(chǎn)生可能性，危害較大，在焊接過程中，應(yīng)該加以避免。

2 構(gòu)架焊接熱應(yīng)力分析

CRH1型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由箱型結(jié)構(gòu)梁組焊而成，各箱型結(jié)構(gòu)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(nèi)應(yīng)力達到材料的屈服極限，從而導(dǎo)致受約束熱變形和塑性變形，且不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在焊接溫度升高時，局部金屬會發(fā)生相變，亦導(dǎo)致產(chǎn)生相變應(yīng)力[4]。因此研究焊接區(qū)域的熱應(yīng)力有重要意義。

2.1 焊接熱應(yīng)力分析

構(gòu)架焊接工藝多采用T型焊和對接焊，下蓋板和左右節(jié)點座之間的對接焊，如圖1所示。下蓋板和左右立板之間的T型接頭，如圖2所示。

圖1 對接焊

圖2 T型角焊

構(gòu)架整個側(cè)梁組裝焊接為反組對工藝，即在側(cè)梁組裝胎上先對上蓋板與兩個腹板及各內(nèi)部筋板和加強板進行組裝點固焊，焊后在焊接變形器上，由操作工人手工焊接側(cè)梁體內(nèi)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(cè)梁體外焊縫。本文側(cè)重于側(cè)梁中部組裝4個縱向長T焊縫（包含兩端節(jié)點座處的弧焊縫）和兩個橫向?qū)雍负缚p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(guī)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 AMD A8-4500M（1.9 GHz），2.74 GB可用內(nèi)存，軟件 ANSYS 14.0。

具體步驟如下：

（1）建立構(gòu)架三維模型，采用 solidworks 軟件進行構(gòu)建 3D 模型構(gòu)建，如圖 3所示。

圖3 solidworks模型

（2）進入 ANSYS Workbench14.0 進行熱力學(xué)分析；首先進行熱力學(xué)模型的搭建，如圖4所示。

圖4 模型搭建界面

圖 4 中，A 部分為模型的穩(wěn)態(tài)熱過程（Steady-State Thermal），B 為模型的瞬態(tài)熱過程（Transient Thermal），C 為 模 型 的 結(jié) 構(gòu) 靜 力 學(xué) 分 析（Static Structural）。

（3）進行模型的 Engineering Data 設(shè)置，包含模型幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，以供 ANSYS軟件進行熱力學(xué)計算用，具體的Engineering Data 材料屬性設(shè)置如圖 5 所示。

圖5 Engineering Data設(shè)置

（4）進行模型的網(wǎng)格化（mesh），采用 ANSYS自動網(wǎng)格化模型，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格化

圖6為構(gòu)架網(wǎng)格化模型。用戶可以設(shè)置網(wǎng)格的大小以及網(wǎng)格的形狀（四邊形或者六邊形）等，網(wǎng)格數(shù)越多，尺寸越小，求解精度越高。

（5）進行穩(wěn)態(tài)熱參數(shù)設(shè)置 (Steady-State Thermal(A5))，包括初始溫度（Initial Temperature）22。C、Analysis Settings（時間 1s）、Temperature（22。C ～ 1 700。C）、Convection（導(dǎo)熱系數(shù) 1 200 W/m2·。C），

（6）進行穩(wěn)態(tài)熱求解 (Solution)，求解溫度變化（Temperature）以及總熱流分布 (Total Heat Flux)。

（7）進入圖 4中 B 部分分析，即將 A 部分的結(jié)果導(dǎo)入 B 部分進行分析；此時還需要進行 Internal Heat Generation 設(shè)置。

（8）進行結(jié)果分析（Solution），即求解溫度變化（Temperature）以及總熱流分布（Total Heat Flux）。

（9）將圖 4中的 B 部分分析結(jié)果導(dǎo)入 C 中進行熱力學(xué)分析，添加 Solution 項，添加應(yīng)力（Thermal Strain）、應(yīng)變分析項（Total Deformation）。

2.3 構(gòu)架焊接熱應(yīng)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 1 700。C[4]。

建立類模型并劃分網(wǎng)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(jīng)由穩(wěn)態(tài)熱分析→瞬態(tài)熱分析→熱應(yīng)力分析得到 CRH1型焊接構(gòu)架穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖7所示，其焊接自由變形及熱應(yīng)變分布如圖8所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)溫度分布

圖8 熱應(yīng)力下的位移響應(yīng)及熱應(yīng)變分布

由圖7和圖8可知，由于焊接構(gòu)架較大的對流面積，焊縫處穩(wěn)態(tài)溫度較高，邊緣較小；焊接產(chǎn)生殘余應(yīng)力使得腹板兩端變形量較大，中間位置處焊接變形較小，整體焊接變形較小接近于0，表明在標準焊接下，該焊接腹板和底板自身抗熱應(yīng)變能力高于焊接熱應(yīng)變。

同樣，對于焊接構(gòu)架焊接裂紋、漏焊、焊縫外觀不規(guī)則等缺陷，分析得到如圖 9～ 圖 11 所示結(jié)果。

在設(shè)計分析中，焊縫裂紋位置、裂紋大小及數(shù)量，漏焊位置、漏焊大小及數(shù)量，不規(guī)則形狀等都會對分析結(jié)果造成一定的影響。由圖5可知，焊縫裂紋的存在對焊接構(gòu)架影響較大，變形較大，應(yīng)力較集中裂紋處。由圖6可知，漏焊焊縫主要表征在中間變形最小處，其相應(yīng)的熱應(yīng)變結(jié)果表明，該漏焊（類模型）對于焊接熱應(yīng)變影響較小，但是實際工況下，漏焊易造成應(yīng)力集中，經(jīng)常成為疲勞裂紋的源頭。由圖7可知，焊縫的不規(guī)則形狀對于焊接構(gòu)架的結(jié)構(gòu)影響較為明顯，應(yīng)該保證焊縫符合尺寸設(shè)計要求，避免焊接接頭過高等缺陷。

圖9 裂紋焊縫熱應(yīng)力下的位移響應(yīng)分布

圖10 漏焊焊縫熱應(yīng)力下的位移響應(yīng)分布

圖11 不規(guī)則焊縫熱應(yīng)力下的位移響應(yīng)分布

3 構(gòu)架焊接強度提高措施

通過對構(gòu)架焊接變形及殘余應(yīng)力的熱應(yīng)力分析，以及構(gòu)架焊接成型的特點，在實際焊接工藝中，構(gòu)架焊接工藝要避免焊接缺陷的發(fā)生，一般應(yīng)滿足：（1）腹板和節(jié)點座處夾緊，并控制腹板與節(jié)點座位置間隙為 2 mm ～3 mm；（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(jié)點座凸臺。

對構(gòu)架抗疲勞設(shè)計，為了提高焊接構(gòu)架的疲勞強度，應(yīng)從根本上考慮，盡可能消除缺陷，調(diào)整焊接殘余應(yīng)力和減少應(yīng)力集中。概括有以下3個方面：

（1）從設(shè)計開始就盡可能做到接頭設(shè)計合理，降低缺口效應(yīng)；（2）加強制造、施工的質(zhì)量管理，防止或減少焊接缺陷的產(chǎn)生；（3）必要的焊后改善措施，調(diào)整殘余應(yīng)力的分布，對構(gòu)架運行過程進行狀態(tài)檢測，尤其是焊接部位的動態(tài)發(fā)展要高度關(guān)注。

4 結(jié)束語

在CRH系列轉(zhuǎn)向架焊接工藝中，由于系統(tǒng)、人為操作等因素影響，焊接構(gòu)架易出現(xiàn)如焊接裂紋、漏焊、焊縫外觀不規(guī)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(guī)則等缺陷與正常焊縫進行熱應(yīng)力對比分析，得出構(gòu)架焊接缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而影響構(gòu)架抗疲勞強度，影響轉(zhuǎn)向架工作性能?；诤附尤毕萦绊懀疚膹臉?gòu)架焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高焊接構(gòu)架的疲勞強度出發(fā)，提出了合理性的提高措施。

[1] [日本]織田安朝 .轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫強度的評價 [J].國外機車車輛工藝，2002（6）.

[2]袁 博 .高速動車組轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件性能分析 [D]. 大連：大連交通大學(xué)，2012.

[3]王 蓉 .轉(zhuǎn)向架構(gòu)架 T 型接頭焊接溫度場與應(yīng)力場數(shù)值模擬分析 [D].長春：吉林大學(xué)，2012.

[4]盧耀輝 .鐵道客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[5]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(xué)，2012.

責(zé)任編輯 徐侃春

Defect analysis of welding thermal stress for bogie frame

YU Shengwei1, FAN Zhiyong2
( 1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Emei 614202, China )

The bogie was the running device of a high-speed train, its performance was with a great effect on running safety, riding comfort and stability for vehicles. Frame was the skeleton of the bogie, it assembled all parts, was used to support and bear transmission torque and load, thus it played an important role in the bogies. As for CRH1 bogie frames, the frame was with all steel welded structure, and easily producing bead cracks, leakage solder, irregular weld shapes and so on. Thus, the surface quality detection for the weld was necessary. This paper f i rstly analyzed formation reasons of fault welds, and then, adopted the work piece of class bead cracks, class leakage solder, class irregular weld shapes to test and verify welding thermal stress analysis. Finally, effective measures for frame welding strength were proposed to guide the actual production to some extent.

frame; welding quality; class model; defect analysis

U270.331∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0010-04

2014-07-31

余勝威， 在讀碩士研究生，范志勇，講師。