試論焊后退火工藝對(duì)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接接頭組織和性能的影響

馬征征　趙永州

[摘 要]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，高速鐵路也逐漸成為備受人們歡迎的一種運(yùn)輸方式，在高速列車(chē)中，轉(zhuǎn)向架是其中不可或缺的重要組成部分，其焊接質(zhì)量會(huì)直接影響車(chē)體的承載情況以及牽引轉(zhuǎn)向情況。富氬基二氧化碳焊是當(dāng)前運(yùn)用比較廣泛的焊接工藝，在運(yùn)用其焊接低合金控軋鋼板的過(guò)程中，焊后退火工藝的運(yùn)用會(huì)在一定程度上對(duì)轉(zhuǎn)向架焊接接頭產(chǎn)生影響。本文便從焊后退火工藝的應(yīng)用意義入手，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方式，研究300—350千米高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接接頭，并論述該工藝在運(yùn)用過(guò)程中的影響。

[關(guān)鍵詞]焊后退火；高速列車(chē)；轉(zhuǎn)向架；焊接接頭

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）14-0041-01

前言：隨著國(guó)家對(duì)高速鐵路運(yùn)輸服務(wù)要求的不斷提高，在高速列車(chē)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)相關(guān)工藝的要求也在日益提升，時(shí)速為300—350千米的高速列車(chē)便是當(dāng)前主要的鐵路動(dòng)車(chē)組。轉(zhuǎn)向架是高速列車(chē)來(lái)運(yùn)行過(guò)程中最核心的組成部分，需要有效承載車(chē)體重量，不僅如此，還承擔(dān)著高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的牽引、轉(zhuǎn)向、緩沖以及制動(dòng)等工作。隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向架在實(shí)現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)上，還需要更加輕量化，因此，對(duì)焊接過(guò)程中相關(guān)工藝的要求也更高。

一、焊后退火工藝的應(yīng)用意義

焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)架是當(dāng)前高速列車(chē)建設(shè)體系中運(yùn)用的主要部件，可以以實(shí)際運(yùn)行要求為基礎(chǔ)，運(yùn)用有針對(duì)性的建設(shè)材料，降低結(jié)構(gòu)板厚度，在確保列車(chē)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，更多的節(jié)約建設(shè)原料與成本。時(shí)速在300—350千米的高速列車(chē)，其轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一般情況下是全焊結(jié)構(gòu)，運(yùn)用鋼板進(jìn)行側(cè)架焊接，運(yùn)用鋼板壓型件進(jìn)行橫梁焊接，在完成側(cè)架與橫梁的焊接之后，再進(jìn)行組焊，從而完成整個(gè)構(gòu)架的焊接[1]。這種焊接方式具有節(jié)省焊接原料、焊接強(qiáng)度較高、焊接過(guò)程方便等優(yōu)勢(shì)，但卻對(duì)焊接接頭的性能要求非常高。在焊接過(guò)程中，焊接接頭中會(huì)存在很高的焊接應(yīng)力，這種焊接應(yīng)力會(huì)在很大程度上降低接頭的韌性與可塑性，而運(yùn)用焊后退火工藝，則能夠有效的消除接頭中存在的焊接應(yīng)力，達(dá)到提升接頭性能的目的，因此，需要進(jìn)一步研究該工藝對(duì)焊接接頭組織與性能的影響，從而提升接頭在使用過(guò)程中的質(zhì)量。

二、實(shí)驗(yàn)方法

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，主要研究的是時(shí)速在300—350千米高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架中的焊接接頭，重點(diǎn)研究在運(yùn)用焊后退火工藝以后，焊接接頭的彎曲性與沖擊性變化。實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用低合金控軋鋼板，通過(guò)富氬基二氧化碳這種焊接工藝來(lái)完成對(duì)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的焊接，選用的鋼板長(zhǎng)約500毫米、寬150毫米、厚12毫米，運(yùn)用NiCul—IG焊絲進(jìn)行焊接。

焊接接頭的形式為上寬下窄，通過(guò)四道次完成焊接，四個(gè)焊道所運(yùn)用的焊絲直徑相等，都為1毫米；焊接過(guò)程中所運(yùn)用的焊接電流，一焊道運(yùn)用118安、二焊道與三焊道都運(yùn)用的是248安、四焊道運(yùn)用220安；焊接所運(yùn)用的電弧電壓，一焊道運(yùn)用18伏、二焊道與三焊道都運(yùn)用的是28伏、四焊道運(yùn)用27伏；焊接過(guò)程中的速度各不相等，一焊道3.20mm？s-1、二焊道5.33mm？s-1、三焊道5.41mm？s-1、四焊道3.85mm？s-1；保護(hù)氣體主要由82%的氬與18%的二氧化碳組成；氣體流量控制在15L？min-1。在完成焊接工作之后，需要對(duì)一部分試板做退火處理，處理時(shí)間為3個(gè)小時(shí)，整個(gè)過(guò)程需要將試板溫度保持在590℃，從而達(dá)到消除焊接接頭中應(yīng)力的目的[2]。

實(shí)驗(yàn)需要從焊接狀態(tài)下的接頭與退火狀態(tài)下的接頭中分別提取實(shí)驗(yàn)樣品，對(duì)兩者的焊縫進(jìn)行分析，重點(diǎn)放在金屬微觀組織的觀察上，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)接頭熱影響區(qū)域以及焊縫金屬缺口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與研究，并測(cè)試焊接接頭的彎曲性能，包括橫向正面與背面。對(duì)于V形缺口來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行沖擊測(cè)試過(guò)程中的溫度可以設(shè)定為四個(gè)等級(jí)，包括0℃、-20℃、-40℃、-60℃等；在進(jìn)行接頭背面三點(diǎn)彎曲測(cè)試的過(guò)程中，壓頭的直徑需要控制在40毫米，承輥與承輥距離需要控制在70毫米。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)分析

（一）金屬微觀組織

由于實(shí)驗(yàn)所運(yùn)用的焊接方法為多道焊接，因此，焊接時(shí)不可避免的會(huì)受到焊接熱源的影響，后面的焊道在焊接過(guò)程中，對(duì)于前面的焊道會(huì)產(chǎn)生一定程度的熱處理作用，在這種作用的影響下，前面焊道中焊縫的組織也會(huì)產(chǎn)生一些變化。所以，在進(jìn)行多道焊的過(guò)程中，焊縫中的金屬組織存在柱晶區(qū)與層間金屬區(qū)，其中，前者指的是經(jīng)過(guò)高溫冷卻之后，發(fā)生γ向α轉(zhuǎn)變的區(qū)域；后者指的是受到后面焊道焊接過(guò)程熱處理影響的區(qū)域，且這兩個(gè)區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)出交替堆砌的特點(diǎn)[3]。

柱晶區(qū)主要包含魏氏組織、塊狀先共析、針狀等鐵素體，還有粒狀貝氏體；層間金屬區(qū)因?yàn)闀?huì)受到層間正火的影響，其中已經(jīng)不存在柱晶形態(tài)，其所表現(xiàn)出來(lái)的形式為珠光體與等軸晶粒鐵素體向混合的狀態(tài)。在保持590℃3個(gè)小時(shí)之后，因?yàn)橥嘶疬^(guò)程中的溫度相對(duì)較低，因此，兩個(gè)區(qū)域中的金相組織并沒(méi)有呈現(xiàn)出非常明顯的變化。

（二）接頭沖擊性能

根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，如果沖擊溫度逐漸降低，那么無(wú)論是接頭熱影響區(qū)，還是焊縫金屬?zèng)_擊性能，都會(huì)呈現(xiàn)出比較明顯的降低趨勢(shì)；在進(jìn)行退火處理之后，因?yàn)榻宇^中的焊接應(yīng)力被消除，因此兩者都有明顯升高。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，處于焊接狀態(tài)下金屬的沖擊斷口，與退火狀態(tài)相比，結(jié)晶區(qū)較大，纖維區(qū)較小。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，纖維區(qū)絕大多數(shù)呈現(xiàn)出韌性斷裂狀態(tài)，在斷口處出現(xiàn)很多韌窩，因此，這部分區(qū)域具有相對(duì)較高的韌性與可塑性；而結(jié)晶區(qū)絕大多數(shù)呈現(xiàn)出脆性斷裂，在斷口處出現(xiàn)很多解理面，因此，這部分區(qū)域的韌性與可塑性都相對(duì)較差[4]。在完成退火工藝之后，斷口處的纖維區(qū)增大，結(jié)晶區(qū)減少，這說(shuō)明金屬材料的韌性得到提升。

由此可見(jiàn)，運(yùn)用焊后退火工藝對(duì)轉(zhuǎn)向架焊接接頭進(jìn)行處理，可以在很大程度上使接頭沖擊韌性得到有效提升。

（三）接頭彎曲性能

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了焊接狀態(tài)下與退火狀態(tài)下焊接接頭的橫向正面與背面兩種彎曲狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩種彎曲之后，焊接接頭都不同程度的出現(xiàn)裂紋，在焊接狀態(tài)下，正面彎曲的接頭，裂紋主要出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部，裂紋長(zhǎng)度為3毫米左右；背面彎曲的接頭，裂紋主要出現(xiàn)在熔合線部位，裂紋長(zhǎng)度為0.5毫米左右。在進(jìn)行退火處理以后，無(wú)論正面彎曲與背面彎曲，接頭都沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。

由此可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)向架焊接接頭中運(yùn)用焊后退火工藝進(jìn)行處理，能夠在很大程度上使接頭的彎曲性能得到有效提升。

結(jié)論

綜上所述，焊后退火工藝是當(dāng)前焊接高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架過(guò)程中的一個(gè)主要工藝，以其多方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域運(yùn)用得越來(lái)越普遍。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)時(shí)速在300—350千米高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的焊接接頭組織與性能進(jìn)行了研究，得出運(yùn)用焊后退火工藝，不僅不會(huì)影響到焊縫的金屬微觀組織，還能夠在很大程度上提升構(gòu)架焊接接頭的沖擊韌性與彎曲性能，值得在相關(guān)領(lǐng)域中進(jìn)行推廣，具有很大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[3] 何柏林，魏康.轉(zhuǎn)向架用SMA490BW鋼對(duì)接接頭應(yīng)力集中系數(shù)有限元分析[J].表面技術(shù)，2015，10：74-78.

[4] 吳向陽(yáng)，張志毅，劉擁軍等.高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架SMA490BW耐候鋼焊接接頭低溫性能研究[J].熱加工工藝，2015，19：29—31+35.