焊接轉(zhuǎn)向架典型焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能與焊接工藝研究

李鑫

摘 要：隨著交通運輸產(chǎn)業(yè)的興起，鐵路運輸行業(yè)的地位與作用與日突出，轉(zhuǎn)向架作為鐵道車輛行走的核心部件之一，不僅承擔著車輛行駛的重量級軌道的振動荷載，而且關(guān)系到列車行駛的穩(wěn)定性與安全性。面對此，做好轉(zhuǎn)向架焊接與安裝施工十分重要，本文從影響焊接轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)疲勞性的相關(guān)因素入手，著重分析了其焊接工藝。

關(guān)鍵詞：鐵道；轉(zhuǎn)向架；焊接；疲勞性

二十世紀，我國鐵路運輸領(lǐng)域因為焊接轉(zhuǎn)向架接頭在承受強烈振動和重力荷載雙重作用下發(fā)生疲勞斷裂的問題不在少數(shù)，給企業(yè)和社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。轉(zhuǎn)向架作為鐵道交通中的重要組成部分，一直以來都是采用鑄鋼構(gòu)件焊接而成，但隨著鐵路運輸事業(yè)的迅速發(fā)展和高鐵時期的到來，傳統(tǒng)的鑄鋼轉(zhuǎn)向架已經(jīng)無法滿足社會發(fā)展需要，高速、輕型化的轉(zhuǎn)向架已成為未來發(fā)展的主要方向。面對這種社會發(fā)展趨勢，做好轉(zhuǎn)向架焊接疲勞性分析及焊接工藝就顯得格外重要。

1 轉(zhuǎn)向架焊接疲勞性能分析

近些年來，隨著高鐵事業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)向架逐漸由原來的鑄鋼構(gòu)件、搖枕組合轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠麚u枕，采用空氣彈簧結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向架一定程度上滿足了列車行駛舒適度和行駛速度要求，但也為焊接工藝提出了新的挑戰(zhàn)。在新的轉(zhuǎn)向架焊接中，由于采用了焊接性能良好、質(zhì)地薄的材料，如何控制焊接疲勞特性就顯得尤為重要。

1.1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞問題產(chǎn)生的原因

焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；② 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜載強度設(shè)計為主，沒有考慮抗疲勞設(shè)計，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設(shè)計不合理的焊接接頭；③ 工程設(shè)計技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠，所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計準則與結(jié)構(gòu)形式；④ 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計和制造過程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷越來越大； ⑤ 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度方面的科研水平相對滯后。

1.2 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素

疲勞事故的頻繁發(fā)生在一定程度上制約了焊接結(jié)構(gòu)的進一步廣泛應(yīng)用，使一些場合不得不放棄使用焊接結(jié)構(gòu)，甚至懷疑焊接結(jié)構(gòu)能否適用于承受動載的工程實際，故而焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞問題引起國內(nèi)外有關(guān)專家和工程技術(shù)人員，尤其是國際焊接學(xué)會疲勞專業(yè)委員會的普遍關(guān)注。在大量疲勞試驗與工程實踐的基礎(chǔ)上，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計規(guī)范不斷出臺，如英國橋梁疲勞設(shè)計規(guī)范BS5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的疲勞設(shè)計規(guī)范、日本的鋼橋設(shè)計規(guī)范、美國鐵路橋梁以及高速公路設(shè)計規(guī)范、國際焊接學(xué)會的循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計規(guī)范IIW.DOC-639-8l以及我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB-17-88。就目前的工作而言，造成轉(zhuǎn)向架焊接疲勞問題的主要因素包含有：靜載強度、接頭類型、焊縫形狀、焊接缺陷等因素。由于文章字數(shù)限制，這里我們就不一一闡述了。

2 轉(zhuǎn)向架焊接疲勞問題的改善工藝

一般來說，在轉(zhuǎn)向架焊接的過程中，焊接接頭產(chǎn)生焊接疲勞最為嚴重，通常都是在焊根和焊趾兩個位置發(fā)生，一旦焊根部位的疲勞裂紋啟裂的危險被抑制，焊接接頭的危險點則集中于焊趾部位。許多方法可以用于提高焊接接頭的疲勞強度，① 減少或消滅焊接缺欠特別是開口缺陷；②改善焊趾部位的幾何形狀降低應(yīng)力集中系數(shù)；③調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力場，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力場。

2.1 改善焊趾幾何形狀降低應(yīng)力集中的方法

2.1.1 TIG熔修

國內(nèi)外的研究均表明，TIG熔修可大幅度提高焊接接頭的疲勞強度，這種方法是用鎢極氬弧焊方法在焊接接頭的過渡部位重熔一次，使焊縫與基本金屬之間形成平滑過渡。減少了應(yīng)力集中，同時也減少了該部位的微小非金屬夾渣物，因而使接頭部位的疲勞強度提高。

熔修工藝要求焊槍一般位于距焊趾部位0.5～1.5mm處，并要保持重熔部位潔凈，如果事先配以輕微打磨效果更佳。重要的是重熔中發(fā)生熄弧時，如何處理重新起弧的方法，因為這勢必影響重熔焊道的質(zhì)量，一般推薦重新起弧的最好位置是在焊道弧坑之前面6mm處，最近國際焊接學(xué)會組織歐洲一些國家和日本的一些焊接研究所，采用統(tǒng)一由英國焊接研究所制備的試樣進行了-些改善接頭疲勞強度方法有效性的統(tǒng)一性研究，證實經(jīng)該方法處理后該接頭的2×106循環(huán)下的標稱疲勞強度提高58%，如果將得到的211MPa的疲勞強度標稱值換算成相應(yīng)的特征值（K指標）為144MPa。它己高出國際焊學(xué)會的接頭細節(jié)疲勞強度中的最高的FAT值。

2.1.2 機械加工

若對焊縫表面進行機械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應(yīng)提高，當焊縫不存在缺陷時，接頭的疲勞強度可高于基本金屬的疲勞強度。但是這種表面機械加工的成本很高，因此只有真正有益和確實能加工到的地方，才適宜于采用這種加工。而帶有嚴重缺陷和不用焊的焊縫，其缺陷處或焊縫根部應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴重的多，所以在這種情況下焊縫表面的機械加工是毫無意義的。如果存有未焊透缺陷，因為疲勞裂紋將不在余高和焊趾處起始裂，而是轉(zhuǎn)移到焊縫根部未焊透處。在有未焊透缺陷存在的情況下，機加工反而往往會降低接頭疲勞強度。

2.2 調(diào)整殘余應(yīng)力場產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的方法

2.2.1 預(yù)過載法

假如在含有應(yīng)力集中的試樣上施加拉伸載荷，直到在缺口處發(fā)生屈服，并伴有一定的拉伸塑性變形，卸載后，載缺口及其附近發(fā)生拉伸塑性變形處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在試樣其它截面部位將有與其相平衡的低于屈服點的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生。受此處理的試樣，在其隨后的疲勞試驗中，其應(yīng)力范圍將與原始未施加預(yù)過載的試樣不同，即顯著變小，因此它可以提高焊接接頭的疲勞強度。研究結(jié)果表明，大型焊接結(jié)構(gòu)（如橋梁、壓力容器等）投入運行前需進行一定的預(yù)過載試驗，這對提高疲勞性能是有利的。

2.2 擠壓法

局部擠壓機制與點狀加熱方法相同，即均是靠壓縮殘余應(yīng)力提高接頭疲勞強度。但是其作用點是不同的，擠壓位置應(yīng)位于需要產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力的位置。高強鋼試樣采用擠壓法其效果比低碳鋼更為顯著。

結(jié)束語

總之，焊接轉(zhuǎn)向架的焊接構(gòu)架作為鐵道運輸?shù)年P(guān)鍵部件，其不僅承擔著鐵道車輛的重量以及震動帶來的荷載，還影響列車行駛安全。因此，在焊接的過程中，我們要采用科學(xué)、嚴謹?shù)暮附庸に?，改善焊接接頭處的疲勞強度，提高焊接轉(zhuǎn)向架運行的可靠性以及使用壽命，為我國鐵路事業(yè)的發(fā)展提供有力的設(shè)備基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]陶傳琦.焊接轉(zhuǎn)向架典型焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能與焊接工藝研究[D].中南大學(xué)，2010.

[2]蘭東琳.客車轉(zhuǎn)向架典型焊接接頭疲勞性能及其影響因素研究[D].北京交通大學(xué)，2007.

[3]鄒定強，申宏偉.提速轉(zhuǎn)向架焊接接頭疲勞強度及宏微觀分析[C]//中國鐵道學(xué)會提速機車車輛材料工藝學(xué)術(shù)研討會，2009.endprint