轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接修復(fù)性能研究

孫志鵬 張林儒 李志強(qiáng)

摘要：以動車轉(zhuǎn)向架常用S355J2+N厚板為研究對象，針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造完成后中厚板出現(xiàn)母材缺陷進(jìn)行焊接修復(fù)后的性能研究。制作模擬修復(fù)接頭并對其進(jìn)行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度檢測，并對修復(fù)后的轉(zhuǎn)向架部件進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗驗證。結(jié)果證明，轉(zhuǎn)向架部件焊接修復(fù)后的性能完全能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為實(shí)際生產(chǎn)中的焊接修復(fù)作業(yè)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架;缺陷修復(fù);強(qiáng)度驗證

0? ? 前言

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，對高速動車組的技術(shù)要求也越來越高，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為高速動車組的重要組成部件，其質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。在動車組運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承受著極其復(fù)雜的交變載荷作用，極易導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生疲勞損失，降低其自身的安全性能。在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中，加工后鋼板遺漏在表面的缺陷偶有出現(xiàn)，為減少浪費(fèi)，研究轉(zhuǎn)向架成品部件的焊接修復(fù)十分必要。

針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中中厚板加工后出現(xiàn)的缺陷，文中采用MAG焊接方法對其進(jìn)行修復(fù)，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行檢測和試驗分析，為實(shí)際構(gòu)架焊接修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為動車組構(gòu)架常用S355J2+N鋼板，板厚為16 mm，鋼板的化學(xué)成分及性能分別如表1、表2所示。

焊接修復(fù)試驗采用MAG焊，混合氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，試驗焊絲為ER80S-G，直徑φ1.0。試驗用焊接試板尺寸：16 mm×300 mm×600 mm，加工模擬缺陷深度分別為3 mm、5 mm、8 mm、10 mm，如圖1所示，對應(yīng)的試板編號為M1、M2、M3、M4。依照圖1準(zhǔn)備試板進(jìn)行焊接，焊前采取反變形約束防止焊接變形，焊后不允許矯正。試驗共需制備4組合格試件，沿用試板編號為M1、M2、M3、M4。

2 試驗驗證及分析

針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中中厚板加工后出現(xiàn)的不同深度缺陷進(jìn)行焊接修復(fù)后，對其常規(guī)力學(xué)性能進(jìn)行試驗，驗證焊接工藝和焊工技能[1-3]。試驗內(nèi)容主要包括接頭組織性能試驗、拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度試驗、宏觀組織以及微觀組織分析。選取一個轉(zhuǎn)向架的部件進(jìn)行缺陷修復(fù)，驗證修復(fù)后該部位的強(qiáng)度，對補(bǔ)焊修復(fù)后的構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗。

2.1 拉伸試驗

對不同缺陷深度的修復(fù)試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，按照EN895[4]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，要求試樣的抗拉強(qiáng)度均不小于母材金屬規(guī)定的最低值，使用YDL500電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速度2 mm/min，測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，焊接修復(fù)后的試件抗拉強(qiáng)度最小值為535 MPa，均值在540 MPa以上，根據(jù)EN10025標(biāo)準(zhǔn)，S355J2+N的抗拉強(qiáng)度下限為470 MPa，試件的抗拉強(qiáng)度均高于母材，焊接修復(fù)后的接頭性能符合要求。

2.2 側(cè)面彎曲試驗

采用YDL500電液伺服萬能試驗機(jī)對焊接接頭依照標(biāo)準(zhǔn)EN910[5]進(jìn)行180°橫向側(cè)彎試驗，每組接頭試樣數(shù)為4個，試驗時試樣在任何方向上不得出現(xiàn)大于3 mm的單一裂紋，彎曲用成型輥直徑為4 t，彎曲角為180°。試驗結(jié)果表明，彎曲試驗后試驗件均完好，其彎曲性能符合要求。

2.3 沖擊試驗

動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架技術(shù)要求動車組轉(zhuǎn)向架需適應(yīng)我國不同地區(qū)，特別是高寒地區(qū)。為此，按照EN875標(biāo)準(zhǔn)在-40 ℃下進(jìn)行焊接接頭沖擊試驗。使用VWT型試樣和VHT型試樣，每組3個試樣的平均值應(yīng)不低于27 J。根據(jù)試驗結(jié)果來看，焊縫、HAZ的沖擊功最小值為30 J，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即-40 ℃時接頭沖擊功不低于27 J。試驗結(jié)果如圖2所示。

2.4 硬度檢測

依據(jù)EN1043-1（HV）標(biāo)準(zhǔn)選定焊接區(qū)、熱影響區(qū)和母材金屬進(jìn)行硬度測試，試驗載荷為HV10。從檢測結(jié)果（見圖3）可以看出，修復(fù)后的接頭試件最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)，為333 HV，小于規(guī)定值（不超過380 HV），故修復(fù)后的焊接接頭各部位硬度均符合要求。

2.5 宏觀檢驗和微觀組織分析

圖4a為修復(fù)后的焊縫宏觀照片，無焊接咬邊缺陷，按照EN1321進(jìn)行宏觀檢測，未見焊接缺陷。圖4b為焊縫區(qū)微觀組織，為柱狀晶組織，先共析鐵素體沿冷卻速度方向呈片條狀，并伴隨著少量魏氏組織，晶內(nèi)為針狀鐵素體和粒狀貝氏體。圖4c為熱影響區(qū)組織，由細(xì)小均勻的塊狀鐵素體和珠光體組成的典型正火組織。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T13298（或EN1321）對焊縫（表層、底層、層間）、熱影響區(qū)和母材區(qū)域的微觀組織分析，均未見微觀裂紋。

2.6 部件修復(fù)試驗

構(gòu)架部件加工完成后，在齒輪箱座母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)原始?xì)饪兹毕?，對此進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，如圖5所示。為驗證修復(fù)后齒輪箱部位的強(qiáng)度，對補(bǔ)焊修復(fù)后的構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗。

構(gòu)架的強(qiáng)度試驗分為靜強(qiáng)度試驗和疲勞強(qiáng)度試驗，其中靜強(qiáng)度試驗包括超常載荷試驗和運(yùn)營載荷試驗。

試驗載荷包括構(gòu)架二系空簧座垂向載荷和齒輪箱座載荷。

超常載荷試驗下構(gòu)架上的最大應(yīng)力為194 MPa，最小應(yīng)力為-242.1 MPa，其當(dāng)量應(yīng)力均未超過材料的屈服極限;卸載后，構(gòu)架未出現(xiàn)永久變形;超常載荷試驗結(jié)果符合要求。

運(yùn)營載荷試驗的測點(diǎn)均落在疲勞極限范圍之內(nèi)，運(yùn)營載荷試驗結(jié)果符合要求。

疲勞試驗分三個階段進(jìn)行，其中1～6×106 次為第一階段，6×106～8×106次為第二階段，8×106～1×107次為第三階段;在完成2×106、4×106、6×106、8×106、1×107次循環(huán)時分別進(jìn)行探傷檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂紋;疲勞試驗結(jié)果符合要求。

3 結(jié)論

針對S355J2+N材料在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的缺陷，通過模擬不同深度缺陷焊接修復(fù)和部件的真實(shí)缺陷焊接修復(fù)試驗，得出如下結(jié)論：

（1）焊接修復(fù)模擬試驗結(jié)果顯示，不同深度缺陷金相組織相似，焊接試樣的母材、焊縫金屬及熱影響區(qū)均未見焊接缺陷。

（2）模擬試驗試樣的性能分析顯示，焊接修復(fù)區(qū)域硬度符合要求;180°彎曲試驗后試樣完好，其彎曲性能良好;模擬不同深度缺陷修復(fù)的試件接頭抗拉強(qiáng)度均大于470 MPa，沖擊功均大于27 J （-40 ℃），均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）部件修復(fù)后，進(jìn)行構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗，結(jié)果均符合要求，表明該方法修復(fù)構(gòu)架部件是可行的。

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