机车转向架无热处理的焊接工艺及疲劳性能分析
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陈建华 段连祥 刘绍湘 张茂森 翟鹏军 于连玉��
摘要： 焊接转向架是否需要热处理，在世界范围内尚有争议。文中结合济南轨道交通装备有限责任公司生产的出口欧洲某型号转向架的疲劳实验结果、有限元模拟分析结果和制造工艺，对不进行热处理的焊接转向架疲劳强度的影响做了分析与探讨。
关键词： 焊接转向架；残余应力；热处理
中图分类号： TG454
Research on the welding bogie process without heat treatment
Chen Jianhua， Duan Lianxiang， Liu Shaoxiang， Zhang Maosen， Zhai Pengjun， Yu Lianyu
（Jinan Railway Transportation Equipment Co.， Ltd.， Jinan 250022， China）[JZ）]
Abstract：There are still controversial in the world whether the bogie welding heat treatment is needed. The influence of heat treatment on the fatigue strength of welded bogie were analyzed and discussed based on the bogie fatigue test results， the finite element simulation analysis and manufacturing processes.
Key words：welded bogie； residual stress； heat treatment
0 前言
转向架作为机车车辆的主要承载部件之一，对行车安全起着至关重要的作用。随着社会发展，对铁路运输的高速、重载要求越来越高，焊接转向架以其自重小、具有足够的强度刚度等优点，越来越受到人们的重视。但是由于焊接过程是一个局部不均匀的加热过程，不均匀的温度场会导致受约束的热变形和塑性变形，不可避免的产生残余应力。残余应力不仅影响构架外观尺寸精度和尺寸稳定性，还会降低焊接构架的疲劳强度，对构架的疲劳寿命有很大的影响[1]。
为了消除残余应力和稳定结构尺寸，人们采取了许多调整残余应力的方法，比如对焊接转向架进行消除应力热处理或振动时效，可以有效的降低或均化残余应力。但是不论是热处理还是振动时效，都大大降低了生产效率，提高了成本，尤其是热处理，对设备要求高，需要配备构架整体热处理炉，生产周期长还要耗费大量能源。
目前世界范围内，焊接构架生产工艺分为两种，一种是焊后进行热处理，一种焊后不进行热处理。根据出口欧洲的焊接转向架结构特点，研究采用不进行整体热处理的工艺保证了产品质量。文中通过对有限元分析结果及疲劳实验数据、制造工艺及实际运行情况的探讨了解不进行热处理工艺对焊接转向架疲劳寿命的影响。
1 有限元分析
此转向架主要由构架、基础制动装置、轴箱弹簧悬挂装置及轮对等组成，构架采用焊接式结构。采用有限元分析程序Ansys 9.0对此型号转向架构架进行疲劳强度分析与评估，载荷条件和强度评估方法依据TSI（铁路货车附属系统的联运性能技术规范）的有关内容确定。根据TSI规程的要求，在模拟运营载荷作用下，结构上任意两种载荷工况所产生的应力差及平均应力应在相应材料或接头的Goodman极限线图的界限之内。构架主体结构用材为 S355J2+N 钢板，疲劳强度许用应力为母材/焊接接头的Goodman疲劳极限，如图1所示。对于焊接区域，考虑图1中的 曲线a2 （适用于非完全焊透的连接），对于非焊接区域，考虑曲线b。在结构模型上施加表1中所列模拟运营载荷工况，通过Goodman图表对构架的疲劳强度进行效验，一些关键部位的疲劳强度评价结果一并列于表2中。
评价结果表明各模拟运行组合工况下构架的安全系数均大于1，该构架的疲劳强度满足规范要求。模拟计算结果表明（图2），该构架的疲劳薄弱部位为制动吊与端梁连接区﹑轴箱座与侧梁连接区和侧梁与端梁连接区等处。因此实际生产时，须对这些焊缝重点关注。
2 疲劳试验分析
试验在电液伺服疲劳试验台上进行，构架的疲劳试验包括模拟曲线运行载荷试验、制动载荷试验和轨道扭曲试验。
疲劳试验包括3个阶段，试验载荷或位移量包括垂向载荷、横向载荷、轨道扭曲位移及制动载荷（制动座载荷及构架纵向载荷）。
第一阶段动态部分共循环6×106次，载荷值计算如下（Fz为静态载荷，由侧滚系数α产生的载荷为准静态载荷，由浮沉系数β产生的载荷为动态载荷）：
由于轨道扭曲疲劳试验时要将轴箱弹簧换为刚性弹簧，根据静强度试验，构架扭曲位移量取值为3.0 mm，为准静态位移。
制动载荷峰谷值： -6～6 kN（每制动座），-24～24 kN（每车轴）。
第二阶段动态部分共循环2×106次，载荷值为：第一阶段载荷值或位移量的静态部分不变，准静态及动态部分均为第一阶段的1.2倍。
第三階段动态部分共循环2×106次，载荷值为：第一阶段载荷值或位移量的静态部分不变，准静态及动态部分均为第一阶段的1.4倍。
进行垂向载荷、横向载荷及扭转载荷疲劳试验时，每循环1×106次都对构架进行一次探伤检查，没有发现裂纹。制动载荷试验分别在第一、二、三阶段结束时进行探伤检查，没有发现裂纹。这说明此转向架焊接构架疲劳试验满足相关要求。
3 工艺措施
公司经过前期对国内、外其它型号焊接转向架制造工艺的摸索与研究，针对该焊接构架的结构特点，在保证产品质量的前提下采用了不进行热处理和整体机加工的工艺方案，以降低成本、提高生产效率。主要工艺流程如下：
侧梁组成：板材预处理→板材下料、校平→坡口加工→压型→侧梁组焊→检测；
横梁组成：板材预处理→板材下料、校平→坡口加工→压型→横梁组焊→检测；
构架总成：构架组成组焊→无损检测→构架调平→抛丸→涂装→构架总成组焊→检测。
在工艺方面采取以下措施，保证焊缝质量，降低接头应力集中，保证构架焊缝疲劳寿命：
（1） 制定板材、零部件的工艺内控要求，控制板材下料、压型加工精度符合要求。
（2） 采用机器人工作站并辅以工装保证焊接质量。例如横梁、侧梁上下盖板与腹板之间的焊缝、横梁与侧梁插接的焊缝，采用机器人进行焊接，同时对机器人焊接起弧收弧处进行打磨，消除焊接缺陷。焊接过程中将焊接变形始终控制在允许范围内，确保焊后构架尺寸精度满足要求。
（3） 严格控制侧梁、横梁及构架等的焊接顺序，并严格控制层间温度，减小内应力，控制变形量。
（4） 焊工上岗前焊接角接和对接焊缝AP试样，检测合格后才能上岗焊接。对于焊接重要焊缝的焊工，须对相应焊缝焊接专门的AP试样，检测合格后才能对相关焊缝进行焊接。
（5） 对构架焊缝加强磨修处理，包括：组焊前磨修、定位焊磨修、层间磨修、焊缝接头磨修、焊缝成型磨修等（如图3所示）。尤其是该构架的疲劳薄弱部位制动吊与端梁之间的焊缝﹑轴箱座与侧梁之间的焊缝和侧梁与端梁之间的焊缝，磨修焊趾处使焊缝与母材之间圆滑过渡。
4 结论
（1） 经过实践证明，生产的此型号焊接转向架虽未经热处理和整体机加工，但是结构尺寸精度达到要求且稳定。经过近几年上线运行未发生任何质量问题，说明未进行热处理的工艺可行，同样可以满足车辆安全运行的需要。
（2） 采用不进行热处理的工艺制造构架，既能保证产品质量又显著提高生产效率、降低成本，为公司赢得了良好的经济效益和社会效益，值得借鉴。
参考文献
[1] [ZK（#]李庆庆，李晓延，杨东霞，等. 5E83铝合金TIG残余应力分布研究[J]. 焊接，2013（4） ：22-25.
[2] 李庆庆，宋建岭，彭江涛，等. 2219铝合金TIG焊接头残余应力分布[J]. 焊接，2016（1） ：54-57.