轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接熱應(yīng)力缺陷分析

趙克磊++江昆

[摘 要]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(jī)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(jìn)行了焊接熱應(yīng)力分析驗證，并提出了提高焊接構(gòu)架強(qiáng)度的措施，對生產(chǎn)實際具有一定指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]構(gòu)架；焊接質(zhì)量；類模型；缺陷分析

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）20-0060-01

引言

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為支撐鐵路機(jī)車車輛的重要部件，一旦產(chǎn)生疲勞裂紋并在運行中擴(kuò)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(dāng)引起的或強(qiáng)度設(shè)計不夠而由焊縫產(chǎn)生的；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。

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(dāng)或強(qiáng)度設(shè)計不夠而由焊縫產(chǎn)生的。當(dāng)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(yán)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(qiáng)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(dá)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(dá)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。下蓋板和左右立板之間的T型接頭。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(jìn)行組裝點固焊，最后采用焊接機(jī)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(jìn)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(jìn)行簡要分析。電腦配置為AMDA8-4500M（1.9GHz），2.74GB可用內(nèi)存，軟件ANSYS14.0。具體步驟如下：（1）建立構(gòu)架三維模型，采用solidworks軟件進(jìn)行構(gòu)建3D模型構(gòu)建。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(qiáng)板進(jìn)行組裝點固焊，焊后在焊接變形器上，由接T型角焊。（2進(jìn)入ANSYS Workbench14.0進(jìn)行熱力學(xué)分析；首先進(jìn)行熱力學(xué)模型的搭建。solidworks模型中，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(jìn)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(jìn)行熱力學(xué)計算用，具體的Engineering Data材料屬性設(shè)置。

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(qiáng)度，材料的焊接最高溫度為1700。C[4]。建立類模型并劃分網(wǎng)格對該工件進(jìn)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，其焊接自由變形及熱應(yīng)變分布。

3 構(gòu)架焊接強(qiáng)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2mm～3mm；（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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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。

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(yán)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(jìn)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(qiáng)度，影響轉(zhuǎn)向架工作性能。基于焊接缺陷影響，本文從構(gòu)架焊接工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高焊接構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度出發(fā)，提出了合理性的提高措施。

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